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摘要：

開(kāi)展礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃功能分區(qū)研究，對(duì)進(jìn)行差別化管理政策的制定、空間分區(qū)管理有理論和實(shí)踐意義。在分析礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以資源條件、開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)、生態(tài)條件、區(qū)域經(jīng)濟(jì)潛能為準(zhǔn)則層的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃的指標(biāo)體系和分區(qū)體系。分析和討論了礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分區(qū)方法，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)甘肅省礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃進(jìn)行分類研究，將甘肅省劃分為重點(diǎn)發(fā)展、一般發(fā)展、限制發(fā)展和禁止發(fā)展4類功能區(qū)。結(jié)果表明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果符合實(shí)際，是對(duì)傳統(tǒng)區(qū)劃方法的重要補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：

綜合區(qū)劃；礦產(chǎn)資源；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；功能分區(qū)

區(qū)劃是從區(qū)域角度觀察和研究地域綜合體，探討區(qū)域單元的形成發(fā)展、分異組合、劃分合并和相互聯(lián)系，是對(duì)過(guò)程和類型綜合研究的概括和總結(jié)[1]。綜合區(qū)劃是人與環(huán)境系統(tǒng)研究對(duì)可持續(xù)發(fā)展的重大理論貢獻(xiàn)[2]，是當(dāng)前地域系統(tǒng)研究和全球環(huán)境變化人文因素研究的熱點(diǎn)[3,4]，不同部門綜合區(qū)劃研究也取得很多理論成果[5-9]。第三輪礦產(chǎn)資源規(guī)劃編制要求開(kāi)展礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)、開(kāi)發(fā)條件、生態(tài)約束、區(qū)域發(fā)展需求等各因素整合起來(lái)的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃研究，為分區(qū)規(guī)劃、分類指導(dǎo)礦產(chǎn)資源勘查、開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)，為礦產(chǎn)資源規(guī)劃編制提供理論依據(jù)。楊博等[10,11]已對(duì)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃的概念內(nèi)涵、區(qū)劃體系、劃分方法等作了大量研究，提出了較重要的理論成果。候華麗等[12]將礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃體系劃分為兩級(jí)，一級(jí)為地域分區(qū)，二級(jí)為功能分區(qū)。并認(rèn)為二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系應(yīng)包含礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)條件、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)條件、生態(tài)條件、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等綜合性指標(biāo)。本文擬探討礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系、分區(qū)方法，并以縣區(qū)為基本單位，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開(kāi)展甘肅省礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃功能分區(qū)研究，為豐富和拓展區(qū)劃的方法和途徑，并為礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃分區(qū)研究和礦產(chǎn)資源規(guī)劃提供理論依據(jù)和實(shí)證參考。

1礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系與分區(qū)體系

1.1礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系

綜合考慮礦產(chǎn)資源勘查、開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)全過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)其受到資源因素、環(huán)境因素、社會(huì)因素、經(jīng)濟(jì)因素等四個(gè)方面的影響。基于這些影響因素，在遵循全面性與可操作性、數(shù)據(jù)可獲得性與可對(duì)比性、系統(tǒng)性和導(dǎo)向性等原則基礎(chǔ)上，構(gòu)建礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域劃分。其中目標(biāo)層為礦產(chǎn)資源合理開(kāi)發(fā)與區(qū)劃可持續(xù)發(fā)展，準(zhǔn)則層包括礦產(chǎn)資源條件、開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)、生態(tài)條件和區(qū)域經(jīng)濟(jì)潛能等四個(gè)方面。準(zhǔn)則層又由若干指標(biāo)組成（表1）。

1.2礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分區(qū)體系

依據(jù)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃的定義，以及礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃指標(biāo)體系，按照區(qū)劃的目標(biāo)和功能，劃分礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃體系。根據(jù)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃影響因素指標(biāo)分析，可以知道礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)為綜合區(qū)劃核心要素，其他如開(kāi)發(fā)條件、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素是綜合區(qū)劃的重要影響因素，而生態(tài)條件礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃約束性因素。因此，本文認(rèn)為礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)區(qū)劃應(yīng)該包含重點(diǎn)發(fā)展、禁止開(kāi)發(fā)、限制發(fā)展、一般發(fā)展等四種類型區(qū)，其中一般發(fā)展區(qū)為其他三類發(fā)展區(qū)的補(bǔ)充，不單獨(dú)劃分。因此，礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)可劃分為：礦產(chǎn)資源重點(diǎn)發(fā)展區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)（禁止開(kāi)發(fā)區(qū)）、限制發(fā)展區(qū)和一般發(fā)展區(qū)。

