基于核密度估計的我國鐵礦資源開發基地研究

張玉韓，董延濤，馬吉宇

（1.中國國土資源經濟研究院，北京101149；2.中國地質大學 （北京）人文經管學院，北京 100083）

基于核密度估計的我國鐵礦資源開發基地研究

張玉韓1，董延濤1，馬吉宇2

（1.中國國土資源經濟研究院，北京101149；2.中國地質大學 （北京）人文經管學院，北京 100083）

鐵礦資源勘查開發基地作為實現鐵礦資源合理布局、優化開發的重要手段之一，對保障國家鐵礦資源安全具有重要意義。本文從“開發”方面切入，以礦區查明資源儲量、礦業權設計開采規模、礦山規模結構三項指標為基礎，采用空間聚類方法中的核密度估計方法對我國鐵礦資源開發基地進行了劃定，并考慮將生態功能重要性指標作為約束指標對基地所包含的縣級行政區進行了統計。結果表明：我國鐵礦分布區大致可劃定十個鐵礦資源開發基地，共包含420個縣級行政區；從相關指標統計結果來看，本文劃定的鐵礦資源開發基地涵蓋了大部分的鐵礦資源及其開發利用活動。此外，本文還對相關基地開發利用方向提出了建議，以期為我國鐵礦資源勘查開發基地相關決策提供支撐。

鐵礦；資源開發基地；核密度估計

鐵礦是我國重要的大宗礦產，對國民經濟發展具有重要支撐作用［1］，從全國非油氣礦產資源開發利用情況來看，我國鐵礦工業總產值常居第二位，僅次于煤炭。從2004～2014年間，我國鐵礦石產量增長了9.4億t，平均增速為13.4%，但仍不能滿足鋼鐵工業迅速發展對鐵礦石的增長需求，2004～2014年間，我國鐵礦石需求量平均增速為14.5%，進口總量增長了348.3%，2013年對外依存度達到了67.8%。這種供需矛盾局面嚴重影響到我國鐵礦資源安全。

合理布局、優化開發是緩解我國鐵礦資源供需矛盾、提高資源供應安全性的重要手段之一［2］。《國土資源部關于開展第三輪礦產資源規劃編制工作的通知》（國土資發〔2014〕35號）明確提出劃定一批資源勘查開發基地，促進區域資源開發集聚。2015年印發《省級礦產資源總體規劃編制技術規程》將礦產資源勘查開發基地定義為在成礦條件有利、找礦潛力大且資源分布相對集中的重點成礦區帶（重要含油氣盆地）中，考慮資源儲量、開發利用基礎條件和生態環境外部條件等，劃定的提升礦產資源勘查開發的規模效應、集聚效應，保障國家礦產資源安全的重要戰略核心區域。但并未明確劃分標準。

本文擬從“開發”方面切入，對我國鐵礦資源開發基地進行研究，這是由于，與勘查相比，部署已具備生產能力的生產型基地任務更為緊迫。國外相關研究主要偏重理論方面［3－4］，實證研究較少；國內學者針對我國鐵礦資源后備基地［5］、安徽省鐵礦資源開發基地［6］、全國鐵礦生產基地［1］等開展了實證研究，但總體來看其劃定方法主要以通過對相關數據空間分布特征來定性判斷為主，雖也有基于數量方法的判斷，但僅針對查明資源儲量等單項指標展開分析，鮮有針對多指標的數量方法基礎上的實證研究。

礦產資源以點狀開發為主，全國鐵礦資源開發基地的劃定需要識別那些鐵礦資源分布和開發活動集中的區域。聚類分析、回歸分析和判別分析是經典數理統計學的三大支柱，其中聚類分析在解決大規模復雜問題時更具優越性［7］，考慮到本研究中基礎數據量較大，采用聚類分析最為合適。本文將通過構建評價指標體系，以ArcGIS軟件為平臺，采用空間聚類分析中的核密度估計來識別我國鐵礦資源開發基地，并對基地相關指標進行分析評價，以期為我國鐵礦資源勘查開發基地劃定、提高鐵礦資源安全保障能力提供支撐。

