模糊ISODATA聚類分析算法在礦山地質環境評價中應用

孟慶凱，朱 丹，張 婷，羅慧芬，董智慧

(成都理工大學地球物理學院，四川 成都 610059)

模糊ISODATA聚類分析算法在礦山地質環境評價中應用

孟慶凱，朱 丹，張 婷，羅慧芬，董智慧

(成都理工大學地球物理學院，四川 成都 610059)

為評價礦山地質環境，以重慶市黃桷埡地區為例，建立模糊ISODATA聚類分析數學模型對其進行環境評價。該研究方法為礦山地質環境評價提供了新的思路，并為礦山地質環境治理提供了科學依據。

空間信息技術；模糊ISODATA聚類分析；礦山地質環境評價

礦山地質環境問題一直受到國際社會的廣泛關注和重視，國際上礦業發達的國家如美國、加拿大、澳大利亞和德國等，早在20世紀70年代開始就制定了比較嚴格的礦山地質環境保護和評估制度。隨著我國礦業開發速度的加快，因采礦活動而引起的滑坡、泥石流、地面塌陷等地質環境破壞的問題日趨突出［1］。因此，有必要開展礦山地質環境評價。下面，筆者利用模糊ISODATA聚類分析算法對重慶市黃桷埡地區礦山地質環境進行評價，以期為礦區環境治理提供科學依據。

1 建立礦山地質環境評價指標體系

1.1指標體系構建原則

在構建礦山地質環境評價指標體系時，應注重如下原則［2］：①科學性原則，即客觀真實地反映礦山環境現狀、發展趨勢及內在機制；②完整性原則，即不僅要有生態環境本身質量指標，還要有生態環境的調控指標；③實際性原則，即要考慮指標量化的難易程度以及可靠性，從而能夠體現礦山環境評價的意義。

1.2運用遙感技術確定重點區域

重慶市黃桷埡地區面積約2500km2，共涉及8個礦產資源規劃區(1個重點開采區，6個禁止開采區，1個礦山生態恢復治理區)。由于調查區范圍面積涵蓋大，利用傳統方法無法確定重點評價區域，因而借助遙感技術確定重點區域，即根據該研究區地理位置、地質條件和氣候特征等情況選取Landsat遙感圖像［3］，并對圖像上的地形地貌、地質構造、植被種群分布狀況和土地利用狀況等進行解譯，最終確定重點研究區域。

1.3評價指標確定

根據礦山地質環境的主要影響因素［4］和研究區內的實際情況，選取坡度、植被覆蓋率、開采點密度、區域重要程度、礦山占地面積、礦山地質環境恢復程度6個評價指標。坡度、區域重要程度和開采點密度可以反映該地區的地形地貌、礦產資源儲存、埋藏的深度。植被覆蓋率直接反映出礦山開采情況，同時也可以映射出水資源等生態環境的破壞情況。礦山占地面積和環境污染擴散能力有直接關系，而礦山地質環境恢復程度和研究區內水、大氣、植被等生態因子息息相關，是礦山地質環境評價中不可或缺的評價指標。

1.4評價指標權重的確定

評價指標權重是反映指標在綜合評價中的重要程度，它取決于指標本身在評價決策中的作用及其價值的大小。確定評價指標權重時可以采用專家經驗評判法，又稱Delphi法［5］，其主要特點是集中相關專家的經驗和意見，確定各指標的相對重要性程度或直接確定各指標的權重，并最終確定評價指標的權重，結果如表1所示。

表1 礦山地質環境評價指標權重值表

2 評價模型的建立

將研究區按格網進行劃分若干評價單元，同一單元內的地質環境具有相對均一性［6］。按照模糊ISODATA聚類分析算法建立評價模型。

設被分類集合X=(X1,X2,X3,…,Xn)，其中每一個樣本Xi均有m個特性指標，即Xi=(Xi1，Xi2,Xi3,…,Xim)，特性指標矩陣為：

(1)

要將樣本集X分為c類(2≦c≦n),設c個聚類中心向量為：

Vi=(Vi1,Vi2,…,Vim) (i=1,2,…,c)

(2)

為了得到一個最佳的模糊分類，從模糊分類空間Mfc中選擇一個最好的分類，即求出適當的模糊分類矩陣R=(rik)cn與聚類中心向量V=(V1,V2,…,Vc)T，使得目標函數J所表示的目標函數達到極小值：

(3)

式中，k為某一個評價指標;i為某一分類;q為乘積冪數；rik表示第k個數據在第i類的隸屬度。

當q≥1,Xk≠Vi時，利用ISODATA方法進行迭代，且過程收斂，具體步驟如下［7］：

1)選定c(2≤c≤n)，取一初始模糊矩陣R(0)∈Mfc，逐步迭代，迭代變量為s，此時s=0；

2)對于修正模糊分類矩陣R(s)，計算聚類中心向量V(s)：

(4)

3)修正模糊分類矩陣R(s)為：

(5)

應用以上方法得到模糊分類矩陣R(t+1)和聚類中心向量V(t)就是分類數c、初始模糊分類矩陣R(0)、ε和參數q的最優解。

3 評價結果

表2 礦山地質環境分級結果

在Visual C++環境下,筆者基于arcgis進行二次開發,通過讀取文件,利用屬性數據,然后進行ISODATA算法實現。根據研究區的實際情況,確定分類數c=5,即優、良、一般、較差和差,確定相應的初始模糊分類矩陣R(0),并且取q=2,精確度ε=0.00001,經過多次迭代運算,得到如表2所示的分類結果。在arcgis的toolbox中，將工作區按1km×1km格網進行劃分，每個格網單元作為樣本點，利用分級結果進行空間插值，得到研究區礦山地質環境的最終評價結果(見

圖1 礦山地質環境分級結果

圖1)。從圖1可以看出，研究區內環境總體上較好，局部地質環境問題較為突出，分布特點呈點狀放射性，沿西南向東北延伸，這與其地層發育和礦山開采有直接關系。

4 結 語

模糊ISODATA聚類分析算法可以有效消除人為劃分因素和傳遞偏差的影響，利用該算法對重慶市黃桷埡地區的礦山地質環境評價，得到的結果與實際情況基本符合,證明該研究方法是科學有效的，從而為區域地質環境的持續發展提供科學準確的依據。因此，模糊ISODATA聚類分析算法在環境科學中有著廣闊的應用前景。

［1］董巖峰,劉瀚，田國濤，等.河北省礦山地質環境分析與評價［J］.地質災害與環境保護，2007，18(4)：40-42.

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.017

P642.5

A

1673-1409(2012)07-N052-02

2012-04-26

孟慶凱(1987-)，男，2009年大學畢業，碩士生，現主要從事3S技術與數字地球方面的研究工作。

［編輯］ 李啟棟