2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃功能分區(qū)

2.1礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分區(qū)方法

礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃受自然、社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的綜合影響，影響因子多，難以提取主要因子，同時(shí)不同因子之間又存在一定相關(guān)性，且每個(gè)因子貢獻(xiàn)率也不同，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃難以劃分。現(xiàn)有比較常見(jiàn)的區(qū)劃分析方法有：主導(dǎo)標(biāo)志法、相關(guān)分析法、專家集成定性分析法、最終分類評(píng)價(jià)矩陣分類法[13]，逐步歸并模型定量法等[14]。朱傳耿等[15]采用最終分類評(píng)價(jià)矩陣分類法對(duì)地域主體功能區(qū)劃進(jìn)行實(shí)證研究，取得良好的成果，是目前常用的地域功能識(shí)別和劃分方法方法。劉玉邦[16]等運(yùn)用主成分與聚類分析方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源高效利用綜合分區(qū)，這種方法可以避免人為的主觀確定因子的權(quán)值，同時(shí)可以消除不同因子之間的相關(guān)性干擾，但此方法也易受影響[17]，導(dǎo)致聚類中心偏移。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在區(qū)域劃分中取得了很好地效果[18-23]，但表1礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃指標(biāo)體系目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層具體指標(biāo)礦產(chǎn)資源合理開(kāi)發(fā)與區(qū)劃可持續(xù)發(fā)展資源條件基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率查明資源儲(chǔ)量大中型礦產(chǎn)地年度開(kāi)采總量大中型礦山數(shù)量基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率基礎(chǔ)儲(chǔ)量資源量大型礦產(chǎn)地中型礦產(chǎn)地年度開(kāi)采總量大型礦山數(shù)量中型礦山數(shù)量開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)可利用土地資源可利用水資源交通優(yōu)勢(shì)度適宜建設(shè)用地率可利用水資源潛力交通密度交通干線交通樞紐生態(tài)條件生態(tài)重要性生態(tài)脆弱性生物多樣性保護(hù)重要性水源涵養(yǎng)重要性土壤保持重要性防風(fēng)固沙重要性地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性礦山地質(zhì)環(huán)境影響性水土流失易發(fā)性森林覆蓋率區(qū)域經(jīng)濟(jì)潛能工業(yè)化階段礦業(yè)所占比重三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu)人均GDP礦業(yè)經(jīng)濟(jì)占GDP比重目前應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行庫(kù)上次資源綜合區(qū)劃分區(qū)的案例還未見(jiàn)報(bào)道。本文擬選取產(chǎn)資源條件、開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)、生態(tài)條件和區(qū)域經(jīng)濟(jì)潛能等指標(biāo)層和指標(biāo)因子，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，進(jìn)行礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分區(qū)劃分，目的在于探索實(shí)踐定量途徑在區(qū)劃劃分中的應(yīng)用，拓展區(qū)劃的方法和途徑。

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其理論基礎(chǔ)

2.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的研究工作始于上世紀(jì)中頁(yè)，McMulloch和Pitts首先提出神經(jīng)元的形式化模型[24]，并進(jìn)行邏輯函數(shù)運(yùn)算，開(kāi)啟了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論研究。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用研究在數(shù)學(xué)和工程學(xué)方面取得了豐碩的成果，產(chǎn)生出了諸如向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等30多種不同類型、結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些模型又大致分為三類：前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以BP網(wǎng)絡(luò)為典型代表），反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以Hopfidld網(wǎng)絡(luò)為典型代表）以及自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以SOFM網(wǎng)絡(luò)為典型代表）。從系統(tǒng)角度來(lái)看，BP最適合解決分類問(wèn)題，因?yàn)榉诸悊?wèn)題可視為分析計(jì)算靜態(tài)的非線性映射f，BP這種前向網(wǎng)絡(luò)通過(guò)非線性處理能力可較好的逼近映射f。

