基于RS和GIS技術的西藏多龍礦集區礦山選址研究

趙龍賢，代晶晶，趙元藝，姜琪，劉婷玥，傅明海

(1.中國地質大學(北京)中國地質科學院,北京 100083;2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

近年來國家對銅金等金屬需求日益增長，銅金資源儲備和綜合利用對提高資源保障能力、優化資源結構具有重要意義。世界銅資源分布不均，西藏地區銅資源儲備豐富，礦產資源是西藏優勢資源，促進礦產資源基地的綠色可持續發展十分必要。綠色礦山是指“在礦產資源開發全過程中，對礦山礦區及周邊環境的干擾影響控制在環境允許的范圍內，礦山開發方案科學、方式合理，資源利用效率高，生產工藝環保，礦山環境優美，企業社區和諧，實現人與自然和諧共生”的礦山[1]。西藏多龍銅多金屬礦集區是我國銅儲量最大的礦集區，多龍礦集區的綠色開采是今后礦山開發的重中之重，其中礦山選址更是綠色開發的前提。近年來，國內外利用遙感(remote sensing,RS)和地理信息系統(geographic information system,GIS)技術進行選址的研究發展迅速，Wagner[2]首次將雷達遙感數據用于隧道地址的選址，但該研究只運用了遙感數據，并未考慮構造、水系等地質因素;Kundu[3]等為解決快速城市化產生的問題，運用遙感數據的目視解譯技術獲取地表地形地貌、坡度、河流水系及飲用水等信息，為城市建設提供依據，但其選址模型具有一定的隨機性;20世紀80年代，陳昌禮[4]利用遙感和物探技術對核電站選址進行了初步研究，但僅考慮了各個因子的影響，卻沒有進行各因子相對重要性的研究；1997年，Jagadeesha等[5]將RS與GIS結合對小型水利工程潛在大壩的選址進行研究，充分考慮了各項因素，但其各因素量化存在人為因素的缺陷。前人利用RS與GIS技術對地理信息進行可視化表達及空間分析，對垃圾處理場候選場址進行評估，充分評價了各項因素[6-9]。學者們還將RS與GIS技術用于機場選址工程項目的研究，極大節省了人力資源和經濟支出，優化了選址中因素間的制約關系[10-16]。本文基于RS與GIS技術，以西藏多龍礦集區為研究區，解譯出植被覆蓋、河流湖泊、構造條件等環境因子信息，并運用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)進行計算，構建出研究區礦山選址模型，為礦山開發提供選址依據與技術支撐。

1 研究區地質背景

西藏多龍礦集區位于西藏自治區拉薩市西北方向1 200 km的改則縣物瑪鄉，屬于羌塘自然保護區一部分，平均海拔達4 800 m以上，具有高海拔、嚴寒及干旱的特點[17]。多龍礦集區屬于班公湖-怒江成礦帶一部分，褶皺和斷裂構造比較發育，為礦床形成提供了良好的地質條件[18]?，F已探明礦集區包括波龍、多不雜、尕爾勤、鐵格隆等礦床，主要礦床類型為斑巖-淺成低溫熱液銅(金銀)礦床[19-21]。地層分區屬于羌南-保山地層區羌南地層分區，主要出露地層有下二疊統曲地組、上三疊統日干配錯群、下侏羅統曲色組、中侏羅統色哇組、下白堊統美日切組、新近系康托組及第四系。多龍礦集區出露地層巖性主要有晚三疊世變質橄欖巖、中侏羅世輝長巖，早白堊世花崗閃長斑巖、花崗斑巖、石英斑巖、閃長巖、閃長玢巖及第四系沖洪積物及殘坡積物[21-23]。按照與斑巖銅礦的先后關系，可分為成礦期的控巖、控礦斷裂構造和成礦后的破礦斷裂構造，北東向和北西向斷裂構造為成礦期的控巖、控礦斷裂。近東西向斷裂形成時間較晚，為成礦后斷裂(圖1)[24]。

1.第四系沉積物；2.中新統康托組；3.下白堊統美日切組；4.中侏羅統色哇組；5.下侏羅統曲色組；6.上三疊統日干配錯組；7.花崗巖長斑巖；8.花崗斑巖；9.逆斷層；10.地質界線；11.不整合界線；12.成礦帶

