基于遙感與核密度分析方法相結合的尾礦庫分布研究

李 慶

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454000）

0 引言

尾礦庫是指由筑壩攔截谷口或圍地圍成的，用以堆放金屬或非金屬礦山礦石選別后排出的尾礦、濕法冶煉產生的廢物或其他工業廢渣的場所［1］。我國是一個礦業生產大國，據不完全統計，現有各類金屬非金屬礦山11萬座，其中金屬礦山1.2萬座，非金屬礦山9.8萬座；與此同時我國也是尾礦庫大國，全國已建和在建的尾礦庫12 600多座，其中有4 910座危庫、險庫和病庫，占總尾礦庫個數的38.8%［2］。根據2015年中國國土資源經濟研究院發布《中國礦產資源節約與綜合利用報告（2015）》最新數據顯示，我國廢石及尾礦累積堆存量高達584億噸，其中尾礦堆存量為146億噸，尾礦堆存物中83%主要由于金礦、銅礦、鐵礦開采所形成，廢石堆存量為4 387億噸。目前，我國尾礦庫存在著較多的問題，比如：“三邊庫”“頭頂庫”問題嚴重，簡易的閉庫、尾礦庫建設不達標、尾礦庫安全管理一直不強等，從而導致尾礦庫安全基礎比較薄弱，安全隱患大，整治難度大［3］。

尾礦庫不僅分布范圍廣，數量巨大，而且尾礦庫的監測對時效性有很高的要求。遙感技術具有探測范圍廣、獲取資料數據快、受地面條件限制少、獲取數據量大等優點，可以很好地彌補地面人工監測方法的不足，是尾礦庫監測的有效技術手段［4］。許多科研工作者借助遙感圖像對尾礦庫進行了監測并對其環境影響進行分析。閻永忠等［5］采用了遙感和地理信息系統相結合的監測方法，建立尾礦庫位置、危險、有害因子的識別標識，對鳳縣地區的尾礦庫從3個不同類型進行了分類提取，得出該區尾礦庫的監測現狀。申彥科等［6］利用TM遙感影像數據，總結出尾礦庫擴容會對周圍的生態環境產生影響。張云英等［7］以高分一號的影像為數據源，得出了尾礦庫目視解譯最佳波段組合，為基于高分一號以及類似分辨率的遙感影像尾礦庫研究提供了依據。凌子燕［8］利用GF-1衛星數據對于尾礦庫監測，采用SVM方法建立的遙感反演模型簡單可行、分類精度高，證明可遙感監測尾礦庫的可行性。從上述研究可以看出，目前利用遙感技術對尾礦庫監測取得了較好的成果。本文在結合上述研究方法的基礎上針對承德市尾礦庫進行研究，并對其風險性評價，為尾礦庫的監測和管理提供科學依據。

1 研究區和數據

1.1 研究區概況

承德市是河北省轄地級市，位于河北省東北部，介于北緯40°12′～42°37′，東經115°54′～119°15′之間，省內與唐山市、張家口市、秦皇島市，省外與北京市、天津市，內蒙古自治區赤峰市、內蒙古自治區錫林郭勒盟毗鄰，屬溫帶季風氣候。全市總面積3.95萬km2，轄8縣3區、1個高新技術產業開發區，2018年末戶籍人口達到381.6萬人。

1.2 數據源與圖像預處理

本研究選用2017年處理的高分一號衛星影像使用像素工廠軟件對高分一號衛星圖像進行拉升、空三優化、正射校正等預處理，保證圖像清晰、定位精度高，同時將高分一號衛星的多光譜圖像與其空間分辨率為2 m的全色圖像融合，生成空間分辨率為2 m的RGB遙感圖像，利用該圖像進行尾礦庫解譯的相關工作；使用2018年獲得的承德市居民點數據作為不同類型尾礦庫風險評價的數據。

2 研究方法

第一步，借助高分一號遙感圖像分析尾礦庫在遙感圖像中的特征建立相應的解譯標志，并對承德市內的尾礦庫進行遙感解譯，獲得尾礦庫分布。第二步，將解譯得到的尾礦庫按照不同類型進行分類，得到各類型尾礦庫的分布。第三步，在ARCGIS10.2中計算尾礦庫的核密度與承德市居民點核密度，并將居民點核密度與尾礦庫核密度相乘，獲得最終的核密度圖，從而分析各地區尾礦庫風險性。

2.1 尾礦庫解譯標志

尾礦庫按照其在遙感圖像上的特征大致可以分為以下3種類型。

（1）山谷型尾礦庫是指在山谷谷口處筑壩而形成的尾礦庫［3］，如圖1（a）所示。該類尾礦庫初期壩體相對較短而庫區縱深較寬，一般由壩體、尾砂、廢水3部分組成，壩體位于山谷口一側，另外幾面都與山谷相接。尾砂在水中密度隨著遠離壩體而逐漸變得稀釋，呈放射狀，越接近廢水區域尾砂越稀少，在遙感圖像上接近正常水體的色調。山谷型尾礦庫是最標準、最易辨識的一種類型，也是我國尾礦庫中分布最多、最廣泛的一類。

