博士论文基于多尺度图像分析的矿山环境监测与评价.doc

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1、 目 录第一章 绪论41.1研究背景及意义41.1.1选题来源及背景41.1.2选题意义41.2国内外研究现状与发展趋势41.2.1利用RS和GIS对矿山环境监测与评价的国内外研究现状51.2.2我国矿山环境评价体系研究现状及存在问题61.2.3 多尺度遥感图像分析的国内外研究现状71.3 研究内容、方法和技术路线71.3.1研究内容71.3.2 研究方法81.3.3技术路线8第二章 矿山环境遥感机理与方法1021环境遥感和矿山环境遥感理论和技术基础102.1.1地学遥感和环境遥感102.1.2 矿山环境及其分类122.1.3矿山环境遥感的地学目标与图像特性122.1.4矿山环境遥感及其技术基

2、础122.2矿山环境要素及其遥感机理122.2.1 矿山环境要素122.2.1.1地形地貌122.2.1.2地质构造122.2.1.3地层岩性132.2.1.4水系与水体132.2.1.5矿山地质灾害体132.2.1.5矿山地质灾害体132.2.2矿山环境和矿山环境要素遥感机理142.3矿山要素遥感本底值152.3.1 遥感本底值要素指数152.3.2 矿山要素遥感本底值162.3.2.1 岩性的遥感本底值162.3.2.2矿山滑坡、崩塌体的遥感本底172.3.2.3矿山水体的遥感本底值212.4 本章小结222.4 本章小结23第三章 矿山环境多尺度遥感分析243.1多尺度遥感分析243.1

3、.1尺度、多尺度问题和多尺度表达243.1.2遥感信息的尺度问题253.1.3多尺度遥感图像分析253.2多尺度遥感分析在矿山环境中的应用253.3.1矿山地质环境的多尺度图像分析253.3.2矿山地理环境和生态环境的多尺度图像分析263.3.2.3矿山土地环境与多尺度图像分析263.3.2.4矿山生态环境与多尺度图像分析26植被指数26第四章 矿山环境要素信息识别和提取274.1遥感图像数字处理274.1.1遥感数据获取274.1.2遥感图像最佳波段选择304.1.3遥感图像预处理304.1.4遥感图像增强处理324.1.4正射影像地图制作344.2遥感图像特征表达和图像信息提取算法设计35

4、4.2多尺度图像分割和图像分类364.3矿山要素信息识别和提取364.4 矿山地物自动识别和提取的实现364.5 本章小结50第五章 矿山环境监测实证研究515.1我国矿山环境现状515.2矿山水体污染监测515.3矿山土地利用变化监测515.4矿山固体废物和堆积物变化监测515.5矿山植被变化监测515.6矿山地质灾害监测与预警515.7 本章小结51第六章 矿山环境评价516.1矿山环境评价原理和方法526.1.1矿山环境评价的意义和内容526.1.2矿山环境评价的基本方法和程序526.1.3矿山环境评价范围与分级536.1.4 矿山环境评价指标体系和评价指标权重546.1.5 矿山环境评

5、价方法和数学模型576.2多尺度矿山环境评价646.2.1 评价模型分类646.2.2 多尺度矿山环境评价体系和评价模型646.2.3评价因子选取666.3矿山环境综合评价实例666.4 本章小结66第七章 结论和展望677.1 结论677.2 存在问题和展望68致 谢69参考文献71第一章 绪论1.1研究背景及意义1.1.1选题来源及背景本论文选题来源于中国地质调查局项目鄂西及鄂东南重点成矿带与矿集区矿山开发遥感调查与监测（编号1212010785007）。随着经济和社会发展，环境问题日益突出。人类对环境的破坏使水土流失、“沙尘暴”现象、水体污染、草场退化、地面变形等越来越严重，由于采矿而引

6、起的一系列矿山环境问题不仅威胁到人类的生命财产安全，制约着经济的发展，同时也引发了一系列社会问题和矛盾张业成. 中国地质灾害危险性分析与灾变区划J. 海洋地质与第四纪地质, 1995, Vo1.15, No3: 5567.。近年来，矿山环境问题和矿区生态环境保护愈来愈受到人们的重视，科学开发利用矿产资源与保护生态环境已成为人们的共识高培.基于GIS和RS的葫芦岛矿山地质环境综合评价研究D.北京：中国地质大学，2009，1151.。我国是世界第三大矿业国家王永生. 我国矿山环境治理的现状、问题与对策J1.绿地蓝天, 2006(5). ，在长期的矿产资源开发利用过程中，由于认识的不足，矿山环境保护

