遙感技術(shù)在礦區(qū)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用

白 璐

（神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司 北京 102211）

隨著航空航天對(duì)地觀測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電磁波信息傳輸技術(shù)等的深入研究，遙感技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在實(shí)用化方向上邁出了重要的一步，并被廣泛應(yīng)用于各種國(guó)土資源調(diào)查與環(huán)境調(diào)查與研究中。本次研究選用分辨率為1.5m的神東礦區(qū)2014年SPOT6影像數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互與計(jì)算機(jī)自動(dòng)信息提取相結(jié)合的方法，對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行遙感解譯與反演，調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦區(qū)主要的環(huán)境問(wèn)題并作分析研究。

1 工作區(qū)概況

神東礦區(qū)位于晉、陜、蒙三省區(qū)接壤地區(qū)，地處黃土高原丘陵區(qū)和毛烏素沙地的過(guò)渡地帶,是黃河中上游風(fēng)蝕沙化和水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。神東礦區(qū)總體規(guī)劃范圍的地理坐標(biāo)是：北緯38°52′～39°41′，東經(jīng)109°51′～110°46′，南北長(zhǎng)38km～90km，東西寬35km～55km，面積約3522km2，保有地質(zhì)儲(chǔ)量3492.03Mt。礦區(qū)總體地形呈西北高、東南低，海拔標(biāo)高一般在1000m～1300m左右，平均海拔1200m左右。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，其基本特征是冬季寒冷，春季多風(fēng)、夏短暑熱、秋季涼爽、溫差懸殊；干旱少雨，降水集中，冬春干旱，夏多暴雨；大風(fēng)頻繁，氣象災(zāi)害較多。礦區(qū)內(nèi)主要河流為烏蘭木倫河及窟野河，土壤主要有風(fēng)沙土、栗鈣土等。

在建設(shè)初期，神東礦區(qū)風(fēng)蝕區(qū)面積占70%，平均植被覆蓋率僅為3%～11%。1985年，礦區(qū)開(kāi)采之初，就提出了“建設(shè)一流的能源企業(yè)，必須有一流的生態(tài)環(huán)境”的開(kāi)發(fā)思想，之后又提出“3圈”的防治模式，即采取外圍防護(hù)圈、周邊常綠圈和中心美化圈三個(gè)空間層次進(jìn)行綜合防治。30年來(lái)，神東礦區(qū)堅(jiān)持資源開(kāi)發(fā)與水土保持并重，不斷創(chuàng)新環(huán)保管理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)，大力實(shí)施水土保持工程，累計(jì)投入治理資金13億元，建成了讓世人驚嘆的“綠洲煤都”。地區(qū)經(jīng)濟(jì)隨著煤炭開(kāi)發(fā)和煤化工產(chǎn)業(yè)建設(shè)飛速發(fā)展，目前在陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)均屬經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū)。

2 環(huán)境質(zhì)量因子信息提取與調(diào)查驗(yàn)證

根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況，確定能夠反映礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量因子的種類，充分利用遙感技術(shù)提取不同層面的專題數(shù)據(jù)，包括：土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕、土地復(fù)墾、土地沙漠化、地裂縫、地面塌陷、滑坡等直接影響環(huán)境質(zhì)量的因子，從全空間區(qū)域了解這些基本要素的狀況，同時(shí)利用野外調(diào)查驗(yàn)證、區(qū)域環(huán)境地質(zhì)資料的收集，彌補(bǔ)地質(zhì)環(huán)境信息的不足，利用DEM高程數(shù)據(jù)，分析地形地貌環(huán)境，為環(huán)境影響評(píng)估與預(yù)防治理對(duì)策提供依據(jù)。

2.1 遙感圖像處理

具體包括影像波段選擇、配準(zhǔn)與融合、糾正、勻光與調(diào)色、鑲嵌拼接、礦區(qū)DOM裁切等。

2.1.1 影像合成

根據(jù)所要提取的地物光譜響應(yīng)特征及SPOT6影像特征，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)使用SPOT6的3（紅波段）＋4（近紅外波段）＋1（藍(lán)波段）波段進(jìn)行RGB合成，其紋理和色彩效果更有助于解譯。

