基于遥感与核密度分析方法相结合的尾矿库分布研究

李 庆

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000）

0 引言

尾矿库是指由筑坝拦截谷口或围地围成的，用以堆放金属或非金属矿山矿石选别后排出的尾矿、湿法冶炼产生的废物或其他工业废渣的场所［1］。我国是一个矿业生产大国，据不完全统计，现有各类金属非金属矿山11万座，其中金属矿山1.2万座，非金属矿山9.8万座；与此同时我国也是尾矿库大国，全国已建和在建的尾矿库12 600多座，其中有4 910座危库、险库和病库，占总尾矿库个数的38.8%［2］。根据2015年中国国土资源经济研究院发布《中国矿产资源节约与综合利用报告（2015）》最新数据显示，我国废石及尾矿累积堆存量高达584亿吨，其中尾矿堆存量为146亿吨，尾矿堆存物中83%主要由于金矿、铜矿、铁矿开采所形成，废石堆存量为4 387亿吨。目前，我国尾矿库存在着较多的问题，比如：“三边库”“头顶库”问题严重，简易的闭库、尾矿库建设不达标、尾矿库安全管理一直不强等，从而导致尾矿库安全基础比较薄弱，安全隐患大，整治难度大［3］。

尾矿库不仅分布范围广，数量巨大，而且尾矿库的监测对时效性有很高的要求。遥感技术具有探测范围广、获取资料数据快、受地面条件限制少、获取数据量大等优点，可以很好地弥补地面人工监测方法的不足，是尾矿库监测的有效技术手段［4］。许多科研工作者借助遥感图像对尾矿库进行了监测并对其环境影响进行分析。阎永忠等［5］采用了遥感和地理信息系统相结合的监测方法，建立尾矿库位置、危险、有害因子的识别标识，对凤县地区的尾矿库从3个不同类型进行了分类提取，得出该区尾矿库的监测现状。申彦科等［6］利用TM遥感影像数据，总结出尾矿库扩容会对周围的生态环境产生影响。张云英等［7］以高分一号的影像为数据源，得出了尾矿库目视解译最佳波段组合，为基于高分一号以及类似分辨率的遥感影像尾矿库研究提供了依据。凌子燕［8］利用GF-1卫星数据对于尾矿库监测，采用SVM方法建立的遥感反演模型简单可行、分类精度高，证明可遥感监测尾矿库的可行性。从上述研究可以看出，目前利用遥感技术对尾矿库监测取得了较好的成果。本文在结合上述研究方法的基础上针对承德市尾矿库进行研究，并对其风险性评价，为尾矿库的监测和管理提供科学依据。

1 研究区和数据

1.1 研究区概况

承德市是河北省辖地级市，位于河北省东北部，介于北纬40°12′～42°37′，东经115°54′～119°15′之间，省内与唐山市、张家口市、秦皇岛市，省外与北京市、天津市，内蒙古自治区赤峰市、内蒙古自治区锡林郭勒盟毗邻，属温带季风气候。全市总面积3.95万km2，辖8县3区、1个高新技术产业开发区，2018年末户籍人口达到381.6万人。

1.2 数据源与图像预处理

本研究选用2017年处理的高分一号卫星影像使用像素工厂软件对高分一号卫星图像进行拉升、空三优化、正射校正等预处理，保证图像清晰、定位精度高，同时将高分一号卫星的多光谱图像与其空间分辨率为2 m的全色图像融合，生成空间分辨率为2 m的RGB遥感图像，利用该图像进行尾矿库解译的相关工作；使用2018年获得的承德市居民点数据作为不同类型尾矿库风险评价的数据。

2 研究方法

第一步，借助高分一号遥感图像分析尾矿库在遥感图像中的特征建立相应的解译标志，并对承德市内的尾矿库进行遥感解译，获得尾矿库分布。第二步，将解译得到的尾矿库按照不同类型进行分类，得到各类型尾矿库的分布。第三步，在ARCGIS10.2中计算尾矿库的核密度与承德市居民点核密度，并将居民点核密度与尾矿库核密度相乘，获得最终的核密度图，从而分析各地区尾矿库风险性。

2.1 尾矿库解译标志

尾矿库按照其在遥感图像上的特征大致可以分为以下3种类型。

（1）山谷型尾矿库是指在山谷谷口处筑坝而形成的尾矿库［3］，如图1（a）所示。该类尾矿库初期坝体相对较短而库区纵深较宽，一般由坝体、尾砂、废水3部分组成，坝体位于山谷口一侧，另外几面都与山谷相接。尾砂在水中密度随着远离坝体而逐渐变得稀释，呈放射状，越接近废水区域尾砂越稀少，在遥感图像上接近正常水体的色调。山谷型尾矿库是最标准、最易辨识的一种类型，也是我国尾矿库中分布最多、最广泛的一类。