7、观念薄弱，对迅猛发展的中小型矿山疏于管理，加之选矿工艺落后，大多无环保措施，加剧矿区环境破坏，环境欠账问题较多刘美玲.基于GIS和RS的矿产资源开发生态环境效应监测与评价仁D.中国地质大学，2006.。经过长期高强度大规模矿产开发活动和无序群采，废石、尾矿泛滥，地面塌陷、土地破坏、山体崩塌、滑坡、泥石流、水质污染、植被破坏等不仅造成大量的人员伤亡和财产损失，而且严重影响和制约了社会经济可持续发展，到了非治理不可的地步。湖北省铁、铜矿开发集中分布在黄石大冶、阳新一带，是我国七大铜业生产基地之一。黄石素有“青铜古都”、“钢铁摇篮”、“水泥故乡”之称，矿产资源开采、冶炼历史悠久。随着矿山开采规模和强

8、度的增大，废渣和尾矿排放量不断增大，侵占土地面积增加，废水排放污染水土的可能性增大。同时，随着矿产资源开采深度的增加，矿坑疏排水量增大，水均衡破坏的面积扩大，使地面塌陷发生的可能性增大，导致防治工程量、技术难度和费用等增大。对矿山及其周围环境造成了污染并诱发多种地质灾害,破坏了地质环境。1.1.2选题意义理论意义：本文利用遥感技术实时、快速的特点，对矿山开采状况的动态变化，调查因矿产资源开发引起的各种环境问题，探索矿山环境调查、监测的技术路线和基本方法，为实现对人类行为的引导和调控，建立和谐统一、良险循环的人地关系作出贡献冯绮, 黄新宇.遥感技术在资源环境监测中的作用及发展趋势J.遥感技术与应

9、用，1999, 14(4):59-70.；利用RS和GIS对矿产资源开发过程中所造成的地质环境进行评价，建立一套基于GIS和RS的矿山环境评价指标体系，然后探索性地构建了多尺度矿山环境综合评价模型和方法，将矿山环境进行定量化分区，为矿山环境评价和进一步研究奠定了一定的理论基础，尝试为矿山环境评价提供一条新方法、新路径。实际意义： 合理地对矿山环境进行监测和评价，是预防及治理矿山地质环境问题的首要任务。一方面可以有利于促进矿区环境恢复和保护，另一方面为政府决策部门对矿山环境的监督管理和有效治理提供针对性强、目的明确、方法合理的基础数据，具有重要实际指导意义。1.2国内外研究现状与发展趋势 1.2

10、.1利用RS和GIS对矿山环境进行监测与评价的国内外研究现状1、国外研究情况：在国际上矿业发达的国家如美国、加拿大、澳大利亚、德国等，早在20世纪70年代就十分重视矿山环境保护和治理，大部分西方国家均实行了比较严格的矿山环境保护和矿山环境评估制度 Bisset R. Social impact assessment and its future mining environmental management J. Int.J.Remote Sens. 1996, 3:9-10.。矿山环境调查始于20世纪90年代中后期。随着采矿及其他相关学科的突飞猛进的发展，矿山环境调查、监测与保护问题引起了人

11、们关注，涌现出一大批新技术和方法，如全球卫星定位系统、小波变化、电探法、三维地震反射波、空气监测站、遥感等。自1958年美国开始应用遥感技术进行环境调查的研究以后，遥感技术作为获取环境信息的强有力技术和手段，其应用的必要性和迫切性越来越广泛的被全球各国所接受和应用梅安新，等. 遥感概论M.北京:高等教育出版社，2002.。利用遥感和GIS技术来监测大范围的环境变化，既省时又省力，可快速跟踪、调查和监测突发污染事件的发生发展，从而及时制定处理措施，极大限度的避免或减少污染造成的损失，因此也突破了以往传统环境监测的局限性。近30多年来，国际实施一系列大型遥感计划，己初步建立起了高、中、低轨道结合，

