赵浩雷，张 锦

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

露天开采是煤炭开采的一种主要生产方式，具有单井规模大、效率高、集约性强、事故率低等显著优势。截止2020年底，我国共有露天煤矿376处，总产能9.5亿t/a，占全部生产煤矿产能比由1980年的2.7%增至2020年的17.8%[1-4]。露天煤矿的高质量发展对促进我国煤炭资源的高效科学合理开采、绿色矿山建设等方面具有现实意义。

近年来国内学者对露天煤矿展开了大量研究，主要集中在采矿理论、开采工艺与设备、绿色矿山建设、发展现状等方面，虽大多数研究[5-10]都提到我国露天煤矿分布情况，但更多是提及国家大型规划矿区、大型企业投资建设的大型或特大型露天煤矿，很少涉及地方矿区、中小型企业建设的中小型露天煤矿，且研究程度较浅。然而，我国中小型露天煤矿数量远远多于大型、特大型露天煤矿的数量，且分布和开发情况颇为复杂。

空间分布特征作为空间分析的重要内容，近年来已有诸多学者对其展开了深入的研究。从已有研究成果看，最近邻指数、地理集中指数、核密度估计等点模式分析方法已被广泛的运用到空间点数据分布特征研究，如居民点[11-12]、旅游景点[13-14]、传统村落[15-16]等，但很少对露天煤矿空间分布特征进行研究。相比美国能源信息署的煤炭数据浏览器、澳大利亚地球科学局的澳大利亚矿山图集、印尼能源和矿产资源部的一张图等，都能良好地展示该国境内煤矿的分布情况，目前我国尚未拥有从宏观尺度构建的国家级、开放、共享、面向公众聚焦于露天煤矿分布的地理信息平台，不仅阻碍了公众对我国露天煤炭资源分布的认识，还给科研工作者统计相关数据带来不便。基于此，利用GIS了解和研究我国露天煤矿空间分布特征，总结归纳露天煤矿开发布局十分必要。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

露天煤矿数据来源主要有3个方面，一是从国家能源局和各省政府相关煤炭部门获取的证照齐全依法合规的露天煤矿；二是从虚拟地球历史影像资料搜集露天煤矿，煤矿露天开采占用和破坏土地的规模较大，与周围的地物存在明显差别，在遥感影像上的特征较为明显，矿区盘旋的运输道路、大型的边坡、活动采区、排土场等矿山地物均易于识别，通过目视虚拟地球历史影像资料并依据专家经验判读是搜寻露天煤矿并确定其经营状态的重要途径；三是从国内专著、论文、期刊等入手，辅以搜索引擎、贴吧、博客、新闻等渠道，主要获取对应露天煤矿的详细信息。

综合以上3个方面的数据来源，搜集露天煤矿的包括开发主体、行政区划、经纬度坐标、矿区概况等在内的相关信息，之后制定规范并编制成文档，最后将其空间可视化为矢量数据。笔者一共搜集了我国从2000-2020年内出现的519处露天煤矿(包括生产、在建、闭坑3种经营状态的露天煤矿，其中生产露天煤矿是指截至2020年底之前处于正常运营状态的露天煤矿，在建露天煤矿是指截至2020年底之前已核准开工建设未投产或暂定开发主体的新建露天煤矿，闭坑露天煤矿是指截至2020年底已经停产多年或闭坑且在遥感影像上有明显的历史遗留特征的露天煤矿)。我国主要露天煤矿地理空间分布如图1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 最近邻指数

最近邻指数(Nearest Neighbour Index) 是通过计算确定露天煤矿的聚集程度，其计算公式见式(1)[18]：

(1)

式中：R——露天煤矿最近邻指数；

DNN——露天煤矿最近邻点对的实际平均距离，km；

Dran——随机分布条件下露天煤矿近邻点对的理论平均距离，km；

n——常数，取519；

i——自然数，最大值为519；

min(di) ——任一露天煤矿点与其最近邻点间的距离，km；

N——露天煤矿总数量，取519；

A——研究区总面积，km2。

当R=1时，说明露天煤矿点分布为随机型分布；当R>1时，说明露天煤矿点分布趋于均匀分布；当R<1时，说明露天煤矿点分布趋于凝聚分布。

1.2.2 地理集中指数

地理集中指数是用来衡量露天煤矿分布的地理集中程度，其计算公式见式(2)：

(2)