（2）平地型尾礦庫是指在平原地區四周筑壩而形成的尾礦庫［3］，如圖1（b）所示。該類尾礦庫初期壩體和后期壩體維護所需工程量大、尾礦庫壩體高度較山谷型尾礦庫壩體低，我國平坦地帶的尾礦庫多采用平地型。從圖1（b）中可以看出平地型尾礦庫由壩體和尾砂組成，一般為干法堆存。由于平地型尾礦庫處于平原或沙漠這類平整的區域，壩體需要多個面將將庫區包圍在其中，尾砂色調較為一致。

（3）傍山型尾礦庫是指在山腳下依靠著山體，在其三面或多面修筑壩體包裹而成尾礦庫，如圖1（c）所示。該類尾礦庫初期壩體相對較長且庫區縱深較窄，我國山地丘陵地區的小型尾礦庫多為傍山型尾礦庫。傍山型尾礦庫和山谷型尾礦庫結構很相似，也是由壩體、尾砂、廢水3部分組成，但是壩體通常是三面包圍狀態，從遙感圖像上可以很清楚地看到由三面壩體包圍而成。尾砂及廢水的分布與山谷型尾礦庫基本一致。

2.2 核密度分析法

核密度分析法是通過對空間點數據的分布進行連續化模擬，以空間格網中的核密度值來反映空間中點的分布［9］。在指定的搜索半徑內利用距離衰減形成連續的空間密度曲面，將不同密度曲面進行空間疊加得到核密度值，從而得到該要素在整體空間上的分布密度。距離要素中心越近權重越大，距離越遠權重越小。其計算公式如式1所示：

式中，f(x)為空間中任意一點x的核密度值；r為搜索半徑；X-Xi為點Xi與中心點X之間距離；n為距離空間中任意一點X（距離≤r）的要求點數；K為空間權重函數。

3 實驗結果與分析

3.1 尾礦庫解譯與分類結果

按照上述的尾礦庫解譯標志，借助高分一號遙感圖像共解譯出尾礦庫834座，承德市各區、縣尾礦庫數量及不同類型尾礦庫數量如表1所示。從表1中可以看出承德市尾礦庫主要分布在承德縣、寬城滿族自治縣平泉縣、豐寧滿族自治縣灤平縣境內，這些地區尾礦庫數量均超過100座。以寬城滿族自治縣與灤平縣數量最多為160座，雙橋區尾礦庫數量最少。從不同類型的尾礦庫數量可以看出，承德市尾礦庫主要以山谷型尾礦庫為主，平地型尾礦庫次之，傍山型尾礦庫數量最少。其中：灤平縣與寬城滿族自治縣的山谷型尾礦庫最多分別為141座和130座；承德縣和豐寧滿族自治縣山谷型尾礦庫次之分別為92座和89座；興隆縣平地型尾礦庫最多為54座；寬城滿族自治縣傍山型尾礦庫最多為9座。最終隨機選取100座解譯結果，與已有的真實尾礦庫點位進行比對，發現解譯結果均正確，保證了解譯結果的準確性。

3.2 核密度分析結果

圖1 3種尾礦庫解譯標志

表1 各區、縣尾礦庫數量及不同類型尾礦庫數量統計 （單位：座）

從上述結果可以發現承德市境內尾礦庫主要以山谷型尾礦庫為主，平地型尾礦庫和傍山型尾礦庫數量較少，同時考慮到山谷型尾礦庫面積大、勢能高，相較于其他兩種類型的尾礦庫危害性大，一旦發生潰壩將造成不可想象的后果，而平地型尾礦庫和傍山型尾礦庫主要建在地勢較為平坦的地區潰壩風險相對較小。因此，本次實驗主要是計算了山谷型尾礦庫核密度值，并將計算的結果與承德市居民點核密度值相乘，得到最終的核密度分布圖，如圖2所示。

圖2中圖斑的顏色代表所在地區的風險程度，顏色越深代表該區域的風險越大。從圖2中可以看出，豐寧滿族自治縣東南部、灤平縣東北部、隆化縣南部、承德縣西北部、雙灤區、平泉縣中部及寬城滿族自治縣中南部等地區風險等級較高，這些區域山谷型尾礦庫數量與居民點數量眾多，最終導致了風險相對于其他地區較高，可以加強對這些地區尾礦庫的監測與管理。

4 結語

本文利用高分一號遙感圖像對承德市區域內的尾礦庫進行遙感解譯，最終解譯出尾礦庫834座，并將解譯結果按照不同類型的尾礦庫進行分類，得到了承德市內各區、縣尾礦庫的數量與分布，結果真實可靠；然后根據分類的結果和居民點數據利用核密度分析方法對各區、縣的風險性進行了簡單的評估，為有關部門加強高風險區域的尾礦庫監測和管理提供了科學依據。在今后的研究中，將進一步研究尾礦庫監測自動化，以滿足大范圍尾礦庫的快速、高頻次監測，同時在尾礦庫風險評價方面，考慮更多其他因素的影響。

圖2 最終核密度分布