12、大、中、小、微型卫星协同，粗、细、精分辨率互补的全天候、多层次的全球对地观测体系 。遥感技术己从可见光发展到红外、微波、高光谱和雷达遥感，波段从单波段发展到多波段、多角度和多极化，范围从空间维扩展到时空维，从多维光谱到超微光谱孙家柄. 遥感原理与应用M. 武汉:武汉大学出版社，2003.。数据和影像分析处理方法不断得到改进，遥感监测精度也进一步得到提高陈述彭，童庆禧，郭华东.遥感信息机理研究M. 北京:科学出版社，1998，84-113.。 Legg(1990)利用遥感技术对地表采矿引起的环境问题和矿区土地复垦做了定性评价 Legg. C.A Applieation of remote sen

13、sing to environment aspeets of surface operations in the United Kingdom. Remote sensing: an operational teehnology for the mining and petroleum industries. Conference，JMM，London，1999:159-164.，西班牙科学家(1997)在Gata-Nijar地区开展了遥感对矿山环境的监测，融合不同分辨率的影像，如TM和SPOT影像，并利用这种融合技术很好的完成了制图的工作 Ferrier G. Application of

14、image speetrometer data in identifying environmental pollution caused by mining at Rodaquilar， Spain， Remote Sens. Environ，1999，68: 125-137.。Venkataraman等(1997)综合遥感数据和有限的基础数据定性分析了矿区植被、土地利用、地表水、地下水和土质受矿产开发的影响程度 Venkataraman G，Kumar S.P，Ratha D.S Open cast mine monitoring and environmentalimPaet studi

15、e sthrough remote sensing a case study from Goa, India，Geoearto International，1997, 12(2): 39-53.。Christian等(2002)将RS、GIS和地下水模拟结合起来研究了地下采矿引起的地下水变化、地表变形和地表植被变化三者的关系 Christian F. Wolfgang B. Monitoring of Environmental changes caused by hard coal mining，Remoting，GIS Application，and Geology，Proceeding

16、of SPIE，2002:45-45.。Ferrier等人利用成像光谱技术对西班牙的最大的铜矿区进行长期跟踪，分析了因铜矿的过度开采所造成地面沉降以及严重影响其他资源和设施的原因和发展趋势 as as13,14。德国Ruhrgebirt地区主要采煤公司使用干涉雷达遥感技术和GPS定位测量技术对其煤矿开采的周围环境影响进行了评估，从而有效地监测了该地区地面环境变化的位置和速率 as15,16。随着国外越来越多的先进传感器的投入运营，尤其是Hyperion高光谱成像仪投入使用，高光谱应用的高潮已经来临，并将取代多光谱数据而成为主流。在矿山环境方面的应用方面遥感技术经历了从低光谱分辨、低空间到高空间

17、、高光谱分辨率的发展，而技术层次也从能分辨污染发展到能够识别污染矿物值，也取得了很大的研究进展 。美国地质调查局(2000)开展了基于机载AVIRIS高光谱传感器的矿山酸性废弃物的制图研究工作，提取了各种铁矿的地面光谱特征（0.4um-1.35um），并应用Tetracorder算法得到铁矿物的分布，从而得到酸性废弃物评价图。俄罗斯（2000）在Kola半岛进行了矿山排放的废石、废水、废气环境影响的评价工作，并运用1964到1996年的卫星遥感数据评价了Kola半岛环境的变迁。加拿大的chungC.F.和Fallbri A.G等将GlS应用于滑坡灾害分区的多因素综合分析中殷跃平，李媛.区域地质

18、灾害趋势预测理论与方法J.工程地质学报，1996，4(4):75-79.。美国的Mario M. N.在哥伦比亚麦德林地区，用GlS进行地质灾害和风险评估并进行灾害分区 Mario Mejia-Navarro，Luisa，Garcia. Natural Hazard and Risk Assessment Using Decision Support System, Application: Glenwood Springs, Colorado J.Environment and Engineering Geoscience,1996,11(3):299-324.。20世纪70年代初，Alfo

19、rs等针对加利福尼亚州城市地质环境地质问题，选择了地震、矿产资源损失、滑坡、洪水、侵蚀、膨胀土、活断层位移、火山、海啸和地面沉陷等10种对城市化有影响的灾害因子，对各种因子按相对严重程度做出分区 Alfors J T, Coats D R. Urban Geology Master Plan for California A.Division of Mine sand Geology, Bulletin , 1973:198.。最近几年，将遥感技术应用于矿区环境损害监测是当前国内外研究的热点论题，如美国地质调查局(USGS)、荷兰ITC、欧共体都开展了相关的研究，其中矿区土地利用/覆盖变化制图