式中：G——露天煤矿地理集中指数；

d——常数，取34；

a——自然数，最大值为34；

Xa——第a个省份所有的露天煤矿数量，座；

T——露天煤矿总数量，取519。

G的取值范围介于0～100之间，G越接近100，代表我国露天煤矿空间分布的地理集中程度越大，反之则空间分布越分散。

1.2.3 核密度分析

核密度分析主要是通过计算露天煤矿点要素在其周围邻域的密度从而体现出露天煤矿在空间分布的集聚情况和相对集中程度，其计算公式见式(3)：

(3)

式中：fh(x)——核密度；

h——距离阈值，km；

b——距离阈值范围内包含的露天煤矿空间实体数量，座；

c——自然数，最大值为b；

K()——核密度方程；

d(x,xi) ——两点之间的欧氏距离，km。

根据输入数据计算整个区域内露天煤矿点要素的聚集情况，fh(x)值越大，说明点分布越密集。

1.2.4 Cesium软件

Cesium是一款面向三维地球和地图的JavaScript开源软件产品，它提供了基于JavaScript语言的开发包，使用WebGL来进行硬件加速图形，使用时不需要任何插件支持，方便用户快速搭建一款零插件的虚拟地球Web应用，并在性能、精度、渲染质量以及多平台易用性上都有高质量的保证。与此同时，Cesium是基于Apche2.0许可的开源程序，可以用于商业和非商业用途。Cesium的功能极其强大，可以支持2D、2.5D、3D形式的地图展示，使用3D tiles格式流式加载各种不同的3D数据(倾斜摄影模型、三维建筑物、点云数据等)，同时支持基于时间轴的动态数据可视化和多种资源的图像图层(TMS、WMS、WMTS等图层)。基于上述优点，笔者通过Cesium开源引擎构建我国露天煤矿可视化系统。

2 我国露天煤矿空间分布特征

2.1 我国露天煤矿空间分布类型

通过计算最近邻指数得出露天煤矿实际最近邻距离为21.7 km，理论最近邻距离为103.4 km，即实际最近邻距离均值与理论最近邻距离均值之比R=0.209 8<1，说明我国露天煤矿空间分布类型为显著聚集分布。

2.2 我国露天煤矿空间分布均衡性

我国省(区)露天煤矿数量分布如图2所示。

图2 我国省(区)露天煤矿数量分布

通过计算得到我国露天煤矿地理集中指数为48.16。假设519座露天煤矿平均分布在我国34个省(区)，即每个省的露天煤矿数量为15.26座，通过计算得出地理集中指数为17.15，即均匀分布状态下的露天煤矿地理集中指数小于实际露天煤矿地理集中指数，可知我国露天煤矿在各省(区)的空间分布不均衡，具体分析如下。

(1)从省(区)角度分析，露天煤矿分布主要集中在内蒙古、新疆、陕西、山西、云南5个省(区)，其露天煤矿总数量约占全国露天煤矿总数量的83.82%。

(2)从地理方位角度分析，我国露天煤矿主要分布在北方，且多聚集在西北和华北地区，北方地区露天煤矿总数量约占全国的86.42%。

(3)从依据其经济发展水平划分的东中西部角度分析，我国露天煤矿主要分布在煤炭资源丰富但经济发展较慢的中部和西部地区，经济发展较快的东部沿海省份基本没有露天煤矿，中西部地区露天煤矿总数量约占全国的98.43%。

(4)从露天煤矿的运营状态角度分析，目前闭坑的露天煤矿绝大多数是中小型露天煤矿，而在建的露天煤矿基本都是大型及以上规模的露天煤矿。

(5)从不同开采露天煤矿规模角度分析，产能在20 Mt/a及其以上的开采特大型露天煤矿有6座位于内蒙古自治区，3座位于山西省，数量占全国的2.39%，产能占全国的25.68%；产能在大于等于4 Mt/a且小于20 Mt/a的开采大型露天煤矿共有44座，开采大型和特大型露天煤矿总数量虽只占全国的14.1%，但其总产能却占全国露天煤矿总产能的67.05%。

