豆為俊

摘要：開采礦產(chǎn)資源會破壞環(huán)境，而環(huán)境的破壞在短期是很難恢復(fù)的，因此，對礦山環(huán)境質(zhì)量進行評價，并揭示礦區(qū)環(huán)境的質(zhì)量指數(shù)和礦山資源開發(fā)對環(huán)境的影響程度十分必要。系統(tǒng)結(jié)合了GIS技術(shù)，采用C#語言對ArcGIS進行二次開發(fā)，實現(xiàn)礦山地貌和監(jiān)測信息的可視化；系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了礦山環(huán)境評價模型對礦山環(huán)境質(zhì)量進行分級量化，并采用圖像和圖表的方式統(tǒng)計環(huán)境信息，并給出評價的結(jié)果，為礦山企業(yè)和環(huán)保部門的環(huán)保工作提供一些參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦山環(huán)境；質(zhì)量指數(shù)；GIS；監(jiān)測；評價

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）08-1738-05

《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定》中第十二條規(guī)定：“采礦權(quán)申請人申請辦理采礦許可證時，應(yīng)當編制礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復(fù)方案，報有批準權(quán)的國土資源行政主管部門批準”[1] 。由此可見，在礦山開采和生產(chǎn)經(jīng)營前，就必須要對礦山環(huán)境做預(yù)先的評價，同時在生產(chǎn)的過程中要對礦山地質(zhì)環(huán)境的有一套完備的評價方案。

系統(tǒng)采用MVC（Model-View-Control）[2] 框架，讓軟件系統(tǒng)模塊化的一種方法；使用C#結(jié)合ArcGIS Engine 10.0二次開發(fā)；在TOPSIS法的基礎(chǔ)上提出一種符合礦山環(huán)境質(zhì)量評價要求的設(shè)計方案，實現(xiàn)了礦山環(huán)境評價系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)評價模型設(shè)計

TOPSIS法是系統(tǒng)工程中有限方案多目標決策分析的一種常用方法[3] 。理想解一般是設(shè)想最好的方案，它所對應(yīng)的各個屬性至少達到各個方案中的最好值；負理想解是假定最壞的方案，其對應(yīng)的各個屬性至少不優(yōu)于各個方案中的最劣值。方案排隊的決策規(guī)則，是把實際可行解和理想解與負理想解作比較，若某個可行解最靠近理想解，同時又最遠離負理想解，則此解是方案集的滿意解。

設(shè)計方案步驟如下：

第一步：選取礦山環(huán)境質(zhì)量評價指標，根據(jù)空氣、水和土壤環(huán)境污染限值，計算空氣質(zhì)量指數(shù)，水環(huán)境綜合污染指數(shù)，土壤環(huán)境綜合污染指數(shù)，作為決策標準Warning級。

第二步：礦山環(huán)境問題評估作為一個決策問題，其決策矩陣為A。將空氣質(zhì)量指數(shù)，水環(huán)境綜合污染指數(shù)，土壤環(huán)境綜合污染指數(shù)加入決策矩陣A中，由A可以構(gòu)成規(guī)范化的決策矩陣Z′，其元素為[Z′ij]，且有

[Z′ij=fiji=1nf2ij][i=1，2，…，n；j=1，2，…，m]

式中，[fij]由決策矩陣給出。

[A=f11f12…f1mf21f22…f2m??…?fn1fn2…fnm Warning級方案1?方案n-1]

第二步： 構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)決策矩陣Z，其元素[Zij]

[Zij] = [WjZ′ij]i=1，…，n； j =1，…，m

[Wj]為第j個目標的權(quán)。

第三步：確定理想解和負理想解。如果決策矩陣Z中元素[Zij]值越大表示方案越好，則

[Z+=（Z+1，Z+2，…，Z+m）={maxiZijj=1，2，…，m}]

[Z-=（Z-1，Z-2，…，Z-m）={miniZijj=1，2，…，m}]