20、、采矿环境影响遥感监测等是重要的研究内容。欧共体实施的MINEO项目(Monitoring and assessing the environmental impact of mining in Europe using advanced Earth Observation Techniques)是国际上综合应用遥感、GIS等技术监测和评价采矿环境影响最有代表性的研究张丽君. 欧洲地质调查联盟MINEO项目利用最先进的地球观测技术评价和监测欧洲采矿活动的环境影响J.国土资源情报, 2001,12.。2、国内研究情况： 我国矿山环境研究工作始于20世纪90年代后期，初步开展矿山土地复垦和恢复治理

21、等工作，但未能对其进行系统地综合地地质调查研究。从“六五”才开始采用航空遥感与卫星相结合的方法进行资源调查应用。最典型的例子是简称为“中科院780工程”的腾冲大型综合遥感试验项目。“七五”和“八五”期间进行了一些遥感应用于生态环境监测和自然灾害监测方面的专题研究。国家“九五”计划中，将遥感、地理信息系统及全球定位系统(“3S”技术)综合应用研究列为国家科技攻关重点项目，应用“3S”技术进行资源、环境、灾害等监测。2006年国土资源部应用遥感技术对我国晋陕蒙能源成矿带、川西南多金属成矿带等8大成矿带矿产开发进行遥感监测示范，获得大量实测数据，为矿产资源开发规划及开发秩序整顿、矿山环境整治等提供重

22、要技术支撑黄于新.广东省矿山地质环境质量综合分区评价研究D.吉林大学，2007.。国内利用遥感技术对矿山环境进行调查、监测和评价有较多成功的经验和实例。2002年，王晓红等人首次对江西崇义钨矿等矿产资源进行了动态监测，分析和对比了TM、SPOT和QuickBird数据进行矿山监测的优劣，并用计算机进行了自动信息提取王晓红，聂洪峰，等.不同遥感数据源在矿山开发状况及环境调查中的应用J. 国土资源遥感，2006，(2):69-71.；国土资源航空物探遥感中心2002年应用高光谱遥感技术在德兴铜矿开展了矿山尾矿、固体废料环境污染遥感调查和矿山污染直接识别的研究项目，利用ASTER和Hyperion数

23、据提取矿山环境污染信息，基于野外实测地物的光谱曲线特征分析结果，有效的识别出矿区的污染类型及其分布从而达到对矿山环境污染进行监测程博. 江西德兴铜矿矿山环境污染遥感研究博士论文. 北京:中国地质大学(北京)，2003。，郭达志等(1995)利用遥感技术结合其他先进技术对晋城、铜川、开滦等矿区的大气、塌陷进行了调查和分析郭达志，金学林等.煤矿城市的环境与动态综合监测技术J.煤矿环境保护. 1995，9（2）：50-54.；针对山东肥城矿区的污染植被和水体信息，雷利卿等13(2002)应用遥感技术对其进行了遥感信息提取，并探讨了适合矿区环境研究的遥感图像处理方法雷利卿，岳燕珍，孙九林，等.遥感技术

24、在矿区环境污染监测中的应用研究J.环境保护，2002(2):33-36. 。杨忠义，白中科等(2003)对平朔安家岭矿生态破坏阶段的土地利用/覆被变化进行研究杨忠义，白中科等.矿区生态破坏阶段的十地利用/覆被变化研究-以平朔安家岭矿为例J.山西农业大学学报，2003，23(4):367-370.。在湖北大治矿区，陈华丽等14 (2004)利用TM数据对矿区进行了生态环境监测陈华丽，陈刚，李敬兰，等.湖北大冶矿区生态环境动态遥感监测J.资源科学，2004, 26(5):132-137.。针对兖州矿区的大气污染和土地塌陷，田雨等15 (2004)利用ARCVIEW对矿区进行了系统设计和生态环境质量