2.2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的理論分析

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于BP算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法成熟，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。BP算法通過(guò)輸入、輸出數(shù)據(jù)樣本集，根據(jù)誤差反向傳遞的原理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其學(xué)習(xí)過(guò)程包括信息的正向傳播過(guò)程以及誤差的反向傳播這兩個(gè)過(guò)程，對(duì)其反復(fù)訓(xùn)練，連續(xù)不斷地在相對(duì)誤差函數(shù)梯度下降的方向上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差的變化進(jìn)行計(jì)算，逐漸逼近目標(biāo)。典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)輸入層、至少一個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層組成[25]（圖1）。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬預(yù)測(cè)過(guò)程由以下四個(gè)階段組成：（1）模式順傳播過(guò)程；（2）誤差逆?zhèn)鞑ミ^(guò)程；（3）記憶訓(xùn)練過(guò)程；（4）學(xué)習(xí)收斂過(guò)程。最終形成模擬預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類步驟

2.3.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

指標(biāo)因子輸入。在輸入層輸入指標(biāo)因子，本文將12個(gè)指標(biāo)層因子列為指標(biāo)因子，即基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率、查明資源儲(chǔ)量、大中型礦產(chǎn)地、年度開(kāi)采總量、大中型礦山數(shù)量、可利用土地資源、可利用水資源、交通優(yōu)勢(shì)度、生態(tài)重要性、生態(tài)脆弱性、工業(yè)化階段、礦業(yè)所占比重等。隱含層。進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)，隱層數(shù)的確定至關(guān)重要。隱層數(shù)沒(méi)有強(qiáng)制的規(guī)定，隱層數(shù)越多，模型識(shí)別訓(xùn)練樣本的差異性越好，但計(jì)算機(jī)運(yùn)行的中間過(guò)程越復(fù)雜，耗時(shí)越多，對(duì)于檢驗(yàn)樣本誤差可能會(huì)增大。所以一般原則是：隱層數(shù)小于訓(xùn)練樣本數(shù)的前提下，達(dá)到精度要求時(shí)的隱層數(shù)越少越好，本文將隱含層也設(shè)為12層。輸出層。輸出層根據(jù)研究目的而確定，筆者以農(nóng)用地的土地適宜性為輸出層。在BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每層都是用數(shù)值來(lái)刻畫(huà)，而農(nóng)用地適宜性只是一個(gè)概念性的模型，因此筆者將概念模型用數(shù)值進(jìn)行刻畫(huà)。根據(jù)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分區(qū)體系，綜合礦產(chǎn)資源不同功能分區(qū)，即開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、限制性強(qiáng)度和生態(tài)保護(hù)能力的高低，將二級(jí)區(qū)劃開(kāi)發(fā)適宜性分為4等，4為高度適宜，3為較適宜，2為一般適宜，1為不適宜。

2.3.2訓(xùn)練樣品的選取

根據(jù)甘肅省實(shí)際，結(jié)合專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，確定14個(gè)市州的12個(gè)指標(biāo)層形成的二級(jí)區(qū)劃開(kāi)發(fā)適宜性指標(biāo)作為訓(xùn)練樣本，即給定14個(gè)市州二級(jí)區(qū)劃開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)分，作為實(shí)際建模選擇的樣本。