1 數據與方法

1.1 數據

本研究采用的數據包括全國鐵礦礦區查明資源儲量、礦業權設計開采規模以及礦山規模結構（分為大型礦山、中型礦山、小型礦山和小礦四種類型）數據，來源于全國礦產資源儲量和開發利用數據庫，通過國土資源部信息中心獲得，均為2012年數據。數據處理方法為：根據各礦區、礦業權和礦山的坐標信息，將其轉換成ArcGIS軟件可識別的Shapfile格式，作為下一步空間分析的基礎。

1.2 方法

1.2.1 指標體系

影響鐵礦資源開發基地劃定的主要因素包括資源賦存條件、開發利用現狀以及生態環境條件等方面，以此三項要素為準則層，按照科學性、可比性、可操作性、目標導向性等原則，并考慮數據的可獲得性，本文最終選取查明資源儲量、設計開采規模、礦山規模結構以及生態功能重要性四個指標作為鐵礦資源開發基地劃定的指標體系，如表1所示。

需要說明的是，生態功能重要性為約束性指標，在目前我國生態文明建設背景下，對于生態環境非常重要的區域，應以保護生態環境為主，限制相應礦產資源開發。而另外三項指標為非約束性指標，因此，本文考慮在鐵礦資源開發基地劃定階段，僅以查明資源儲量、設計開采規模和礦山規模結構三項指標作為評價標準，不考慮生態功能重要性指標，而在統計各基地所包含的縣級行政區時，將考慮各縣級行政區生態功能重要性，將生態功能非常重要的地區剔除掉。

指標權重采用層次分析法確定，邀請了相關領域專家對各指標重要性進行比較和打分，采用SPSS軟件計算指標權重并進行一致性檢驗，對隨機一致性比率C.R.＜0.1的矩陣計算得到各指標權重。最后得到查明資源儲量、設計開采規模以及礦山規模結構三項指標的權重分別為0.5018、0.2895和0.2087。為消除量綱不同造成的影響，將各指標數值采用極差標準化方法進行標準化，其中礦山規模指標的量化過程為：將規模為大型和中型的礦山分別賦予3分和2分，將小型礦山和小礦均賦1分，再將分值進行標準化處理。將三項指標標準化后的數值分別乘以其權重，在ArcGIS軟件中合并為一個圖層，作為下一步核密度估計的基礎。

表1 鐵礦資源開發基地劃定指標體系

表2 評價指標T－C判斷矩陣和權重

1.2.2 核密度估計

核密度估計（Kernel density estimation）由Rosenblatt［8］和 Emanuel Parzen［9］提出，是在概率論中用來估計未知的密度函數，它基于已知數據，采用無參數估計法對未知概率密度函數進行估計，使得估計得到的概率密度函數與實際的概率密度間的均方積分誤差最小。核密度估計法的關鍵是核函數的選取以及窗口寬度，即帶寬的確定。

假設由上文得到的三項指標綜合值為變量X，它具有條數據（1），則X的概率密度函數表達式為式（1）。

式中，h為帶寬，K（x）為核函數。本文將基于ArcGIS平臺進行運算，其中默認核函數為Silverman于1986年提出的二次核函數（Epanechnikov）［10］，其公式為式（2）。默認帶寬的計算公式為式（3）。

式中，SD為標準距離；Dm為中值距離。

2 結果分析

2.1 鐵礦資源開發基地劃分結果

對指標綜合計算結果進行核密度分析并對分析結果進行分級，得到如圖1所示分級結果圖，共分為三級。可以看出，我國鐵礦資源稟賦及開發利用活動較集中的地區主要分布在以下區域：以鞍山－本溪為中心的遼東北至吉林通化、白山一帶；以唐山、承德和秦皇島等為中心的冀北至遼寧西南部一帶；山西北部至河北張家口一帶；以包頭為中心并覆蓋呼和浩特和鄂爾多斯部分區縣的內蒙古中部一帶；以邢臺、邯鄲為中心的河北南部至山西南部一帶；山東中部北至濰坊、淄博，南至棗莊和江蘇徐州北部的魯中一帶；河南西部三門峽、洛陽、平頂山一帶；安徽蕪湖、巢湖、馬鞍山以及湖北黃石、武漢等一帶；江西新余、吉安、宜春、萍鄉以及與湖南交界的株洲，福建泉州、龍巖、三明交界一帶；以攀枝花－玉溪為中心的四川、云南交界一帶。其中遼寧鞍山－本溪、河北承德－唐山－秦皇島、河北邯鄲－邢臺三處形成了一級核，是我國鐵礦礦區查明資源儲量、礦業權設計開采規模以及礦山規模高值區高度集聚的地區。