25、评价田雨，李成名，林宗坚，等.基于ARCVIEW的矿区生态环境质量评价系统设计与实现J.能源环境保护,2004,18(3) :50-52。陈旭等 (2004)利用美国Landsat提供的遥感信息，采用计算机分类和人机交互式分类以及影像目视解译三种方法分析解译鞍山市矿产开发对土地、植被等生态环境的影响陈旭.遥感解译分析矿山开发对生态环境的影响J.资源调查与环境，2004，(l):13-16.。陆庆衎等（2007)利用遥感研究分析矿山开采对生态环境影响的范围，对景观和动植物和水土流失的影响陆庆晰，查少翔等.石灰石矿山开采生态环境影响评价的若干问题J.河南建材，2007（1）:24-26. 。朱思才

26、等(1999)利用GIS对矿产资源勘查进行评价，并总结出评价步骤和措施朱思才，吴家齐等.GIS技术在区域矿产资源勘杏评价中的应用J.有色金属矿产与勘查，1999，18(6):615-618.。李娜和高德政8采用GIS方法建立地质环境评价模型，分析了利用GIS进行评价的可行性与合理性李娜，高德政.基于GIS的地质环境评价研究J.四川地质学报，2007,27(4):292-295.。乔晓英和王文科9将GIS与模糊综合评价模型集成，对冯家山灌区地质环境质量进行评价乔晓英，王文科.基于GIS的冯家山灌区地质环境评价研究J.西安工程学院学报，2002,24(l):39-42.。武健强等在GIS技术的支持

27、下，对苏锡常地区进行了地质环境质量现状分析评价武健强，余勤,陈福春，等.基于GIS的苏锡常地区地质环境现状评价J.水文地质工程地质，2002(3):63-66.。赵法锁等基于GIS和多级模糊模型，建立了略阳县地质环境质量评价模型，把略阳县地质环境划分为4个质量级别赵法锁，宋飞，王艳婷，等.基于GIS的略阳县地质环境质量评价J.地球科学与环境学报，2006,28(1):88-91.。鲁明星等选用GIS组件建立了唐山市区环境地质模糊综合评价模型鲁明星，孙金华，吴班.基于GIS的唐山市区环境地质模糊评价分析J.地震工程与工程振动，2006,26(3):34-36.。目前在矿山环境调查与监测等方面国内

28、外已经获得许多重要进展。（1）国外的科研和政府机构发挥自己3S技术上的优势，在环境信息系统建设方面已经领先一步，不仅仅局限于科学研究，而且结合实际应用以及政府机构的日常管理，科学的管理、指导城市规划建设，矿业发展决策、矿区规划等工作。（2）各种先进的遥感技术如高光谱遥感技术、高空间分辨率遥感技术、激光雷达被应用到矿山环境监测和评价工作中去，并取得很大成功，成果显著。（3）理论和方法取得了很大的进展，成功地开展了一些具体工作，图像处理和分析方法也得到发展和改进，遥感监测精度进一步得到提高。例如对遥感分类新方法进行了探讨，如人工神经网络分类 Paola J D. and Sehwengerdt R

29、 A，A detailed comparison of hack propagation neural network and maximum likelihood classifiers for urban land use classification. IEEE Transat. Geosei. Remote Sens, 1995, 33:981-996. Atkinson P M and Tatnal A R L. Neural networks in remote sensing. Int. J. Remote Sensing，1997, 18(4): 699-709.、分类树法、专

30、家系统方法、基于空间结构的上下文分析法 Ryherd S and Woodcock C. Combining spectral and texture data remotely sensed images. Photogramm. Eng. Remote Sens，1996，62: 181-194. Stuekens J,Coppin P R and Bauer M E. Integrating Contextual Information with Per-pixel Classification for Improved Land Cover Classification. Remote

31、 Sensing of Environment, 2000 (03)等。（4）国内也开展了多项利用遥感技术和高光谱遥感技术对矿山或矿区进行监测和评价的项目，并取得良好效果。归纳一下，目前国内外应用遥感技术进行矿山环境评价的一般过程大致如下：利用多种卫星遥感数据如TM、ETM、MSS、NOAA、SPOT、Guikbird、IKNOS、CBERS、SAR等影像数据，通过图像处理(如校正、镶嵌等)、通过不同波段组合和不同融合方法，结合应用铁矿指数和归一化差异、植被指数等，采用人机交互解译，或者结合监督和非监督分类方法，得到具有较高精度的矿区监测结果图；对不同年限矿区监测结果图中各类地物的加以比较和分