2.1.2 影像幾何糾正

(1）糾正模型選擇。目前的正射糾正方法主要是利用遙感圖像處理軟件（如PCI、ERDAS等）的正射糾正功能模塊，采用嚴(yán)格物理模型或有理函數(shù)模型，結(jié)合糾正控制資料和DEM來(lái)進(jìn)行正射糾正。根據(jù)不同的遙感影像的具體情況，采用不同的模型糾正方法。對(duì)于能夠提供衛(wèi)星嚴(yán)格軌道模型的數(shù)據(jù)，采用嚴(yán)格物理模型，例如SPOT6、QB、WV；對(duì)于沒(méi)有提供衛(wèi)星嚴(yán)格軌道模型數(shù)據(jù)的影像，采用多項(xiàng)式糾正方法。（2）控制點(diǎn)選取。為保障糾正精度，對(duì)控制點(diǎn)選取根據(jù)不同糾正模型：衛(wèi)星提供的輔助數(shù)據(jù)可建立嚴(yán)密的物理模型，該模型只需9個(gè)控制點(diǎn)；對(duì)于有理多項(xiàng)式模型，一般每景要求不少于30個(gè)控制點(diǎn)，困難地區(qū)適當(dāng)增加點(diǎn)位。（3）精度要求。按規(guī)范要求，平地、丘陵地配準(zhǔn)控制點(diǎn)殘差不大于1個(gè)像素，山地、高山地配準(zhǔn)控制點(diǎn)殘差不大于2個(gè)像素，全色與多光譜影像不同步或不同源時(shí)，限差放寬0.5倍。（4）采樣方式。影像的重采樣間隔為原始影像的像元大小，重采樣方法采用雙線性內(nèi)插或三次卷積內(nèi)插法，配準(zhǔn)后的影像保留原始影像的波段數(shù)目及順序。

2.1.3 遙感數(shù)據(jù)融合

融合影像主要用于信息的提取，因此原始數(shù)據(jù)的處理不得產(chǎn)生光譜扭曲，以利于建立解譯標(biāo)志，減少判讀的不確定因素。目前，遙感影像融合的方法有百余種，其中較為常用的融合方法主要包括以下幾種：IHS變換、主成分分析（PCA）、Brovey變換融合、基于小波理論特征的融合（Pansharp融合方法）等。

2.1.4 融合后影像勻光與調(diào)色

融合后影像亮度偏低、灰階較窄，采用線性拉伸、亮度對(duì)比度、色彩平衡、色度、飽和度和明暗度調(diào)整等方法進(jìn)行色調(diào)調(diào)整。色調(diào)調(diào)整時(shí)保留了多光譜影像的光譜信息和全色影像的紋理細(xì)節(jié)，有利于變化信息分析。對(duì)整個(gè)工作區(qū)內(nèi)各景融合影像進(jìn)行了色調(diào)歸一調(diào)整，保證整個(gè)工作區(qū)的影像數(shù)據(jù)色調(diào)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.1.5 鑲嵌拼接

（1）鑲嵌線選取。鑲嵌線盡量選取線狀地物或地塊邊界等明顯分界線，使鑲嵌影像中的拼縫盡可能地消除，不同時(shí)相影像鑲嵌時(shí)保證同一地塊完整，有利于判讀。鑲嵌后影像避開(kāi)了云、霧、雪及其他質(zhì)量相對(duì)較差的區(qū)域，使鑲嵌處無(wú)裂縫、模糊、重影現(xiàn)象。（2）鑲嵌。對(duì)重疊精度滿足要求的相同采樣間隔糾正后影像進(jìn)行鑲嵌。當(dāng)相鄰兩景影像時(shí)相或質(zhì)量相差不大時(shí)，保持影像紋理、色彩自然過(guò)渡；時(shí)相差距較大、地物特征差異明顯時(shí)，保持各自的紋理和色彩，但同一地塊內(nèi)光譜特征保持一致。

