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第11卷 第6期 2009年12月 地 球 信 息 科 学 学 报 JOURNAL OF GEO2I NATI ON SCIENCE Vol111, No16 Dec1, 2009 收稿日期 2008 - 08 - 12;修回日期 2009 - 09 - 01. 基金项目国家“973” 计划项目“ 近代和现代环境过程与环境替代性指标的量化研究 ”2004CB720207。 作者简介刘雪萍1961 - ,女,汉族,浙江杭州人,硕士,副教授,主要从事遥感与地理信息系统应用研究。 E2mail puk_ lxpyahoo1com1cn 矿山环境侵蚀与堆积变化的3D2GIS分析 以大连市周边矿区为例 刘雪萍 1 ,王玲玲 2 ,华秀菁 2 ,陈宇 1 ,方晨 3 1. 北京大学城市与环境学院 地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871; 2.大连环境信息中心,大连 116001; 3.北京大学遥感研究所,北京 100871 摘要本文利用3D2GIS的方法,结合遥感卫星数据,建立矿区时间序列的DEM模型,通过可视化技术,地形模 型构建、矿山地貌特征分析、剖面分析、量化计算、侵蚀类型分析,研究了矿山环境的特点和主要问题。并以大 连市区及周边区域作为研究区域,对1970年到2005年的侵蚀与堆积进行了计算,以及侵蚀的分类。结果表明, 不同的侵蚀类型对矿山环境带来不同影响,因此,对矿山的整治应采取针对性的措施,才能达到防治保护的效 果。试验认为,利用3D2GIS的可视化分析是进行矿山环境调查,制定矿山环境恢复治理措施的有效方法。 关键词矿山环境; 3D GIS;侵蚀与堆积;可视化分析;大连 1 引言 地表在大自然作用力下产生侵蚀或堆积的变 化。在矿山资源开采中,由于露天或地下的挖掘, 地表出现深坑或塌陷,形成侵蚀地貌;在选矿和 萃取的生产中,产生了大量的废弃矿渣、尾矿, 又形成了新的堆积地貌;这是人类直接对地表作 用力的结果。这种作用力是快速和强烈的,加速 了自然作用力对环境的破坏强度,所带来的危害 经常是意想不到的灾难 [1 ] ;因此,采矿产业在给 人类带来能源的同时,也带来了严重的矿山环境 地质问题。主要矿山环境问题包括矿区采空塌 沉陷、岩溶塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、海水 入侵等地质灾害和矿区地貌景观破坏、水土流失、 土地沙化和地下水均衡破坏问题 [2]。 矿山环境评价指标体系包括环境破坏、环境 污染和生态破坏等要素 [3 - 4 ] ,其中,环境破坏主 要有直接破坏植被和耕地、改变原有地形地貌和 地质景观,造成山体裸露、崩塌开裂、水土流失, 废矸石场、尾砂库、冶炼渣堆放侵占大量土地, 露天矿坑、排土场边坡产生滑坡和泥石流,地表 水疏干、地下水位下降,地面沉降、地表耕地沼 泽化,地面塌陷、江河断流等因子。对地表的破 坏范围一般以矿区占地面积表示 [5] ,植被的破坏 面积、生物多样性矿山环境的生态状况,它们可 通过遥感实地调查得到。John C. Mars etc [6 ]认为 矿渣堆放的形态对环境影响效果有很大差别,在 沟谷和坡地对水的污染程度的影响也不同,因而 将废渣分形类型作为评价矿山环境的要素。 矿山岩土侵蚀与堆积的类型与数量是表征环 境状况的要素,可以利用3D2GIS进行计算与分 析 [7 ]。其与 2D2GIS相比, 3D2GIS拓展了传统GIS 基于X, Y平面的空间,增加了高程Z空间,更适 合地貌特征的表现 [8 - 11 ]。 本文以大连市域周边的矿区为研究区,利用 卫星遥感数据和DEM,建立1970年至2005年的 三维矿山地貌模型,用3D GIS的方法计算侵蚀量 和堆积量,分析侵蚀与堆积变化产生的环境效应。 2 矿区地质背景与数据采集 研究区位于大连市,包括大连市区、旅顺区 等见图 1 。地理坐标为东经12058′20″ ～12031′ 00″,北纬3843′34″ ～4012′30″ 。研究区地质上处 于中朝准地台的东北部,位于复州-大连凹陷, 属晚远古凹陷区,发育有青白口系和震旦系以及 古生界。主要岩性以石英岩、石灰岩、白云岩、 板岩,少量砂岩和页岩为主。 