32、析，定性定量的研究了矿产资源开发和生态环境的动态变化；利用GIS的空间分析功能结合监测结果建立合适的评价模型，对矿区生态环境中如大气污染、水体污染、粉尘污染、水土流失、矿山灾害发生率等进行定量的分析，并制作处相应的专题图。我国遥感和GIS研究工作经历近30年的发展，出现了突飞猛进的势头，获得良好的经济效益和社会效益，通过多年不同层次的遥感和GIS应用研究，在各个的研究领域，都取得了可喜可贺的研究成果。监测的空间尺度广泛，从小区域区到流域乃至全国范围，时间尺度和光谱尺度也有多种，从实时监测到以几年、十几年为间隔期的动态变化监测。在调查、监测和评价的方法和理论研究方面也获得了惊人的成果和进步，从可

33、见光、红外、近红外和远红外一直到微波，从多光谱、高光谱到超光谱领域，从低空间分辨率到高空间分辨率，从应用单一的遥感数据到多源遥感数据的综合应用，以及结合非遥感数据源的应用等 。随着技术发展和完善，遥感和GIS技术在矿山环境监测方面扮演着越来越重要的角色，从定性观察描述走向定量反演，监测内容、监测空间范围在不断扩大，监测精度业持续不断提高。然而，有些方面还存在一些问题或不足：（1）遥感仍处在由定性到定量的过渡阶段，其精度还不能完全满足不同用户的需求。（2）遥感数据的获得有其特殊性，数据的好坏受传感器、天气等因素的影响很大，数据的好坏直接影响着对地物的解译。（3）我国卫星遥感数据和卫星图像处理设备

34、、软件基本上还依赖于国外。我国虽然发射过一些返回式卫星(主要用于对地观测、资源普查与环境监测提供高分辨率图像)，但主要应用于研究和军事应用，并没有形成产业化和商业应用。近几年虽然也开发了一些图像处理设备和软件，近几年来虽然也开发有自己的图像处理设备，但由于缺乏商业化意识淡和应用实践，在核心技术领域与国外产品还有很大的差距。1.2.2我国矿山环境评价体系研究现状及存在问题陈学军等在分析了矿山环境5个特点（自然性、社会性、综合性、复杂性、开放性）的基础上指出进行矿山环境质量评价关键在于确定能表征各环境要素的评价因子，并认为环境质量评价因子可以概括为三大类：社会经济环境因子（占地面积、人口密度、人口

35、增长率、产值、交通等）、自然环境因子（大气、水、土地等）和生态环境因子（绿化程度、噪声强度、农林牧渔生产状况、人体健康状况等）。评价因子是多单元、多类型、多层次的复杂综合体，受评价对象、评价目的、评价要求、环境条件和监测技术等因素的影响，应视具体情况具体分析确定。所选评价因子，有的易于定量，有的则需根据评价目的，通过归纳使其数值化陈学军，刘宝臣,官志华.矿山环境质量多层加权综合评价方法J.桂林工学院学报，1997,17(2):178-182.。蔡鹤生,周家国等(1994)利用层次分析法来确定因子权值 ；刘立民,刘汉龙,连传杰等(2003)基于GIS做了矿山塌陷损害评价系统 ；廖国礼,吴超(20

36、04)应用模糊数学方法进行了矿山环境综合评价 ；徐友宁(2001)提出矿山环境问题划分为资源破坏、地质灾害和环境污染三大类。资源破坏主要表现形式为土地与植被压占破坏、疏干排水破坏地下水均衡系统、地表水量减少、地质遗迹破坏、地形地貌改观和人文风景景观破坏等；地质灾害包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降、水土流失、土地沙化、尾矿库溃坝等；环境污染主要表现形式为地表水污染、地下水污染、土壤污染及其环境效应等徐友宁.矿山地质环境调查研究现状及展望J.地质通报，2008,27(8):1235-1243.。胡明安 (2004)基于鄂东南大型矿业基地资源开发引起的环境问题，建立了MEES评价体