2 礦山選址的思路方法

為建立西藏多龍礦集區礦山選址模型及礦山選址布局規劃，首先完成研究區礦山開采前1∶5萬遙感地質環境調查，收集研究區人文地理、地質、氣象、數字高程模型、高分二號(GF-2)影像、Landsat8影像等基礎數據資料，根據研究區的特點選取斷裂﹑植被覆蓋﹑河道﹑道路﹑礦區位置﹑鉆孔探槽﹑村莊﹑地形地貌等遙感解譯因子。其次對獲取的遙感影像數據進行輻射定標、大氣校正、影像融合、影像鑲嵌、影像裁剪、影像增強等預處理工作，再對影像中的人類活動(交通道路、村莊、人工建筑)、人類工程活動(探槽、鉆孔)、植被、水體、地形地貌及地質環境等信息進行解譯，定量化選取的遙感解譯因子，然后結合基礎人文地理資料利用層次分析法建立多龍礦集區綠色礦山選址模型。最后基于遙感可視化技術和礦山選址模型建立研究區礦山場地選址布局規劃。具體技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technical flow chart

2.1 因子選擇

礦山選址規劃需充分考慮到選址場地與周邊自然、人文及經濟地理等要素的關系，首先要滿足實際需求及當地政府政策要求，其次要綜合考慮場地對周邊環境及居民的影響，最后是場地選址的安全性、穩定性及效益最大化。綜合以上考慮，選擇了斷裂因子、礦區位置因子、植被覆蓋度因子、鉆孔探槽因子、村莊因子、河道因子、道路因子、坡度因子、高差因子等九個因子作為礦山選址模型的影響因素。

1)在實際選址時，首要的依據和條件為鉆孔勘探情況。如果經過了全面的鉆孔勘探，且勘探結果達到了礦山資源開采的條件，目標研究區才能進行礦山生產建設。故首先選擇鉆孔探槽分布為第一個因子。

2)為實現綠色礦山選址，需考慮礦山開采和環境的相關性，如植被覆蓋度和河流湖泊分布等，這些環境因素將會在礦山建設中決定工程對該區域環境的影響程度，如果礦山距離河流湖泊較近，礦山的開采可能會污染水源或地下水水質，若礦山位于植被覆蓋較密集區域，礦山建設可能會直接破壞植被覆蓋，直接影響研究區環境，故選擇植被覆蓋度和河流湖泊分布為環境因子。

3)考慮礦山開發的安全性和效益性，選址位置與道路的距離直接影響礦山運輸成本，成本過高可能導致礦山不能達到商業開采的標準和需求，直接影響礦山建設的效益性，而效益也是在綠色開采條件之下首要考慮的因素。

4)選址位置和構造的距離，將影響到礦山開發的安全性，距離構造過近，可能會發生礦洞坍塌等，如果研究區的礦山建設涉及危險性較高的區域，在建設中需要進行危險防護建設或者直接放棄礦山建設，故危險性和效益性為礦山建設中需要考慮的同等重要因子。

5)山體的坡度和高差，將影響到礦山開發的成本和安全，如果坡度和高差較大，礦山工程的建設難度增加，成本增加，同時危險系數增大，安全性也會減低，故選擇山體的坡度和高差為選址因子。

6)礦山的開發將會影響到附近居民的安全及生活作息等，故需選擇居民點位置為選址因子之一。

在具體厘定因子重要性時，根據研究區具體的情況進行研究調查，發現西藏多龍礦區與甲瑪礦區相似，通過對甲瑪礦區進行調研，礦區露天采場、廢石場和行政生活區等場地均在礦床點位上覆層及臨近區域，因此，礦區位置及鉆孔探槽密度在綠色礦山選址中重要性最高；其次因為是綠色礦山建設，選址規劃要重點考慮對環境的影響，主要影響因子有植被覆蓋度及河流湖泊，重要性次高；接著考慮安全性及效益最大化，主要因子包括據道路距離、與斷裂距離、坡度及高差等，重要性中等；最后，通過對甲瑪調研結果知礦山周邊居民均采用集中遷移方式，因此現有居民區對礦山選址規劃影響最小。

2.2 建模信息因子解譯

通過對遙感衛星影像進行預處理后，對研究區斷裂構造、礦區位置、植被覆蓋度、鉆孔、探槽、村莊、河道、道路、坡度及高差等信息進行提取，獲取用于建立綠色礦山選址模型的因子信息數據。

研究區道路﹑村莊﹑人工建筑﹑探槽、鉆孔﹑水系﹑斷裂等信息通過GF-2遙感影像利用解譯標志解譯，由解譯結果(圖3)可知，研究區內主要交通路線72條，總長約564.31 km，主要呈南北向延伸；區內共存在3個自然村，分別為本送村、薩瑪隆村和扎多那日村；區內居民住房及牛羊圈等人工建筑共468處，總面積約51.85萬。