根據圖1分析結果，本文認為我國鐵礦資源分布地區可劃分為十大開發基地，分別為遼吉基地、冀北－遼東基地、呼包鄂基地、晉北－張家口基地、邢邯－晉南基地、豫西基地、魯中基地、鄂皖基地、湘贛閩基地以及攀滇基地，如圖2所示。基地范圍劃定的主要依據是鐵礦核密度分級結果中二級核的邊界，并經歸并、組合等過程得到。之所以將安徽蕪湖、巢湖、馬鞍山地區的二級核與湖北黃石、武漢地區的二級核合并為一個開發基地，是由于二者空間范圍較小且均位于長江經濟帶上，距離較近，空間聯系便利。此外，考慮到福建泉州、龍巖、三明交界處的二級核范圍較小，將其與江西、湖南交界處二級核合并為一個開發基地，命名為湘贛閩基地。

圖1 鐵礦資源核密度分析結果

圖2 鐵礦資源開發基地劃分結果

本文統計了各基地所包含的縣級行政區及其個數，統計規則為：縣域一半以上面積落入某基地范圍，則該縣級行政區隸屬于這一基地，縣級行政區底圖采用我國2006年分縣行政區劃地圖，對同一個市所下轄的區（與縣同級）進行歸并處理，命名為某市市轄區。由于基地所包含的縣級行政區較多，本文僅列舉了其個數，如表3所示。考慮生態功能重要性指標，參考《全國生態功能區劃》得到我國縣級生態功能重要性分級數據，共分為5級，1級最低，5級最高，將生態功能重要性為5級的縣級行政區視為生態限制區縣，經判斷，遼吉基地的白山市市轄區、撫松縣，攀滇基地的德昌縣、祿勸彝族苗族自治縣、普格縣、武定縣、西昌市、鹽源縣、元謀縣屬于生態限制區縣，剔除這類區縣后，遼吉基地共包含36個區縣，攀滇基地共包含25個區縣。

2.2 相關指標統計

各基地相關指標統計結果如表4所示，從總體來看，十大基地以占全國8.4%的面積涵蓋了全國70.8%的查明資源儲量，72.9%的設計開采規模以及68.9%的大中型礦山數量。從查明資源儲量指標來看，遼吉基地占全國比例最高，達到了25.9%，其次為攀滇基地和冀北－遼東基地，分別占全國的12.3%和12.2%；從設計開采規模來看，冀北－遼東基地占全國比例最高，達到了21.9%，其次為遼吉基地，占13.2%；此外，冀北－遼東基地大中型礦山數量占全國比例也最高，為16.0%，其次為遼吉基地和魯中基地，分別占全國的11.9%和10.4%。

表4 基地相關指標統計

從三項指標綜合來看，遼吉基地、冀北－遼東基地和攀滇基地是我國鐵礦資源賦存和開發利用活動最為集中分布的地區，三者合計占到了全國50.4%的查明資源儲量、42.0%的設計開采規模以及32.8%的大中型礦山數量，在保障全國鐵礦資源安全方面具有重要戰略地位。但由于攀滇基地部分區縣生態功能非常重要，在大力開采鐵礦資源的同時應注意保護生態環境，協調資源開發與環境保護的關系。

從指標間比較來看，設計開采規模占全國比例明顯大于查明資源儲量占全國比例的基地為冀北—遼東基地、邢邯—晉南基地和湘贛閩基地，說明這些地區鐵礦資源開發強度較大，應加強勘查，統籌安排好開發強度，避免礦山過早枯竭，為大型礦山企業轉型發展留足充分時間；而查明資源儲量占全國比例明顯大于設計開采規模占全國比例的基地為遼吉基地和攀滇基地，其中攀滇基地可能受交通基礎設施、水資源等開發條件的限制以及生態環境保護要求而限制了其對鐵礦資源的大規模開發利用，應努力改善相關外部條件，在保護生態環境的前提下加強鐵礦產資源開發利用，同時，遼吉基地也應加強大中型礦山建設，提高鐵礦資源開發的規模效應。

3 結論與討論

本文構建了以查明資源儲量、設計開采規模、礦山規模結構和生態功能重要性四個指標為基礎的評價指標體系，以ArcGIS軟件為平臺，采用空間聚類分析中的核密度估計方法對我國鐵礦資源開發基地進行了劃定，并對基地包含的縣級行政區以及相關指標進行了統計分析，得到如下結論。