37、系。简单概况起来，MEES是由矿产资源开发（Mineral Resources）、自然生态环境（Environment）和经济社会环境（Economy）3个子系统构成的一个结构严密的复杂巨系统胡明安，徐伯骏，张晓军，等. 鄂东南大型矿业基地资源开发的环境影响评价指标及生态重建示范工程调研M.武汉：中国地质大学出版社,2004.。武强等(2005)在矿山环境研究理论与实践中详细讲解了矿山环境单问题评价理论，并结合实例进行分析，对矿山环境单问题评价的方法模型做了全面的介绍与分析 ；徐友宁等(2006)在中国西北地区矿山环境地质问题调查与评价一书中对西北地区矿山环境地质问题作了细致的分类，并结合实例

38、分别应用要素指标加权分值综合评价法、模糊数学多层次综合评判法、灰局势评价法进行综合评价，在确定指标权值时有机综合客观赋权值法（熵值法）和主观赋权值法（专家评估法、层次分析法、集值迭代法）得出了综合权值张业成.中国地质灾害危险性分析与灾变区划J.海洋地质与第四纪地质, 1995, Vo1.15, No3: 5567.张梁,张建军.地质灾害风险区划理论与方法J.地质灾害与环境保护, 2000.12, Vol.11(4): 323-328 范文,刘雪梅,高德彬.主成分分析法在地质灾害危险性综合评价中的应用.西安工程学院学报, 2001.12,Vol.23(4):53-57.林孝松.基于GIS的重庆市

39、地质灾害信息管理系统.中国地质灾害与防治学报, 2001.6, Vol.12(2): 7179.钟荫乾.地质灾害易发性评价.湖北地矿, 2002.10, Vol.16(4): 81-84.柳源.中国地质灾害(以崩、滑、流为主)风险性分析与区划.中国地质灾害与防治学报, 2003.3, Vol.14(1):95-99.；张进德等（2007）以矿业开发导致的主要环境地质问题作为主要评价对象，选取的评估因子包括开发强度、开采方式、三废排放量、次生地质灾害和土地的占用和破坏张进德，张德强，田磊.全国矿山地质环境调查与综合评估技术方法探讨J.地质通报，2007,26(2):136-140.。曹树刚（20

40、07）提出矿山地质环境综合评价可分为矿山地质背景、矿山开采状况、矿山地质环境和自然经济环境四大类。矿山地质背景指标体系包括地形地貌、水文地质条件、工程地质类型和地质构造；矿山开采状况指标体系包括开采方式及开采条件、矿山生产规模和矿山开采历史；矿山地质环境指标体系包括地质灾害发育程度、土地占有及破坏、固体废弃物堆放、地下水资源疏干、废水废液排放和恢复治理难易程度；自然经济环境指标体系包括经济区位、人口密度、年降雨量和植被覆盖度曹树刚，武晓敏，刘敏.重庆矿山地质环境评价方法探讨J.山东科技大学学报（自然科学版），2007,26(2):1-4.刘沛，况顺达，姚智.RS、GIS在贵州省环境地质综合调杳

41、中的应用J.贵州地质，2004，21(3):161-164.。虽然目前国内已经开始关注矿业活动的环境影响问题，并在一定程度上开展一些研究工作，然而建立一个统一的全国通用的评价指标体系仍然是一个棘手的课题。就目前已有矿山环境评价所采用的指标体系来说，还存在以下问题：（1）选取的评价因素和评价指标不够全面，评价结果不够客观合理。评价指标种类能否较全面反映地质环境质量是反映评价结果是否准确的关键问题之一。一方面，在评价矿山环境质量时由于部门职能范围和研究者研究目的不同，研究者往往就矿山环境的某一方面作为研究与评价对象，例如环保部门就矿山建设项目对水、大气、土壤环境等环境质量进行影响预测评价；而国土资

42、源部门研究者则主要对崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂缝等地质灾害作危险性评价国巧真，鲁明星，等.采煤塌陷区动态监测系统的研制及应用J. 矿业安全与环保，2005，32(3):5-11.。然而矿业开发中普遍存在的矿产资源浪费与破坏、土地资源压占与破坏、水资源破坏、地质遗迹破坏等现象，前人基本未涉及，所以评价因素不全，其相应评价结果也只能反映矿山开发对矿山环境影响的一个方面候鹏.基于遥感和地理信息系统的矿区环境监测与评价D.山东科技大学，2004.。另一方面，目前对矿山环境评价指标的选取，国内外尚无公认的评价指标体系，在评价矿区环境时，各家采用的评价指标不一致、方法和途径各异，均不统一