第四步：計算每個方案到理想點的距離Si和到負理想點的距離S -i。

第五步：計算每個方案的相對接近度[Ci]。

相對接近度計算方法如下。

設(shè)決策問題有m個目標[fj]（[j=1，2，…，m]），n個可行解[Zi=（Zi1，Zi2，…，Zim）]（[i=1，2，…，n]）；并設(shè)該問題的規(guī)范化加權(quán)目標的理想解是Z*，其中

[Z+=（Z+1，Z+2，…，Z+m）]，

那么用歐幾里得范數(shù)作為距離的測度，則從任意可行解[Zi]到[Z+]的距離為：

[S+i=j=1m（Zij-Z+j）2]i=1 ，…，n，

式中，[Zij]為第j個目標對第i個方案（解）的規(guī)范化加權(quán)值。

同理，設(shè)[Z-]=[（Z-1，Z-2，…，Z-m）T]為問題的規(guī)范化加權(quán)目標的負理想解，則任意可行解[Zi]到負理想解[Z-]之間的距離為：

[S-i=j=1m（Zij-Z-j）2]i=1 ，…，n，

那么，某一可行解對于理想解的相對接近度定義為：

[Ci=S-iS-i+S+i] 0≤[Ci]≤1，i=1，…，n，

于是，若[Zi]是理想解，則相應(yīng)的[Ci] =1；若[Zi]是負理想解，則相應(yīng)的[Ci] =0。[Zi]愈靠近理想解，[Ci]愈接近于1；反之，愈接近負理想解，[Ci]愈接近于0。

第六步：按每個方案的相對接近度[Ci]的大小排序，由于決策矩陣中包含了分級標準Warning級，大于Warning級的方案表示環(huán)境質(zhì)量較好，小于Warning級的方案表示環(huán)境受到污染，需要采取治理措施。

2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)設(shè)計了六個功能模塊，分別包括登錄模塊、地圖瀏覽模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、監(jiān)測點管理模塊、監(jiān)測分析模塊和信息管理模塊，如圖1所示。

登錄模塊：系統(tǒng)的入口。用戶輸入用戶名和密碼，向服務(wù)器發(fā)送用戶認證請求，服務(wù)器端一并將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，客戶端進入登錄等待狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)加載；若認證不通過，提示用戶用戶名和密碼錯誤。

地圖瀏覽模塊：系統(tǒng)需要把礦區(qū)的圖像作為背景，監(jiān)測點布置在地圖上，形象的模擬了實際礦區(qū)監(jiān)測點的地理位置及分布情況。

監(jiān)測點管理模塊：可以打開或關(guān)閉監(jiān)測節(jié)點，更改監(jiān)測節(jié)點的狀態(tài)，定時或?qū)崟r更新數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理模塊：對監(jiān)測節(jié)點的檢測值進行查詢，該頁面可以根據(jù)用戶選擇日期進行查詢，每頁可顯示16條記錄。選中其中的某條可以刪除該記錄，也可在空白行添加新的記錄，最后對所有操作進行保存。

監(jiān)測分析模塊：包含監(jiān)測實況、灰度預(yù)測、統(tǒng)計分析和評價分級四大模塊。監(jiān)測實況模塊主要實現(xiàn)不同監(jiān)測點下環(huán)境參量的監(jiān)測實況圖的繪制；灰度預(yù)測模塊運用灰色系統(tǒng)預(yù)測的原理實現(xiàn)預(yù)測環(huán)境參數(shù)的預(yù)測值；統(tǒng)計分析模塊包括對礦山區(qū)域監(jiān)測到的空氣參數(shù)、水參數(shù)和土壤參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析；評價分級模塊包括對空氣質(zhì)量、水質(zhì)量和土壤質(zhì)量的評價分級以及對三者的綜合評價。

信息管理模塊主要用于用戶的信息管理，客戶端包括用戶申請修改用戶名和＼或密碼等功能，便于用戶自主管理個人信息。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

運行系統(tǒng)，首先是系統(tǒng)登錄模塊。在使用系統(tǒng)之前首先要正確連接到數(shù)據(jù)庫，這樣才能正確連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，減少用戶等待的時間。系統(tǒng)登錄界面根據(jù)不同的時間段加載不同的代表時間的界面圖片，界面美觀大方。如圖2所示。