2.1.6 礦區(qū)底圖裁切

按礦區(qū)范圍界線對(duì)鑲嵌后DOM進(jìn)行裁切，范圍為礦區(qū)范圍界線外擴(kuò)1km范圍，沿最小外接矩形裁切，形成礦區(qū)內(nèi)不同采樣間隔分別鑲嵌后若干獨(dú)立的IMG文件。礦區(qū)范圍界線外擴(kuò)1km至最小外接矩形之間的區(qū)域填充黑色（RGB值為：0，0，0或全色灰度值0）。

2.2 環(huán)境質(zhì)量因子信息提取

2.2.1 土地利用

對(duì)區(qū)內(nèi)土地覆蓋現(xiàn)狀、采礦活動(dòng)用地等要素進(jìn)行解譯，建立居民點(diǎn)、工礦建筑用地、林地、耕地、草地、沙地、裸地、河流水面、灘地等類型用地的解譯標(biāo)志，確定其分布位置、范圍和面積。其中重點(diǎn)解譯由于采礦活動(dòng)引起的采掘場(chǎng)、堆煤場(chǎng)、煤矸石、棄土棄渣等的堆積位置、堆積范圍和占?jí)好娣e。

2.2.2 植被覆蓋

區(qū)內(nèi)植被類型比較單一，生長(zhǎng)較差，各地覆蓋度差別較大，主要以沙生植被為主。在對(duì)區(qū)內(nèi)典型植被建立解譯標(biāo)志，包括有林地、灌木林、未成林造林地、疏林地、宜林荒地、農(nóng)地、草地、無(wú)植被。首先將農(nóng)田植被與其它植被分開(kāi)，然后再對(duì)其它植被進(jìn)行目視解譯。

植被覆蓋度是指植物群落總體或個(gè)體的地上部份的垂直投影面積與樣方面積的百分比。植被覆蓋度的測(cè)量可分為地面測(cè)量和遙感測(cè)算兩種方法。地面測(cè)量常用于田間尺度，遙感測(cè)算常用于區(qū)域尺度。以SPOT6數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）模型，利用專業(yè)圖像處理軟件，對(duì)礦區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行遙感定量反演。參照“HJ/192-2006生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將礦區(qū)植被覆蓋度依據(jù)百分比，劃分為高、中高、中、低、極低植被覆蓋度五個(gè)等級(jí)。

2.2.3 土壤侵蝕

以SPOT6圖像為信息源，解譯地形地貌、土地類型、植被覆蓋度，同時(shí)獲取本區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，以坡度、非耕地植被覆蓋度和坡耕地三個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，依托ArcGIS軟件的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能，進(jìn)行煤礦土壤侵蝕強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)。按水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)，將本區(qū)土壤侵蝕劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈五個(gè)等級(jí)。

2.2.4 土地復(fù)墾

區(qū)內(nèi)礦方對(duì)部分采掘場(chǎng)、排矸場(chǎng)、排土場(chǎng)等完成土地復(fù)墾。在遙感影像上，經(jīng)綠化復(fù)墾的排矸場(chǎng)、排土場(chǎng)在色調(diào)、影紋結(jié)構(gòu)上與周圍地域有較為明顯的差異。土地復(fù)墾主要有兩種方式，包括種樹種草與檸條等灌木壓蓋。從影像解譯可以獲取工業(yè)場(chǎng)地、排土（矸）場(chǎng)土地復(fù)墾的方式、面積等信息。

2.2.5 土地沙漠化

以2014年1:1萬(wàn)SPOT6圖像為主要信息源，以2008年ALOS圖像，和2012年航片作為輔助信息，以流沙覆蓋率和植被覆蓋度為直接解譯標(biāo)志，以水系和影紋特征作為間接解譯標(biāo)志，對(duì)土地沙漠化進(jìn)行遙感解譯。