43、，因而其评价结果的主观性较强，出现同一矿区环境评价结果因人而异的结论，降低了调查成果的准确可靠性、可比性和可信性，为日后管理和规划造成了一定困难。因此，制定科学、客观、合理可行的矿山环境评价指标体系尤为重要。（2）评价指标多为定性描述，缺乏量化指标，评价结果的科学性不够严谨。由于大多数研究者因掌握的第一手资料欠缺和调查研究经费较少，且制定量化指标复杂、难度大等, 目前评价指标大多为定性描述,如土地资源和水资源破坏程度等，而不同的评价者对于定性描述指标理解不同，因此确定指标的等级存在偏差，导致评价结果的客观性差魏迎春，徐友宁. 矿山地质环境量化评价模型研究J.华南地质与矿产,200421(4):

44、47-50.。（3）综合评价方法不太合理，评价结果缺乏可比性和可行性。在多指标、多层次、多目标和多尺度评价上,不同指标权重值和综合评价方法的确定不够合理、客观，进而导致最终评价结果可比性较差。（4）对矿产资源本身在矿产开采过程中的影响和对周边环境的影响很少考虑，或只作部分考虑，而对矿区范围内及周边的其他自然资源受矿产开发的影响基本没有考虑。因此，矿山环境评价的研究热点和难点主要表现在三个方面：一是制定科学性、实用性的量化评价指标体系；二是对评价指标的标注化（量化）处理和定量提取；三是探索新方法、新途径，建立多指标、多层次、多尺度的评价体系、评价方法和评价模型。同一个矿山和不同矿山都存在着许多影

45、响程度不同的矿山环境问题，如何将不同种类、不同区域的矿产资源的矿产资源、不同开发方法和评价方法等影响程度不同的地质矿山环境建立在同一指标评价体系或数学模型下进行定性或定量地研究分析，建立统一的、科学的、实用的矿山评价指标体系，这都是目前矿山环境监测和评价需要解决的问题。1.3 研究内容、方法和技术路线1.3.1研究内容本文以湖北黄石市为例，探讨如何利用GIS和RS手段对矿山地质环境进行评价。主要研究内容包括以下四个方面：（1）矿山地质环境评价的指标体系建立。如何根据具体的区域，建立客观、全面的地质环境评价体系，是研究的重难点，也是决定研究成果实用性的重要前提。其中，关键的问题是确定矿山地质环境

46、的指标等级。（2）主要评价指标遥感获取方法研究。利用RS和GIS技术对指标要素进行量化提取是本部分的核心。（3）矿山地质环境评价方法和模型的建立。在制定量化指标体系的基础上，选择合适的数学模型将单指标、多指标、多层次的评价值，有机地综合成一个评价值，使评价结果具有科学性、客观性、全面性。（4）矿山地质环境评价分区。利用GIS空间分析模块，求得综合指数频率分布曲线，根据曲线突变点确定矿山地质环境评价分区阈值，从而建立矿山地质环境综合评估分区标准。将评价分区划分成矿山地质环境影响极严重区、严重区、中等区和较轻区四级。1.3.2 研究方法目前矿山地质环境评价方法较多, 如指标加权分值综合评价法、模糊

47、数学评价法、数理统计法、层次分析法、灰色系统模型法、指数法等。本文主要运用遥感和GIS技术,采用层次分析法。（1）遥感和GIS方法随着计算机和空间技术的发展，各种资源和环境监测卫星的发射、运行，遥感技术提供了多时相、大范围、多尺度、多目标的实时信息，可以快速、准确、实时对矿山环境进行监测；GIS具有强大的空间数据管理和空间分析能力汤国安，杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程M.北京：科学出版社，2006.，利用GlS对研究区内的各种空间数据、属性数据进行管理，完成与评价相关参数的提取和评价单元的划分；利用GIS分析模型与其他应用模型相结合，对研究区进行评价。（2）层次分析法（AHP）AHP法是一种定性与定量相结合的决策分析方法，它是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程。决策者可通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，经过对各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同影响因素的权重比例，为最佳方案的选择提供科学依据徐建华.现在地理学中的数学方法(第二版)M.北京:高等教育出版社，2002:224-249.