图1 研究区位置图 Fig11 Map of the study area 大连市矿产资源丰富,已发现矿种近30余 图2 2005年大连DEM全区彩色图和1970年、2005年局部的DE M Fig12 DaLian 2005 yearDEM colormap and port of the DEM in 1970 and 2005 种,其中,以露天开采的石灰石矿是主要矿种之 一。经过近百年挖掘,原有的自然地貌发生变化 有些山坡被切削,山体被夷平,有些地表变成深 坑嶙峋,在矿石加工过程中产生的废弃矿石和矿 渣又形成了新的堆积区。因此矿山开采形成了人 工矿区地貌。随着产业布局的调整和城市总体发 展目标的变化,一些低效率、高消耗的传统产业 将退出大连市的经济领域 [12] ,对环境产生破坏的 大部分矿山开采将逐步停产,矿场的环境恢复和 废弃矿区的再利用是城市环境发展急需解决的问 题,因此,对矿山环境调查是土地整治的基础工 作。 数据获取是建立3D2GIS的首要工作 [5 ] ,其包 括数据投影坐标的建立、扫描矢量化和卫星遥感 数据DEM的提取 1 1970年的DEM建立将1970年的地形 图的等高线进行数字化,建立TI N模型后进行插 值建立面文件,形成1970年的栅格DEM1970。 2 2005年的DEM建立用ASTER [13 ]卫星 数据生成2005年的DEM。ASTER数据是2000年 发射的地球资源卫星,有16个波段,可见光和近 红外波段的地面分辨率为15m。ASTER在B3波段 有两个对地扫描方向,一个是天顶辐射,一个是 后视方向,这一对具有双向反射特征的数据可以 提取地面高度。对照GPS实地测量的高程值对 ASTER生成的DEM的进行调整,得到了2005年 的栅格DEM2005。 3 矿区地表侵蚀与堆积的3D2GIS分析 311 1970年与2005年的DEM的生成 3D2GIS可视化技术将DEM映射成易于理解的 表示形式,并交互地选择从全局到局部,从视角 的移动到区域的移动,通过灵活高效的界面观察 不同时期的矿山地貌状况,从中可以直观地看出 地表高度的变化和岩土侵蚀或堆积的部分。图2 为大连2005年的彩色DEM,通过渲染地形的阴 影,使矿区的地貌环境凸显出来,图3为一个矿 点D的一个剖面,从图中可以看到矿点D区域 5586期刘雪萍等矿山环境侵蚀与堆积变化的3D2GIS分析 以大连市周边矿区为例 1970年与2005年DEM看出对比,从中可知地表 严重剥蚀,山丘被夷为平地。 图3 1970年和2005年矿点D的地表变化对比剖面图 Fig13 Erosion and accumulation sketch map 312 3D2GIS的侵蚀与堆积量计算 矿区侵蚀与堆积的变化量,可以通过3D2GIS 计算得之首先,计算出一个高程变化图,然后, 按照公式2计算矿区面积,最后,计算侵蚀与堆 积量的大小。地形高程模型用栅格结构组成,高 程是像元点在空间各点的值Z。地表高程的变化 ΔZ用下式表示 ΔZ DEM1970- DEM20051 DEM1970, DEM2005分别为1970年和2005年的数字 高程模型。 矿区面积计算 A ∑ n i 1 P i 2 2 岩体发生变化的体积计算 V A∑ m j1ΔZ j 3 在1、2、3式中,A为矿区面积,V为 矿区发生侵蚀或堆积变化岩土的体积,n为同一区 域内的像元个数,Pi为像元边长,ΔZj为第j个像 元的高程变化值。 对于V值,其结果有三种可能,即大于0、小 于0和等于0。V的取值主要取决于 ΔZ的变化, 从公式中可以看出,大于0表示为侵蚀;小于0 表示堆积;等于0表示没有变化。 矿区的分布系利用SPOT卫星遥感数据,将 DEM叠加SPOT数据分析,生成三维矿区景观 见图 4 。 图4 矿点的3D可视化显示和矿点照片 Fig14 a mine siteπs 3D visualization and the photo for the mine 经过解译,获取了研究区内的矿点位置和范 围,建立矿区遥感分布图图5所示。 图5 研究区SPOT矿区遥感解译图 Fig15 SPOT remote sensing i mage for the mine spot 利用公式 2 , 先计算矿区面积,然后,栅格 转矢量,以矿点为单位,将矿区面积和矿区地点 信息与之关联,建立矿点属性信息库。 利用空间分析的叠加运算,将矿区1970年和 2005年的整个DEM图像中分离出来,形成矿区的 DEM’ 1970和DEM’2005。计算1970年和2005年的高 程差,利用公式3计算侵蚀或堆积的体积。 313 基于3D2GIS的侵蚀类型可视化分析 矿山开采产生了多种侵蚀的形式,所形成的地貌 对环境的影响效应不同,所以,需要划分侵蚀类型。 