2.2.6 地裂縫

以SPOT6圖像為信息源，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)較大的地裂縫，確定其位置、范圍與走向。對(duì)于區(qū)內(nèi)較小裂縫，通過(guò)影像不能識(shí)別，需要野外調(diào)查補(bǔ)充測(cè)量。

2.2.7 地面塌陷

區(qū)內(nèi)地面塌陷往往與地裂縫相伴而生。以SPOT6圖像為信息源，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)較大的漏斗型塌陷坑，它是井下發(fā)生突水潰沙或井下煤層自燃后在地面形成的凹形坑。地面漏斗在SPOT6遙感影像上顯示為較圓的負(fù)地形，多數(shù)情況下為成群體分布。對(duì)于區(qū)內(nèi)由于采礦引起的地面沉降等大面積地面變形，通過(guò)影像無(wú)法識(shí)別，需要現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充測(cè)量。

2.2.8 滑坡

礦區(qū)屬于黃土高原丘陵地貌，區(qū)內(nèi)滑坡較為發(fā)育。通過(guò)對(duì)SPOT6影像的解譯，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)大中型滑坡，可以確定其位置、范圍，估算出滑坡體體積。對(duì)于小型滑坡，SPOT6影像無(wú)法識(shí)別，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量。

2.3 野外調(diào)查驗(yàn)證

為保證室內(nèi)遙感解譯成果的可靠性和準(zhǔn)確性，對(duì)于室內(nèi)遙感解譯工作中無(wú)法解決的或存在疑問(wèn)的問(wèn)題，需要有重點(diǎn)地安排野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證工作。外業(yè)觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)路線的布置視室內(nèi)遙感解譯情況來(lái)確定。

野外驗(yàn)證工作中，使用1:50000地形圖和遙感影像作為工作手圖，利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行，采取點(diǎn)、線、面相結(jié)合，一般性觀察與重點(diǎn)剖析相結(jié)合，專題調(diào)查與走訪相結(jié)合的方式方法，爭(zhēng)取吸收礦區(qū)相關(guān)技術(shù)人員參與調(diào)查工作。

對(duì)每一觀測(cè)點(diǎn)要認(rèn)真詳實(shí)填寫外業(yè)觀測(cè)記錄表格，對(duì)實(shí)地情況做出詳細(xì)描述，并配以現(xiàn)場(chǎng)照相記錄，建立完整的外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)檔案。

同時(shí)對(duì)遙感影像解譯當(dāng)中需要采集的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)充測(cè)量。

2.3.1 驗(yàn)證內(nèi)容

外業(yè)調(diào)查的主要內(nèi)容包括補(bǔ)充收集各類短缺資料、修正圖面上有關(guān)界線和注記、核實(shí)內(nèi)業(yè)提取信息和補(bǔ)充可能遺漏信息等，具體內(nèi)容如下：（1）核實(shí)室內(nèi)解譯圖斑屬性與實(shí)際的一致性；（2）驗(yàn)證室內(nèi)解譯不確定其屬性的圖斑；（3）觀測(cè)重要地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的具體數(shù)據(jù)；（4）核查前人資料的現(xiàn)實(shí)性；（5）其他地質(zhì)環(huán)境相關(guān)資料。

2.3.2 驗(yàn)證方法

（1）補(bǔ)充收集前期可能遺漏的有關(guān)資料；（2）外業(yè)實(shí)地觀測(cè)；（3）詢問(wèn)。對(duì)于個(gè)別由于交通不便等原因而無(wú)法觀測(cè)的解譯圖斑，通過(guò)與煤礦相關(guān)技術(shù)人員采取面對(duì)面交流和咨詢等方式進(jìn)行核實(shí)，這一過(guò)程非常重要。

2.3.3 驗(yàn)證精度

野外實(shí)地調(diào)查圖斑量不小于解譯圖斑總量的5%；有疑問(wèn)的圖斑應(yīng)100%進(jìn)行檢查。野外檢查驗(yàn)證工作完成后在室內(nèi)及時(shí)做好野外數(shù)據(jù)資料的整理工作，按照要求填寫野外調(diào)查表，內(nèi)容規(guī)范齊全，圖表內(nèi)容一致。