综合上述分析结果可知，我国露天煤矿的空间分布极不均衡，从总体上看表现出北密南稀、西中部多而东部少且主要集中于内蒙古、山西等5个省(区)的空间分布特征。

2.3 我国露天煤矿空间分布集聚特征

为了全面了解我国露天煤矿分布的连续变化和精确集聚中心，利用ArcGIS软件中核密度工具生成的我国主要露天煤矿核密度分布如图3所示。由图3可以看出，我国露天煤矿核密度值在不同地区呈现明显的差异，进一步分析如下。

图3 我国主要露天煤矿核密度分布

(1)山西省露天煤矿分布在空间上形成了1个高密度区、4个次级高密度区，且主要分在晋中和晋北地区。高密度区主要位于忻州市宁武原平矿区，次级高密度区则位于大同市的浑源矿区、朔州市的平朔矿区、阳泉市的盂县昔阳和顺矿区、横跨晋中吕梁两市的交口灵石矿区。

(2)内蒙古自治区作为我国的煤炭资源大省，在空间上形成了一个全国最高密度区、多个高密度区和多个次高级密度区。全国最高密度区是我国最大且横跨陕晋蒙的鄂尔多斯露天煤田。其它集聚区则主要分布于呼伦贝尔市的扎赉诺尔矿区、宝日希勒矿区、大雁矿区和伊敏矿区，锡林郭勒盟的贺斯格乌拉矿区、农乃庙矿区、白音华矿区、吉林郭勒矿区、胜利矿区、玛尼图矿区和白音乌拉矿区，通辽市的霍林河矿区，包头市的大青山石拐矿区，鄂尔多斯市的准格尔矿区和神东矿区，乌海市的乌海矿区，阿拉善盟温都尔勒图镇矿区和西大窑唐家沟地区。

(3)新疆维吾尔自治区作为我国西部煤炭资源勘探与开发的重点地区，目前已经形成了多个煤炭露天开采集聚区。目前新疆绝大多数露天煤矿主要分布在新疆的北部，具体有伊犁伊宁矿区、五彩湾矿区、将军庙矿区、大井矿区、西黑山矿区、老君庙矿区、北塔山矿区、巴里坤矿区、三塘湖矿区、淖毛湖矿区等诸多国家规划矿区。

(4)云南省露天煤矿分布主要形成了3个集聚区，分别是先锋宜良矿区、小龙潭矿区和跨竹矿区，其他露天煤矿则零星分布在云南省各地。

(5)从全国整体上看，我国露天煤矿分布形成了鄂尔多斯露天煤田唯一大规模高密度聚集区和以国家矿区和地方矿区为主的多个小规模高密度聚集区，聚集区域呈现“开发显著集中，大型露天煤田独占鳌头，国家规划矿区和地方矿区并存”的空间分布格局。

3 露天煤矿可视化平台设计

3.1 框架设计

随着GIS的发展，其作为高效、集成、可视化的空间信息表达和空间分析平台，当前正走向完全Web化，涌现了以Cesium为首的开源引擎利用Web端技术开发的地理信息平台，大大提高了平台的开放程度[21]。本平台的设计目标主要是开发一套用于露天煤矿专题数据展示的WebGIS平台，其架构设计如图4所示。

图4 露天煤矿可视化平台架构

基于WebGIS的露天煤矿可视化平台开发主要有数据准备与发布、网页开发与发布2个阶段。本平台露天煤矿专题数据包括基础地理矢量数据、我国露天煤矿点和面矢量数据以及对应的虚拟地球遥感影像。数据预处理主要包括shp格式的矢量数据转换成GeoJSON格式的矢量文件以及遥感影像切片2项准备工作，在完成之后将其存储在静态工作文件夹中，并将影像切片通过Cesiumlab云平台发布为TMS服务。在网页开发与发布阶段，首先需要搭建开发环境，包括Ceisum开发平台安装、Webstorm编译器安装以及Node本地Web服务器部署。本平台开发主要采用JetBrains公司的Webstorm脚本编译器去进行网页前端开发，在此期间会调用Cesium.JS开源库的接口，并通过火狐浏览器测试效果，在开发完成整体的网页内容后使用Node.js发布。根据功能层级的不同，将平台分为以下3个层次。