(a)道路因子解譯圖 (b)村莊及人工建筑解譯圖

研究區內鉆孔為64孔，探槽數178條，鉆孔和探槽分布密集且多呈平行并排布置，主要分布在研究區中部及西南部，探槽總面積占研究區總面積0.008%。將探槽、鉆孔解譯圖與西藏多龍礦集區地質圖進行對比分析，發現鉆孔、探槽密集分布區與礦床位置基本吻合，即通過探槽、鉆孔信息的提取解譯可以大致確定礦床的位置分布情況。根據礦產勘查理論，該地區包含礦產資源勘查過程中的多種類型的鉆孔探槽，如勘探鉆、生產鉆等，為方便統一賦值研究，此處僅考慮鉆孔探槽與礦山選址的統計學意義和特征。

研究區內河流分布范圍廣、延伸遠，主流及支流總數共為174條，主要河道總長為703.02 km；研究區內主要湖泊為拉布錯，位于工作區東北部，湖泊面積約為15.24 km2；研究區內斷裂構造發育，總體有3組，主要呈E-W,NE-SW和NW-SE向展布，且密集分布在礦區周邊，說明研究區斷裂構造信息與礦床的形成關系密切。

草地植被是研究區藏北地區生態環境的重要組成部分。為建立綠色礦山場地選址模型，需要選擇植被覆蓋度作為選址建模因子。對預處理后的Landsat8影像進一步提取歸一化植被指數并求取研究區植被覆蓋度信息[22]。根據提取結果(圖3(f))，結合實地隨機取點調研的植被覆蓋情況，將草地植被覆蓋度分為4級：其中無植被區域對應遙感圖像分類中褐色區域，為非草地覆蓋區(23%);少量植被覆蓋區域對應遙感圖像淺綠色區域，為低草地覆蓋區(35%)；大部分植被覆蓋區域對應遙感圖像分類中鮮綠色區域，為中草地覆蓋區(34%);植被完全覆蓋區域對應遙感圖像分類中深綠色區域，為高草地覆蓋區(8%)，得到研究區植被覆蓋度空間格局圖。

研究區地形地貌信息主要為利用30 m精度的數字高程模型數據進行提取的地形坡度和高差信息。由圖3(g)可知，研究區大部分地區坡度較低，大部分地區坡度低于15°，而坡度大于30°的區域主要分布于研究區中部，即礦床分布密集區。由于研究區內海拔高，地形起伏相對較大，高差超過20 m的區域較大，主要分布于研究區中部、東部及西南部，如圖3(h)所示。

2.3 解譯信息因子量化處理

結合多龍礦集區的實際情況及遙感解譯獲取的信息資料，確定本次建模所需因子：斷裂、礦區位置、植被覆蓋度、鉆孔、探槽、村莊、河道、道路、坡度及高差。

1)斷裂構造因子定量化?；贏rcGIS平臺，以距離斷裂距離，建立多環緩沖區分析。具體操作步驟如下：首先使用工具箱中分析工具多環緩沖區功能對斷裂建立多重緩沖區，緩沖距離分別設為500/1 000/2 000/4 000/9 000(單位為 m)，生成緩沖區矢量圖；接著緩沖區矢量圖利用轉換工具轉為柵格；然后進行多龍礦集區掩模提取并重采樣為100 m×100 m；最后對重采樣柵格利用柵格重分類工具進行重分類并賦值實現斷裂因子的定量化。

2)礦區位置因子定量化。礦區位置定量化處理主要是對距礦區距離建立多環緩沖區分析，具體實現流程為：首先對礦床點位以800/1 500/2 500/4 000/9 000(單位為m)為緩沖距離，建立多環緩沖區矢量圖；其次對多環緩沖區矢量圖轉換為柵格、掩模裁剪并重采樣為與斷裂因子一致；最后進行重分類實現定量化處理。

3)植被覆蓋度因子定量化。獲取多龍礦集區植被覆蓋度分級圖因子信息，并對其進行定量化處理。由于植被覆蓋度分級圖已經是柵格圖像，只需對其重采樣后進行重分類并賦值即可完成定量化處理。