复杂的地貌可简单划分成平地、坡地和洼地 三种类型 [14 ] ,参照这个分类体系结合矿区的特点, 将地表侵蚀分为如下类型,如表1。 658地 球 信 息 科 学 学 报 2009年 表1 矿区侵蚀堆积的类型 Tab11 M ine erosion type of the study area 类型描述判断原则 夷平型山地被挖掘变为 平地 高程值差小于2m 深坑型向地下挖掘成深 坑 侵蚀区内所有高程值小于侵蚀缓 冲区外的值 边坡型在坡角挖掘侵蚀区部分边缘的高程值与缓冲 区的高程值存在大于50m的突变 边坡深坑 复合型 在山脚和地下挖 掘 侵蚀区部分边缘的高程值与缓冲 区的高程值存在大于50m的突变, 部分边缘区域小于缓冲区外的值 堆积型废弃矿石和尚未 处理的矿石 与1970年的DEM对比直接得到 对侵蚀类型的判断设侵蚀区为E,将侵蚀区 进行缓冲区运算,向外扩展50m,用于侵蚀区类 型比较之用。用可视化查询的方法对矿点逐一判 断。 在高程差异判断中,留出一定阈值,忽略地表 高度微小变化,使矿区的侵蚀类型的判断更加有 效。经过本文实验,阈值取210m对侵蚀类型的轮 廓判断合适。对于夷平型的侵蚀区域还需要与 DEM1970数据进行比较,确认夷平面的形成前的地 貌形态。图6为用DEM彩色模型一个矿点,可视 图6 矿点3D模型 a 1970年矿点模型b 2005矿点模型 Fig16 Comparison of 3D terrain surface from 1970 to 2005 for the mine site. a 1970 3D terrain surface;b 2005 3D terrain 化显示1970年的和2005年的地形,从中直观地看 出侵蚀的形态。 4 结果分析 1矿区变化分析 在研究区内查出矿点169个,矿区的面积与侵 蚀堆积的体积计算结果如图7所示。 图7 1970年至2005年矿区岩土体积与面积变化量 Fig17 Volume and area change quantity ofmine site between 1970 to 2005 从计算统计的结果可以看出,自1970 - 2005 年的35年间,研究区内的矿山开发占用土地 1711955km 2 ,其中,有挖掘侵蚀占用土地1310062km 2 , 尾矿、废石堆积占用土地411892km 2。矿山开采以 直接利用采掘矿石为主,挖掘的矿土侵蚀量是堆 积量的10倍多,可见大约90的矿石被直接 使用,10重 新 堆 积。按 照 石 灰 石 平 均 比 重 216g/cm 3计算 ,从1970 - 2005年约开挖了820百 万t矿石和盖层。平均侵蚀速率为019百万m 3 /a, 矿区的岩土受到严重的侵蚀。 未变化区域表示在1970 - 2005年未发生侵 蚀、搬运和堆积的区域,这些地区可以认为是 1970年以前的老矿区或废矿区。 2不同侵蚀类型矿山对环境的影响分析 从矿山开采造成地貌的侵蚀的角度分析,可 以细化矿山环境问题的类型和分析原因。在研究 区内侵蚀的矿山中边坡挖掘型占36 ,夷平型占 30 ,复合型29 ,深坑型占5。 边坡挖掘,在研究区内比较普遍的开采形式, 占矿点总数的36 ,包括了许多小企业的采石场。 如果开采边坡的坡度过大,加之矿山的地质条件 7586期刘雪萍等矿山环境侵蚀与堆积变化的3D2GIS分析 以大连市周边矿区为例 不清楚,必然使自然形成的斜坡稳定型受到破坏, 从而引发边坡失稳,发生滑坡或崩塌造成地质灾 害。所以,边坡开挖型的主要问题是地貌的稳定 性问题。 山地夷平从1970年到2005年,多个小山丘 直接夷平,也是较普遍的现象。山丘夷平除对景 观产生重大破坏外,地貌的急剧变化对气候也将 产生明显的影响,原有山丘高程减低,最多的山 头削平高度下降达50m以上,必然引起风场改变, 导致局地气候,如气温、降水等发生变化,从而 使环境发生变化。这种非自然力作用下的地貌改 变将对长期形成的气候产生一定影响,影响的程 度还有待于进一步研究。 地表深坑,占总矿点数的5 ,最大的深坑位 于甘井子区,深达海平面以下70m,存在海水入 侵的严重危险。海水入侵直接混入含水层,使地 下淡水资源遭到破坏,直接影响了人们饮用水, 同时还会使土壤盐渍化,土地资源退化。所以, 地表深坑的主要问题是边缘塌陷和海水入侵问题。 3对矿山环境恢复采取的措施 矿山环境的恢复应采取不同的措施,并按照 矿山破坏类型的划分采用不同的恢复环境措施。 ①消除地质灾害 矿山的地质灾害不仅引发矿山的危害,而且 对矿山周边的城市也带来安全隐患。