基于多源遙感數(shù)據(jù)的錳礦山資源環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)研究

李曉翔，李同光，賴建梅

（1.廣西壯族自治區(qū)自然資源遙感院，南寧 530200；2.桂平市自然資源局，廣西 桂平 537299；3.廣西壯族自治區(qū)地理信息測(cè)繪院，廣西 柳州 545000）

廣西錳礦礦產(chǎn)資源豐富，采礦歷史悠久，其中錳礦開采方式主要采用露天開采，由于礦山開采歷史長(zhǎng)，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。礦產(chǎn)資源開發(fā)在發(fā)展本地經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，會(huì)造成礦山開采的采場(chǎng)和礦山建筑直接損毀土地，中轉(zhuǎn)場(chǎng)地和固體廢棄物侵占耕地、林地等土地資源等一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1]。礦山開發(fā)利用帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)成為當(dāng)前礦業(yè)用地政策研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-3]。

黨的十八大以來(lái)，在生態(tài)文明建設(shè)的新要求新形勢(shì)下，做好自然資源監(jiān)測(cè)工作成為政府有關(guān)管理部門的新使命[4]。如何“推進(jìn)資源節(jié)約集約，注重資源保護(hù)和合理開發(fā)，大力發(fā)展綠色礦山”是亟待解決的難題[5]。獲取客觀準(zhǔn)確的礦山占地本底數(shù)據(jù)是解決礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與礦業(yè)用地政策研究的前提條件。

本文以廣西木圭錳礦礦區(qū)為例，采用多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)航攝影像，同時(shí)采集了礦區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，綜合土地利用和礦權(quán)管理等現(xiàn)狀，研究監(jiān)測(cè)礦山利用和生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題，分析問(wèn)題產(chǎn)生及其變化的趨勢(shì)，在礦山生態(tài)修復(fù)治理中提供解決思路和途徑。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)位于桂平市木圭鎮(zhèn)轄區(qū)，區(qū)域范圍面積約45 km2。礦山斷續(xù)開采已有近百年歷史，多是露天開采。礦區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源以錳礦為主，小部分開采重晶石礦。該礦區(qū)為低壓地貌，山坡原始自然坡度20～30°，丘陵與谷地高差20～50 m，因礦山開采歷史悠久，加之近年來(lái)礦產(chǎn)品價(jià)格上漲，亂采亂挖屢禁不止，導(dǎo)致礦區(qū)原始地貌大部分已遭受破壞，采礦槽、采礦坑、土堆相間分布，形成大小不一的坑坑洼洼和荒山荒坡，采礦留下的土堆高達(dá)5～15 m，采礦槽、采礦坑深度一般6～20 m不等，礦坑邊坡坡度達(dá)50～80°。原礦經(jīng)水洗后，廢渣廢土就近堆積形成很多大小不一的泥漿塘（尾礦庫(kù)），體積多在幾萬(wàn)至上百萬(wàn)立方米之間，礦區(qū)亂挖亂采行為不僅破壞了自然生態(tài)環(huán)境，破壞土地利用，使國(guó)家和人民群眾的利益受到損失，同時(shí)也留下滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的隱患[6]。如果不及時(shí)治理，將對(duì)礦山周圍的群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文使用了國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星高分二號(hào)衛(wèi)星和北京二號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別為2020年和2021 年，空間分辨率約為0.8 m，投影方式為高斯克呂格投影，大地基準(zhǔn)為CGCS2000 坐標(biāo)系。經(jīng)過(guò)質(zhì)量和精度檢驗(yàn)，遙感數(shù)據(jù)滿足工作需求。同時(shí)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)巡查，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取地面分辨率優(yōu)于5 cm 的最新礦區(qū)影像和動(dòng)態(tài)視頻，構(gòu)建三維模型，此外還收集了礦區(qū)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)、采礦權(quán)、尾礦庫(kù)數(shù)據(jù)等管理數(shù)據(jù)。

2 技術(shù)路線與方法

本文通過(guò)收集研究區(qū)的自然地理、管理數(shù)據(jù)和獲取的多源遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)情況建立解譯標(biāo)志，通過(guò)智能提取與人工解譯相結(jié)合的方式，綜合分析礦山資源利用情況[7-8]，技術(shù)路線如圖1 所示。其具體流程為：①收集多源遙感數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地形地貌數(shù)據(jù)，搭建三維立體礦山資源環(huán)境模型；②實(shí)地調(diào)查建立礦山占地信息解譯標(biāo)志（表1）；③根據(jù)礦權(quán)數(shù)據(jù)等礦山管理數(shù)據(jù)，按實(shí)際利用情況，提取露天采場(chǎng)、工業(yè)場(chǎng)地，以及廢石/土堆、尾礦庫(kù)等的占地情況；④外業(yè)踏勘調(diào)查，校核內(nèi)業(yè)判讀數(shù)據(jù)；⑤根據(jù)礦區(qū)實(shí)際利用情況占地特征，分析礦區(qū)在資源利用和資源環(huán)境保護(hù)方面存在的主要問(wèn)題，提出對(duì)策與建議。