（2）平地型尾矿库是指在平原地区四周筑坝而形成的尾矿库［3］，如图1（b）所示。该类尾矿库初期坝体和后期坝体维护所需工程量大、尾矿库坝体高度较山谷型尾矿库坝体低，我国平坦地带的尾矿库多采用平地型。从图1（b）中可以看出平地型尾矿库由坝体和尾砂组成，一般为干法堆存。由于平地型尾矿库处于平原或沙漠这类平整的区域，坝体需要多个面将将库区包围在其中，尾砂色调较为一致。

（3）傍山型尾矿库是指在山脚下依靠着山体，在其三面或多面修筑坝体包裹而成尾矿库，如图1（c）所示。该类尾矿库初期坝体相对较长且库区纵深较窄，我国山地丘陵地区的小型尾矿库多为傍山型尾矿库。傍山型尾矿库和山谷型尾矿库结构很相似，也是由坝体、尾砂、废水3部分组成，但是坝体通常是三面包围状态，从遥感图像上可以很清楚地看到由三面坝体包围而成。尾砂及废水的分布与山谷型尾矿库基本一致。

2.2 核密度分析法

核密度分析法是通过对空间点数据的分布进行连续化模拟，以空间格网中的核密度值来反映空间中点的分布［9］。在指定的搜索半径内利用距离衰减形成连续的空间密度曲面，将不同密度曲面进行空间叠加得到核密度值，从而得到该要素在整体空间上的分布密度。距离要素中心越近权重越大，距离越远权重越小。其计算公式如式1所示：

式中，f(x)为空间中任意一点x的核密度值；r为搜索半径；X-Xi为点Xi与中心点X之间距离；n为距离空间中任意一点X（距离≤r）的要求点数；K为空间权重函数。

3 实验结果与分析

3.1 尾矿库解译与分类结果

按照上述的尾矿库解译标志，借助高分一号遥感图像共解译出尾矿库834座，承德市各区、县尾矿库数量及不同类型尾矿库数量如表1所示。从表1中可以看出承德市尾矿库主要分布在承德县、宽城满族自治县平泉县、丰宁满族自治县滦平县境内，这些地区尾矿库数量均超过100座。以宽城满族自治县与滦平县数量最多为160座，双桥区尾矿库数量最少。从不同类型的尾矿库数量可以看出，承德市尾矿库主要以山谷型尾矿库为主，平地型尾矿库次之，傍山型尾矿库数量最少。其中：滦平县与宽城满族自治县的山谷型尾矿库最多分别为141座和130座；承德县和丰宁满族自治县山谷型尾矿库次之分别为92座和89座；兴隆县平地型尾矿库最多为54座；宽城满族自治县傍山型尾矿库最多为9座。最终随机选取100座解译结果，与已有的真实尾矿库点位进行比对，发现解译结果均正确，保证了解译结果的准确性。

3.2 核密度分析结果

图1 3种尾矿库解译标志

表1 各区、县尾矿库数量及不同类型尾矿库数量统计 （单位：座）

从上述结果可以发现承德市境内尾矿库主要以山谷型尾矿库为主，平地型尾矿库和傍山型尾矿库数量较少，同时考虑到山谷型尾矿库面积大、势能高，相较于其他两种类型的尾矿库危害性大，一旦发生溃坝将造成不可想象的后果，而平地型尾矿库和傍山型尾矿库主要建在地势较为平坦的地区溃坝风险相对较小。因此，本次实验主要是计算了山谷型尾矿库核密度值，并将计算的结果与承德市居民点核密度值相乘，得到最终的核密度分布图，如图2所示。

图2中图斑的颜色代表所在地区的风险程度，颜色越深代表该区域的风险越大。从图2中可以看出，丰宁满族自治县东南部、滦平县东北部、隆化县南部、承德县西北部、双滦区、平泉县中部及宽城满族自治县中南部等地区风险等级较高，这些区域山谷型尾矿库数量与居民点数量众多，最终导致了风险相对于其他地区较高，可以加强对这些地区尾矿库的监测与管理。

4 结语

本文利用高分一号遥感图像对承德市区域内的尾矿库进行遥感解译，最终解译出尾矿库834座，并将解译结果按照不同类型的尾矿库进行分类，得到了承德市内各区、县尾矿库的数量与分布，结果真实可靠；然后根据分类的结果和居民点数据利用核密度分析方法对各区、县的风险性进行了简单的评估，为有关部门加强高风险区域的尾矿库监测和管理提供了科学依据。在今后的研究中，将进一步研究尾矿库监测自动化，以满足大范围尾矿库的快速、高频次监测，同时在尾矿库风险评价方面，考虑更多其他因素的影响。

图2 最终核密度分布