2.4 室內(nèi)解譯成果修正及統(tǒng)計(jì)分析

為進(jìn)一步保證提交成果的精度和準(zhǔn)確度，野外檢查驗(yàn)證后，需要結(jié)合野外資料和影像特征修正解譯成果，把解譯有誤的圖斑一一改正。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成遙感調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，編制1:10000比例尺的土地利用現(xiàn)狀圖，植被覆蓋分布圖，環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀圖，土地沙漠化及土壤侵蝕等專題圖件。

3 礦區(qū)環(huán)境治理綜合研究

根據(jù)本次遙感調(diào)查成果，結(jié)合野外調(diào)查資料，按照《全國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查技術(shù)要求實(shí)施細(xì)則》與《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范》的技術(shù)要求，對(duì)神東礦區(qū)進(jìn)行環(huán)境影響程度現(xiàn)狀的評(píng)估，結(jié)合礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)存和潛在的礦區(qū)環(huán)境主要影響因素進(jìn)行相應(yīng)的影響程度評(píng)估。根據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)方案編制規(guī)范》中的細(xì)則，神東礦區(qū)為大型建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件復(fù)雜的評(píng)估重要區(qū)，確定神東礦區(qū)的環(huán)境影響評(píng)估為一級(jí)評(píng)估。在評(píng)估基礎(chǔ)上對(duì)礦區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分區(qū)，將工作區(qū)劃分為環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)、較嚴(yán)重區(qū)、較輕區(qū)，針對(duì)不同程度的影響區(qū)域提出相應(yīng)的預(yù)防措施和綜合治理工作建議。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

從資料的有效保存和可持續(xù)利用為目的，建立神東礦區(qū)調(diào)查及綜合治理數(shù)據(jù)庫(kù)；將調(diào)查研究所取得的各類數(shù)據(jù)、信息、圖表等入庫(kù)。數(shù)據(jù)格式與圖例參照有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

5 結(jié)語(yǔ)

基于遙感技術(shù)宏觀性強(qiáng)、時(shí)效性好、信息量豐富、全天候，投入少、收益大、節(jié)約成本等特點(diǎn)，并且遙感影像能夠客觀、快速、準(zhǔn)確反映情況，提供良好的時(shí)效性的特點(diǎn)，遙感技術(shù)應(yīng)用到礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查和研究具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。本次調(diào)查工作技術(shù)方法具有一定的開(kāi)創(chuàng)性，值得在神華礦區(qū)范圍內(nèi)推廣。

利用法國(guó)SPOT6衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題調(diào)查，1.5m的地面分辨率完全滿足礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、土地利用現(xiàn)狀、礦區(qū)剝挖情況以及土地壓占與破壞等方面的調(diào)查與監(jiān)測(cè)，而在礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作中，應(yīng)該選擇分辨率優(yōu)于1m的高精度的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

[1]孟淑英.煤礦環(huán)境遙感調(diào)查技術(shù)研究.神華科技,2012（3）.

[2]孟淑英.神華遙感技術(shù)應(yīng)用新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì).神華第三屆科技大會(huì)[C].2009.

[3]管海晏.遙感技術(shù)在煤田地質(zhì)工作中的應(yīng)用研究.地質(zhì)學(xué)報(bào),1989,63（1）：36-49.

[4]王橋,魏斌,等.基于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè).科學(xué)出版社,2010.

[5]張?jiān)鱿?等，西藏自治區(qū)中部地區(qū)資源環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與綜合評(píng)價(jià)研究.宇航出版社,1998.

[6]武強(qiáng),安永會(huì),劉文崗,等.神府東勝礦區(qū)水土環(huán)境問(wèn)題及其調(diào)控技術(shù).煤田地質(zhì)與勘探,2005.

[7]宋國(guó)渝,張樹屏.神東礦區(qū)公路建設(shè)中水土流失防治對(duì)策.煤炭工程,2007.