表1 礦山占地類型解譯標(biāo)志一覽表

圖1 技術(shù)路線圖

3 礦山監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本文以2020 年和2021 年兩期不同監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)的遙感影像為底圖，充分利用礦區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）和實(shí)景三維數(shù)據(jù)，獲取采礦區(qū)空間分布數(shù)據(jù)；同時(shí)結(jié)合基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果、礦產(chǎn)規(guī)劃數(shù)據(jù)和礦產(chǎn)專題研究數(shù)據(jù)等資料，對(duì)礦區(qū)的發(fā)證信息、名稱、礦區(qū)狀態(tài)、礦產(chǎn)類型、礦區(qū)規(guī)模、礦區(qū)開采量及資源儲(chǔ)量等信息整理入庫(kù)，使用監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)礦區(qū)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用變化的定期監(jiān)測(cè)[9]。

3.1 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用變化監(jiān)測(cè)

根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，由圖2 可知，2021 年錳礦區(qū)礦山占地面積為902.87 hm2，占礦區(qū)面積的20.06%，其中廢土堆6.44 hm2，工業(yè)場(chǎng)地103.19 hm2，露天采場(chǎng)620.74 hm2，尾礦庫(kù)172.50 hm2，占地以采場(chǎng)和尾礦庫(kù)為主，二者比例之和高達(dá)87.86%。

圖2 礦山開發(fā)利用示意圖

將礦山的平面布局矢量與2018 年度土地變更調(diào)查成果進(jìn)行疊加分析，得到占用土地資源類型及其面積情況，如圖3 所示。其中，占用耕地57.119 hm2，園地18.306 hm2，林地329.933 hm2，草地316.221 hm2，工礦用地58.725 hm2，住宅用地11.949 hm2，水域7.918 hm2，其他土地102.685 hm2。

圖3 礦山占用土地資源情況

3.2 自然生態(tài)空間變化監(jiān)測(cè)

基于監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)礦區(qū)45 km 范圍內(nèi)地表覆蓋（耕地、林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地和未利用地）的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適時(shí)分析礦區(qū)周邊土地流轉(zhuǎn)情況，自然生態(tài)空間存在的問(wèn)題以及變化的趨勢(shì)。

根據(jù)2020 年和2021 年度國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，研究區(qū)周邊范圍內(nèi)地表覆蓋變化情況，如圖4 所示。2021 年礦區(qū)周邊耕地減少73.13 hm2，園地增加53.57 hm2，草地減少49.07 hm2，房屋建筑減少4.75 hm2，露天采掘場(chǎng)增加64.72 hm2，建筑工地增加11.04 hm2，其他人工堆掘地增加5.17 hm2，水域增加1.84 hm2。由此可以看出，整個(gè)礦區(qū)整體還處在不斷的開采中，耕地、草地減少的量最多，采掘場(chǎng)、建筑工地明顯增加。其中，耕地大多流向了果園和林地；草地大多流向了林地和采掘地；礦區(qū)內(nèi)部的種植情況正發(fā)生改變，果園等園地增加明顯，幼林增加量較大。

圖4 錳礦區(qū)地表覆蓋變化情況

3.3 依法采礦監(jiān)測(cè)

通過(guò)采礦區(qū)數(shù)據(jù)與采礦權(quán)數(shù)據(jù)的疊加分析和空間統(tǒng)計(jì)，可以獲取項(xiàng)目區(qū)無(wú)證開采、越界開采的礦區(qū)分布、開采面積、開采礦種、開采方式、開采量和準(zhǔn)確位置等數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)礦區(qū)平面分布數(shù)據(jù)與采礦許可證（不包含過(guò)期許可證）范圍進(jìn)行疊加分析，可以得到遺留歷史礦山、無(wú)證開采、越界開采共155 個(gè)圖斑，開采面積270.66 hm2，開采礦種均為錳礦。礦山開采量可以通過(guò)兩期實(shí)景三維模型疊加分析得出[10]。礦區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)可通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝獲取，效果如圖5 所示。

圖5 礦區(qū)實(shí)景三維效果圖

3.4 環(huán)境修復(fù)治理監(jiān)測(cè)

利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輔以一定的外業(yè)核查，按照地方礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃和礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案，結(jié)合研究區(qū)礦山環(huán)境恢復(fù)治理現(xiàn)狀，針對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞的集中、重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)礦區(qū)復(fù)墾、植被恢復(fù)和工程治理措施三項(xiàng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)措施，開展礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)過(guò)程和成效動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。將2020—2021 年2 年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析，可以得到整個(gè)礦區(qū)生態(tài)空間變化情況，如圖6 所示。其中，工礦用地等礦山利用地類變?yōu)楦麍@林草等地類情況，即為生態(tài)修復(fù)圖斑。

圖6 礦區(qū)生態(tài)空間變化情況

經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘，礦區(qū)內(nèi)生態(tài)修復(fù)以自然修復(fù)為主，人工治理主要有邊坡治理、尾礦治理、土壤改良和植被恢復(fù)等方面。生態(tài)修復(fù)后的地類多為林地和草地，修復(fù)狀態(tài)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以前期調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)木圭錳礦礦區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，初步搭建礦區(qū)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，為未來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)打下基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用、自然生態(tài)空間變化、違法采礦、尾礦庫(kù)和環(huán)境修復(fù)治理等數(shù)據(jù)的常態(tài)化管理。在“兩支撐一提升”的具體實(shí)踐中，一方面有效提升地方自然資源管理部門更好履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)的能力；另一方面也引導(dǎo)礦山企業(yè)積極開展生態(tài)修復(fù)治理，優(yōu)化礦山國(guó)土空間布局，推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。