4)鉆孔、探槽因子定量化。鉆孔、探槽因子定量化處理流程如下：首先選擇多龍礦集區遙感解譯的鉆孔、探槽信息，將其轉化為統一的矢量點；其次，利用ArcGIS空間分析工具完成矢量點的點密度分析，生成點密度估計圖；最后對點密度度估計圖重采樣后進行重分類賦值，實現定量化處理。

5)村莊因子定量化。多龍礦集區內主要分布有3個村莊，分別為薩瑪隆村、扎多那日村和本送村，三者呈三角狀分布在各個礦床周邊。其定量化處理主要是對遙感解譯提取的村莊信息建立多環緩沖區分析，緩沖區距離分別為1 000/2 000/3 000/5 000/9 000 m，距離村莊越近則打分越低，反之則越高。

6)河道因子定量化。多龍礦集區內河流水系發育，當地居民大多擇水而棲，且河流水系是當地居民、牲畜及野生動物的主要飲用水源。通過建立河道的多環緩沖區分析，緩沖區距離為500/1 000/2 000/4 000/9 000 m，并由近到遠賦分依次增大，完成水系河道因子的定量化處理。

7)道路因子定量化。對道路信息進行定量化處理，其中距離道路越近則賦值越高，反之則越低。其定量化處理流程與斷裂相似。

8)坡度和高差因子定量化。坡度和高差處理過程相似，具體流程如下：對提取的坡度數據進行重采樣為與斷裂因子一致；對不同坡度范圍進行重分類并賦值完成定量化處理。

2.4 礦山選址建模

要建立礦山選址模型，首先需要求出各建模因子的權重系數，本文主要選擇AHP法對各礦山選址模型因子權重系數進行計算。AHP分析法求各因子權重值主要經過以下3個步驟：

1)建立礦山場地選址的層次結構模型，主要包括目標層(即將要解決的問題)、因子層(影響目標的各條件)和方案層。確定礦山選址的層次結構模型。

2)需要比較確定各因子對于礦山選址的重要性，構造各因子間的判斷矩陣。為對各因子相對重要性進行定量化比較，需要引進矩陣判斷標度法(1～9標度法)，設因子i與因子j的重要性之比為aij,設因子層包含9個因子(與斷裂距離C1，與礦區距離C2，植被覆蓋度C3，鉆孔探槽密度C4，與村莊距離C5，與河道距離C6，與道路距離C7，坡度C8，高差C9)，對于目標礦山場地選址區域進行兩兩重要性比較打分，結果各因子重要性矩陣如表1所示。

表1 選址建模因子重要性矩陣Tab.1 Matrix of location modeling factor importance

3)利用判斷矩陣計算各因子(C)對目標層(Z)的權重系數。有線性組合關系可知，對矩陣A的最大特征值所對應的特征向量進行歸一化即為各因子所對應的權重系數，最終，得到礦山場地選址線性模型為：

y=0.188 7C1+0.065 9C2+0.094 1C3+
0.123 6C4+0.101 8C5+0.071 1C6+
0.044C7+0.155 4C8+0.155 4C9，

(1)

式中：y為整個選址模型的最終計算得分；C1為與斷裂距離；C2為與礦區距離；C3為植被覆蓋度；C4為鉆孔探槽密度；C5為與村莊距離；C6為與河道距離；C7為與道路距離；C8為坡度；C9為高差。

3 礦山選址量化分析結果

3.1 遙感地質因子信息

在本研究中，礦山的綠色選址主要涉及斷裂構造因子、礦區位置因子、鉆孔、探槽因子、坡度和高差因子等地質因子。其中，斷裂構造因子定量化結果顯示線性構造及其附近地帶較不適宜進行礦山建設，在圖4(a)中綠色和紫色為較不適宜范圍，其次粉色、藍色、黃色范圍為相對適宜礦山建設地帶。對于礦區位置，礦山選址應當在礦區及其附近展開，在圖4(b)中淡黃色為礦區重點位置，藍色、淺藍色、綠色、褐色依次為次重點區域。鉆孔和探槽因子中，鉆孔和探槽密集區域為礦山選址優先考慮位置，在圖4(c)中表現為紅色、黃色和粉色區域，綠色為次重點區域。對于坡度和高差，坡度較大或高差較大均不適宜礦山選址建設，在圖4(d)中表現為紫色、藍色區域，在圖4(e)中表現為綠色、亮藍色區域。