2.4研究實(shí)例

2.4.1數(shù)據(jù)分析與處理

本研究以甘肅省為對(duì)象展開(kāi)實(shí)證分析，以縣區(qū)為基本單位進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理，主要針對(duì)二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)層指標(biāo)逐一收集，數(shù)據(jù)資源主要來(lái)源于《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒2013年》、《2013年甘肅省國(guó)土資源公報(bào)》等。主要針對(duì)指標(biāo)層數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一分析說(shuō)明：基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率：引用2013年甘肅省已完成的1：5萬(wàn)礦產(chǎn)遠(yuǎn)景調(diào)查圖幅和面積，并與相關(guān)縣域國(guó)土面積相比，得出各縣的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率；各縣查明資源儲(chǔ)量、大中型礦產(chǎn)地、年度開(kāi)采總量、大中型礦山數(shù)量引用2013年礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量年報(bào)數(shù)據(jù)；可利用土地資源引用2008年土地總體利用規(guī)劃數(shù)據(jù)；可利用水資源引用2013年甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)；各縣區(qū)交通優(yōu)勢(shì)度采用金鳳君[26]等計(jì)算方法，依據(jù)甘肅省2013年鐵路、公路網(wǎng)地理圖屬性數(shù)據(jù)計(jì)算得到；各縣區(qū)生態(tài)重要性和生態(tài)脆弱性指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省生態(tài)功能區(qū)劃；各縣區(qū)工業(yè)化階段和礦業(yè)所占比重來(lái)源于2013年甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃指標(biāo)體系包括4項(xiàng)準(zhǔn)則層，12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)，每項(xiàng)指標(biāo)都有不同的量綱單位，若要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)，就必須要消除量綱的影響，進(jìn)行無(wú)量綱化處理[27]。

2.4.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

在Matlab平臺(tái)下，首先錄入訓(xùn)練樣本，即14個(gè)市州的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，進(jìn)而錄入其他各縣的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)，使用newff函數(shù)創(chuàng)建級(jí)聯(lián)前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層和輸出層的神經(jīng)元采用tansig傳遞函數(shù)，隱含層與輸出層采用purelin函數(shù)，訓(xùn)練算法為trainlm。采取的訓(xùn)練精度設(shè)置為0.001。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

2.4.3結(jié)果分析

從圖2可得，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果的空間聚集性較高，基本反映了甘肅省礦產(chǎn)資源分布的區(qū)域特征。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果為4類區(qū)域。第一類為礦產(chǎn)資源重點(diǎn)發(fā)展區(qū)，第二類為礦產(chǎn)資源一般發(fā)展區(qū)，第三類為礦產(chǎn)資源限制發(fā)展區(qū)，第四類為生態(tài)保護(hù)區(qū)（禁止開(kāi)發(fā)區(qū)）。每一類發(fā)展區(qū)都包括若干縣區(qū)，每類發(fā)展區(qū)與所保護(hù)的縣區(qū)都有很強(qiáng)的相關(guān)性，如重點(diǎn)發(fā)展區(qū)包含：金川區(qū)、平川區(qū)、崇信縣、華亭縣等4個(gè)縣區(qū)，這些縣都是礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量豐富，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度高，礦業(yè)產(chǎn)值高的地區(qū)；限制發(fā)展區(qū)大都為礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量較為匱乏，或者開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)條件較差，不適宜大規(guī)模進(jìn)行礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的地區(qū)；生態(tài)保護(hù)區(qū)（禁止開(kāi)發(fā)區(qū)）如卓尼縣、舟曲縣、碌曲縣、肅南縣等，大都位于自然保護(hù)區(qū)，不適宜進(jìn)行礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)。

3討論

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分區(qū)，你搞過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果和驗(yàn)證分析，結(jié)果表明模型的建立與選擇是符合實(shí)際的，且有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠快速把握區(qū)域的分異特點(diǎn)，進(jìn)行大范圍的區(qū)劃工作；（2）BP網(wǎng)絡(luò)模型可以避免聚類分析的噪音影響帶來(lái)的評(píng)價(jià)誤差；（3）與專家經(jīng)驗(yàn)集成的區(qū)劃方法相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法更加客觀。但也有需要完善的地方，如典型樣本（訓(xùn)練樣本）的選擇上，有一定的主觀性；只進(jìn)行了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的分類研究，研究論證不夠全面等等。但總體上，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級(jí)區(qū)劃分具有劃分層次明顯、區(qū)域分割清晰、客觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)區(qū)劃方法的重要補(bǔ)充。在未來(lái)的工作中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)因子選擇、典型樣本選取方法研究，同時(shí)要運(yùn)用多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開(kāi)展分區(qū)研究，通過(guò)對(duì)不同方法的對(duì)比分析，總結(jié)出最優(yōu)區(qū)劃方案。

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作者：楊博 呂新彪 魏彥芳 單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院 甘肅省國(guó)土資源廳 甘肅煤炭地質(zhì)勘查院