1）我國鐵礦大致可劃分為遼吉基地、冀北－遼東基地、呼包鄂基地、晉北－張家口基地、邢邯－晉南基地、豫西基地、魯中基地、鄂皖基地、湘贛閩基地、攀滇基地共十個資源開發基地。基地包含的縣級行政區總個數為429個，剔除生態限制區縣后共包含420個。

2）十大基地以占全國8.4%的面積涵蓋了全國70.8%的查明資源儲量，72.9%的設計開采規模以及68.9%的大中型礦山數量。查明資源儲量占全國比重最高的基地是遼吉基地，設計開采規模和大中礦山數量占全國比重最高的均為冀北—遼東基。遼吉基地、冀北—遼東基地和攀滇基地是我國鐵礦資源賦存和開發利用活動最為集中分布的地區。

3）冀北－遼東基地、邢邯－晉南基地和湘贛閩基地較為重視鐵礦資源的開發利用，應加強勘查，統籌安排好開發強度，避免礦山過早枯竭；攀滇基地應努力改善交通基礎設施、水資源等相關外部條件，在保護生態環境的前提下加強鐵礦產資源開發利用，同時，遼吉基地也應加強大中型礦山建設，提高鐵礦資源開發的規模效應。

從各基地相關指標統計結果來看，本文基于核密度方法劃定的十大鐵礦資源開發基地涵蓋了我國大部分的鐵礦資源及其開發利用活動，具有一定科學性，這一方法同樣適用于其他固體礦產資源開發基地的劃定。然而，受數據等原因所限，本文僅主要針對開發基地展開研究，而未考慮資源潛力方面的因素對勘查基地進行研究，下一步將從勘查與開發綜合角度對鐵礦勘查開發基地進行劃定。

［1］肖克炎，婁德波，陰江寧，等.中國鐵礦資源潛力定量分析［J］.地質通報，2011，30（5）：650－660.

［2］谷樹忠，耿海青，姚矛龍.國家能源、礦產資源安全的功能區劃與西部地區定位［J］.地理科學進展，2002，21（5）：410－419.

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［8］Murray Rosenblatt.Remarks on Some Nonparametric Estimates of a Density Function［J］.The Annals of Mathematical Statistics，1956（3）：832－837.

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［10］B.W.Silverman.Density Estimation for Statistics and Data Analysis［R］.Chapman and Hall，1986.

Research on exploitation base of iron mine resources in China using nuclear density estimation

ZHANG Yu－han1，DONG Yan－tao1，MA Ji－yu2
（1.Chinese Academy of Land and Resource Economics，Beijing 101149，China；2.School of Humanities and Economic Management，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Exploration－exploitation base of iron mineral resources is one of the important approaches to achieve the reasonable distribution as well as optimized the exploitation of iron mineral resources，which has great significance for the national iron security.From the point of“exploitation”，based on three indicators which were the identify resource reserves，the design mining scale，and the scale structure of mines，This paper used the kernel density estimation that belongs to the spatial clustering method to delimit Chinese exploitation base of iron mineral resources，and made a statistics to the county administrative regions that contains to the exploitation base considering the importance of ecological function indicator as the restrictive index.The results showed that there can be roughly recognised ten exploitation base of mineral resources in the iron distribution areas，which contain a total of 420 county administrative regions.The statistical resultsof related indicatorsindicated that the exploitation base of iron mineral resourcehave covered most of the iron resources and their exploitation and utilization activities.In addition，this paper throw out suggestions for the exploitation and utilization of the related bases，in order to provide support for the relevant decision－making of exploitation base of iron mineral resources in China.

iron mine；base of mineral resources；nuclear density estimation

馬吉宇（1988－），男，漢族，黑龍江大慶人，碩士研究生，主要從事礦產資源經濟研究。E－mail：majiyu880803＠163.com。

F407.1

A

1004－4051（2015）11－0046－05

2015－03－02

國土資源部地質調查工作項目“重要礦產資源勘查開發布局和資源配置”資助（編號：12120113093000）

張玉韓（1990－），女，漢族，河南鶴壁人，研究實習員，碩士，主要從事礦產資源規劃研究。E－mail：1990zhangyuhan＠gmail.com。

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