(a)斷裂因子定量賦值圖 (b)礦區位置圖 (c)鉆孔探槽因子定量賦值圖

3.2 環境因子信息

本研究中，主要設計的環境因子主要為植被覆蓋度因子、村莊因子、河道因子、道路因子等因子信息。其中植被覆蓋度較高區域不適宜礦山建設，在圖5(a)中表現為紅色區域，其次黃色、綠色為可進行礦山建設區域。對于村莊因子，距離村莊較近區域不適宜進行礦山生產建設，在圖5(b)中表現為天藍色、綠色、黃色區域，而淺藍色、深紅色為可進行礦山建設區域。對于河道和道路因子，應當以不破壞河道、道路等原則進行礦山建設。在圖5(c)，(d)中表現為線狀體及其附近區域。

(a)植被因子定量賦值圖 (b)村莊因子定量賦值圖

(c)道路因子定量賦值圖(d)河道因子定量賦值圖

3.3 礦山場地選址模型結果

為得到多龍礦集區礦山場地選址結果圖，首先需要根據表2中建模因子的劃分標準，對各因子進行重分類并統一賦予分值，當柵格因子劃分對礦山場地選址評價為極好時賦值為10分，評價為好時賦值為7分，評價為中時賦值為4分，評價為差時賦值為2分，評價為極差時賦值為1分，最終實現柵格定量歸一化；其次，利用層次分析法求取各建模因子的權重系數值；最后，利用ArcGIS柵格計算器，對各建模因子根據礦山場地選址線性模型進行計算。對計算結果進行重分類即可得到多龍礦集區礦山場地選址結果圖。

表2 礦山選址建模因子評價賦值表Tab.2 Evaluation and assignment table of modeling factors for mine site selection

對礦山場地選址模型結果圖按最后得分進行等級劃分，當分值大于5.07等級為極適宜，并對其賦予深綠色；分值介于[4.41，5.07]等級為適宜，對其賦予鮮綠色；分值介于[3.72，4.41)等級為中等適宜，對其賦予米黃色；分值[2.95，3.72)等級為不適宜，對其賦予棕色；分值小于2.95設定等級為極不適宜，對其賦予黑色。結果如圖6所示。分值較高(綠色)的區域為適合作為礦山場地布局區域，而分值較低(黑色)的區域不適合進行礦山場地布局。

圖6 多龍礦集區礦山場地選址結果圖Fig.6 Result map of mine site selection in Duolong mining concentration area

根據計算結果和柵格分類結果，黑色區域大多為地形較為險要，斷裂較為集中的區域，相對不適合進行礦山建設，故計算結果和地質事實相符。根據結果圖，礦床大多分布在顏色較深的區域，表明礦床成礦多位于山體中或斷裂較多區域，符合成礦實際規律。但整體比較而言，礦床分布區域并不是顏色最深的位置，而礦床分布區域已經具有人工建筑物，故適合進行工程建設。故相對比較而言，礦床分布區域為適宜進行礦山建設開采區域，故計算結果可以用作綠色礦山建設依據。

4 結論和建議

1)本文提出了利用遙感影像數據提取的相關生態環境因子結合AHP法來建立綠色礦山選址模型，利用AHP法為選擇礦山場地的地址區域與斷裂距離、與礦區距離、植被覆蓋度、鉆孔探槽密度、與村莊距離、與河道距離、與道路距離、坡度、高差等提供有力依據，同時，這些區域可供選擇作為礦山場地。

2)RS與GIS技術在綠色礦山建設中具有非常重要的作用，可以實時監測礦山環境信息及開發狀況，并且能夠利用遙感影像提取的因子要素進行礦山綠色選址和規劃。利用RS技術，結合GIS的空間疊加、緩沖區分析等強大的空間分析功能，有效地劃分出適合作為礦山場地的選址，節省了大量的人力與物力，為綠色礦山選址提供幫助。

3)本文利用RS與GIS技術進行礦山綠色選址的嘗試，取得了一定的應用效果，但仍存在一些不足：礦山場地選址模型結果圖只能從整體上反映出適合作為礦山場地的區域范圍。各要素組合作為選址因子仍存在片面性，沒有全面的考慮所有人文自然環境等因素。AHP分析法求各因子權重值的賦值存在人為因素的影響，還不能精確確定各類礦山場地的具體布局，還需要在礦山場地模型結果圖基礎上利用RS技術及GIS空間分析技術對不同場地進行布局規劃。另外，從不同遙感影像中提取信息以及遙感圖像處理的方法選擇，存在一定誤差，由于不同遙感影像分辨率不同，其提取信息的結果存在差異。今后需要繼續深入開展定量化研究，才能使得最終的因子評價結果更為準確。