用戶輸入用戶名和密碼，不同的用戶具有不同的使用權(quán)限，點擊登錄，數(shù)據(jù)庫服務(wù)就會自動驗證用戶的身份，用戶名和＼或密碼是否正確。若用戶身份驗證失敗，則顯示用戶名和＼或密碼錯誤，系統(tǒng)登錄模塊停止工作；若用戶身份驗證成功，則系統(tǒng)加載數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，進入系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)主界面運行效果圖如圖3所示。

地圖瀏覽模塊顯示了礦山局部區(qū)域的地圖，提供了簡單的地圖操作功能，輔助查看跟蹤層的監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)。通過ArcGIS Engine組件技術(shù)創(chuàng)建跟蹤圖層，模擬監(jiān)測點的虛擬坐標，并通過點擊每個監(jiān)測點顯示對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。地圖跟蹤層實時顯示數(shù)據(jù)，如圖4所示。

另外，地圖瀏覽還實現(xiàn)了ArcGIS[4] 的其他操作功能如打開地圖、保存地圖、放大、縮小、全圖和漫游等。

灰度預(yù)測模塊采用Chart[5] 報表顯示環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、灰度預(yù)測[6] 數(shù)據(jù)，并且可以保存監(jiān)測數(shù)據(jù)圖片。如圖5所示。

統(tǒng)計分析模塊包括空氣環(huán)境質(zhì)量[7] 評價、水環(huán)境質(zhì)量[8] 評價和土壤環(huán)境質(zhì)量[9] 評價。通過統(tǒng)計每個環(huán)境監(jiān)測指標的數(shù)據(jù)，運用評價模型計算各個環(huán)境的指數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果和評價分析的運行效果如圖6所示。

評價分級模塊包括綜合評價方案和綜合評價結(jié)果兩部分，評價評價方案表顯示了有哪些方案進行綜合評價。點擊代表“TOPSIS綜合評價”的按鈕，顯示綜合評價的結(jié)果，數(shù)據(jù)表格中顯示了正負理想解的距離、相對接近度和是否有污染。評價分級模塊通過對空氣環(huán)境、土壤環(huán)境和水環(huán)境的分析，分別進行評價分級。運行結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)所設(shè)計的礦山環(huán)境評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了地圖瀏覽，構(gòu)建跟蹤層實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)；自定義開發(fā)合適的用戶控件和設(shè)計符合系統(tǒng)要求的組件可以滿足拓展界面功能的需求；系統(tǒng)統(tǒng)計分析礦山環(huán)境監(jiān)測參數(shù)和建立礦山環(huán)境評價數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)的運行實踐表明，系統(tǒng)在使用中性能穩(wěn)定，能夠滿足礦山企業(yè)對礦山環(huán)境的評估需求，可以提高用戶的工作效率，降低環(huán)保投入成本。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國土資源部令第44號[EB/OL].http：//www.gov.cn/flfg/2009-03/05/cont ent_1251130.htm.

[2] 李霞.MVC設(shè)計模式的原理與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2004.

[3] 付巧峰.一種修改的TOPSIS法[J].西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（4）.

[4] 李旭.基于GIS平臺的礦山地質(zhì)環(huán)境評價系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2012.

[5] 劉輝，郝偉.一種基于.NET4.0 Chart的通用圖形化統(tǒng)計模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2011，7（31）：7676-76.

[6] 張立.基于灰色預(yù)測模型GM（1，1）的人力資源需求預(yù)測研究[J].人力資源管理，2011（4）.

[7] 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）：中華人民共和國國家環(huán)境保護標準，HJ 633-2012[S].

[8] 地表水環(huán)境質(zhì)量標準，中華人民共和國國家標準，GB 3838-2002[S].

[9] 土壤環(huán)境質(zhì)量標準，中華人民共和國國家標準，GB 15618-1995[S].

[10] 俞立平，潘云濤，武夷山.修正TOPSIS及其在科技評價中的應(yīng)用研究[J].情報雜志，2012（6）.