对引发地质 灾害的危险矿山应该排除风险源,按照对矿山侵 蚀类型的分类,对存在矿山边坡失稳、海水入 侵等易引发地质灾害的矿点逐一排查,采取加固, 限制开采等措施,保障矿山及周边城市的安全。 ②污染清理清除选矿过程中地表的污染物 是矿区环境恢复的首要工作,根据污染程度和污 染范围进行污染清理。采用化学和生物处理的方 法,并及时监控治理效果,循序渐进的修复矿区 的污染。 ③生态恢复与植被重建 矿区开采对原生植被群落造成毁灭型的破坏, 需要调查矿区周边植被类型,结合污染治理的需 要,充分利用特定植被生长过程对土壤的净化能 力,制定植被重建方案。 ④矿区废弃地的遗产保护 随着城市环境保护的城市发展转型的变化, 更多的矿区面临停产的可能,大型的矿区开采有 百年的历史,具有一定工业遗产保护的价值。建 立矿区的工业档案,对矿区的历史价值、艺术价 值和再利用潜质进行评估,平衡保护与土地开发 利用的矛盾。对不同的矿区遗产区,制定保护、 更新改造的方案。 5 结语 基于DEM的矿山地貌侵蚀与堆积变化3D2GIS 分析,是矿山环境调查与监测的有效方法。 矿山开采导致的地貌变化可分为边坡挖掘型、 夷平型、深坑型和复合型等类型,对环境产生不 同形式和不同程度的影响,需引起足够重视,加 强矿山环境治理。 本文利用3D2GIS和遥感技术叠加自然与人文 因素进行综合分析,对矿山环境与城市生态环境 的相互作用与影响的模拟分析,将能更好地为矿 山环境整治和保护提供科学依据。 致谢本文图4的矿区照片由张家富提供,孙蕴参加了部 分统计工作,特此感谢。 参考文献 [1 ]杨景春,李有利.地貌学原理.北京北京大学出版社, 2006. 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Study of 3D2GIS Visual Analysis ine Environment Based on Erosion and Accumulation by GIS A Case in Urban Area of Dalian L I U Xueping 1 , WANGLingLing 2 , HUA Xiujing 2 , CHEN Yu 1 , FANG Chen 3 1.Laboratory for Earth Surface Processes; College of U rban and Environm ental Sciences; Peking University; Beijing 100871, China;2. Dalian Environmental Infor mation Center, Dalian 116001, Liaoning Province, China; 3.Institute of Rem ote Sensing, Peking University, Beijing 100871, China Abstract Using 3D2GIS and RS data, we created a time seriesDEM.Through 3D2GISVisualAnalysis, with ef2 forts on landfor m character of mine sites, profile analysis, quantum calculation, classification for erosion types, characters ofmine environment and problemswere analyzed.Taking 1970 and 2005 DEM in Dalian as examples, we calculated erosion amounts and classified erosion types in themine site. The result showed that different erosion types rt different effects . At the end of the paper, some measures forDalian mine environment is put forward. Therefore, 3D2GIS is an effective ine environmental investigation. Abstract mine environment; 3D2GIS; erosion and deposition; visual analysis; Dalian 9586期刘雪萍等矿山环境侵蚀与堆积变化的3D2GIS分析 以大连市周边矿区为例