(1)用户端。用户端是指利用Ceisum开源JavaScript库和Vue渐进式框架构建了三维虚拟地球场景，表现为系统以网页的形式能在各个浏览器端展示，其中Vue负责网站页面的UI设计、用户操作、界面交互等功能，Cesium则负责可视化引擎、数据请求、底层渲染、数据分析等功能实现。将用户端模块分为2个方面，一是三维场景的显示，能实现各种矢量数据和时序影像数据的加载及其它可视化效果的呈现；二是用户与网页交互，包括但不限于通过虚拟地球随意浏览、通过查询功能直接定位目标露天煤矿、通过评论功能发表自己对目标露天煤矿的看法等一系列交互式功能。

(2)服务端。服务端是连接用户端与数据存储端的桥梁，主要作用在于通过服务器的监听端口接受来自客户端的不同HTPP请求，并根据这些请求完成不同的操作并响应给用户，包括提供各种OGC标准地图服务、复杂的计算工作、数据库操作等内容。

(3)数据存储端。数据存储端主要负责对用户端的需求数据进行存储，采用GeoJSON数据格式将露天煤矿点和面矢量数据以及属性信息存储于Web服务器静态工作文件夹中，而遥感影像则通过影像切片的方式将输出的散列格式文件也存储于静态工作文件夹中。

3.2 功能实现

露天煤矿可视化平台界面设计应该风格简约，功能区域显示突出，符合GIS用户的操作习惯。平台界面主要由图层管理区、三维虚拟地球显示区以及子功能区组成。

3.2.1 图层管理区

图层管理区可以将我国省级行政边界、我国露天煤矿点和面等多种矢量数据添加到平台中，并能对其进行显示或隐藏图层。在单个图层下，可以对露天煤矿的经营状态等数据进行特定的显示或隐藏，从而更好的对需求数据进行浏览。

3.2.2 三维虚拟地球显示区

三维虚拟地球显示区的初始化地图默认为ArcGIS在线影像地图，并叠加了天地图注记图层。此外可以任意旋转、放大、缩小三维虚拟地球，并能放大到某一个具体露天煤矿查看其周围的地理环境，通过“单击”矢量点或矢量面可以查看其具体属性信息，包括该露天煤矿官方名称、简称、所在省市、地理位置、经纬度坐标、经营状态、生产规模、矿区概况等信息，同时在显示区底部提供了实时的经纬度坐标和海拔高程。此外，还可以“双击”矢量点或矢量面显示时间滑块工具，利用多期时序虚拟地球历史影像观察分析某露天煤矿的开发情况和排土场复垦情况。

3.2.3 子功能区

子功能区主要包括查询栏、评论栏、地图更换等功能。

(1)查询栏。在露天煤矿可视化平台界面左上角的查询栏里，输入露天煤矿官方名称或简称就可以定位到目标区域。比如在查询栏输入“安太堡”简称或者“中煤平朔集团”官方名称，下面的搜索结果就分别显示了“安太堡矿”和“中煤平朔集团有限公司安太堡露天矿”，点击它就可以直接定位到山西朔州市平鲁区的安太堡露天煤矿。

(2)评论栏。在露天煤矿可视化平台界面右上角的评论栏里，输入内容并点击“确定”可以进行信息发布，并通过后台保存到数据库中。评论功能是想让用户留下对该露天煤矿的评价，包括但不限于对露天煤矿的历史背景、采矿工艺等信息进行补充，促进信息交流。

(3)地图更换栏。本平台还提供了Open Street Map、Web Map Tile Service、Bing Map等多种标准地图服务，并支持它们之间的任意切换，用户可根据自己的需求去更换地图。

4 结语

为了了解我国露天煤矿的分布和开发情况，优化我国露天煤矿生产开发布局、生态环境修复以及高质量发展，对我国露天煤矿的空间分布特征及其可视化平台进行了研究，通过GIS空间统计分析方法分析了我国主要露天煤矿的空间分布特征，并在此基础上构建了基于Cesium开源引擎的露天煤矿可视化系统。目前，露天煤矿可视化平台主要面向露天煤矿专题数据，功能虽有特色但较为单一，在未来还需要形成集数据采集、存储、展示、分析等一体化的面向公众和政务人员的露天煤矿动态监测在线服务系统。