遙感技術(shù)在泰山區(qū)域礦山環(huán)境治理修復(fù)工程的監(jiān)測應(yīng)用

薛衛(wèi)寧

(山東省遙感技術(shù)應(yīng)用中心，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

山水林田湖草是生命共同體，森林、草原、濕地、河流、山脈等環(huán)境要素[1]，既提供了人類生存的物質(zhì)資源，也是人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然資源開發(fā)利用強(qiáng)度大幅度提升，部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重[2]。我國是世界上重要的礦產(chǎn)資源開發(fā)國家[3]，在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源、物質(zhì)需求的同時(shí)，也引發(fā)了較多的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。主要表現(xiàn)在：礦山的露天開采形成了眾多露天采坑和破損山體，礦山的地下開采造成礦山地面和采空區(qū)塌陷[4]，廢棄的工業(yè)廣場、固體廢棄物、尾礦庫堆放占壓了大量土地資源。隨著采礦范圍的擴(kuò)大和采礦工作深入，大量的農(nóng)田、林地、草地和建設(shè)用地都遭到了一定程度的破壞[5]。面對這些問題，各地開展了認(rèn)真研究和規(guī)劃，并開展了大規(guī)模的生態(tài)修復(fù)工程，礦山環(huán)境治理修復(fù)首當(dāng)其沖。2018年4月，山東省發(fā)布了《山東省礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理規(guī)劃(2018—2025)》，在分析全省礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，明確了今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理修復(fù)工作的指導(dǎo)思想、基本原則、目標(biāo)任務(wù)和重點(diǎn)工程，提出了礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)措施與治理方式、規(guī)劃實(shí)施的保障措施。同時(shí)，2018—2020年積極開展泰山區(qū)域山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程國家試點(diǎn)建設(shè)，構(gòu)筑“泰山大生態(tài)帶”。

但是，礦山環(huán)境治理修復(fù)工程的監(jiān)管、效果評價(jià)，需要以治理修復(fù)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展。修復(fù)治理的項(xiàng)目往往地處偏僻、地形復(fù)雜、交通不便。尤其是已經(jīng)廢棄的礦山，道路無人維護(hù)，人員、車輛難以抵達(dá)。利用傳統(tǒng)的外業(yè)勘察作為監(jiān)測的技術(shù)手段，修復(fù)工程范圍內(nèi)難以全部抵達(dá)，難以看到全部地類，無法精確確定修復(fù)工程邊界。存在工作難度大、監(jiān)測周期長、費(fèi)用高的問題，這給修復(fù)治理的監(jiān)管帶來了很大困難。遙感技術(shù)基于遙感影像，具有監(jiān)測范圍大、獲取信息速度快、監(jiān)測周期短、費(fèi)用低廉、受地面條件限制少的特點(diǎn)[6-8]?；谝陨咸攸c(diǎn)，遙感技術(shù)可以作為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的有效手段[9]。同時(shí)遙感圖像為各種地質(zhì)構(gòu)造提供了直觀的地質(zhì)概念[10]，可以從宏觀的層面認(rèn)識(shí)各種地類和各個(gè)地類之間的相互關(guān)系。結(jié)合礦山的生產(chǎn)流程可以準(zhǔn)確勾畫出礦山的邊界和修復(fù)狀況。利用多時(shí)相的衛(wèi)星影像反復(fù)判讀、提取，還可以獲得修復(fù)治理準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)信息。

1 研究區(qū)域及研究資料

山東省是礦業(yè)大省，礦業(yè)總產(chǎn)值居全國第二位，目前已發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)資源有148種，已查明的具有一定資源儲(chǔ)量的礦種85種，礦產(chǎn)地2887處，各類生產(chǎn)礦山1661個(gè)，閉坑、關(guān)閉和廢棄礦山7813個(gè)[11]。省內(nèi)礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)產(chǎn)生了較多的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，尤其是已經(jīng)關(guān)閉和廢棄的礦山，不產(chǎn)生任何經(jīng)濟(jì)效益，還破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，影響了周邊群眾的生產(chǎn)和生活。2017年，經(jīng)財(cái)政部、國土資源部、環(huán)境保護(hù)部批復(fù)，山東省泰山區(qū)域入選國家第二批山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)范圍。泰山工程區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，關(guān)閉和廢棄礦山也很多，破損山體與采礦塌陷地等礦山地質(zhì)環(huán)境問題比較突出。這些問題都要在修復(fù)工作中逐一解決，以恢復(fù)到良好的生態(tài)環(huán)境。在修復(fù)過程中，對修復(fù)工程項(xiàng)目中的礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的變化進(jìn)行監(jiān)測，對修復(fù)工程實(shí)施過程、效果等實(shí)施監(jiān)管、評估和分析，可以真實(shí)反映工程實(shí)施過程中和實(shí)施后，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化以及改善情況，為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)督管理提供基礎(chǔ)資料和地質(zhì)依據(jù)[12]，為各級政府及主管部門對礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)、治理等方面的管理、決策提供技術(shù)支持。監(jiān)測范圍泰安、濟(jì)南16個(gè)縣(市、區(qū))，面積約13500km2，監(jiān)測區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖(2018年)

2 技術(shù)方法

2.1 總體技術(shù)路線

以2018年3—6月，0.5m分辨率衛(wèi)星遙感影像為主要影像數(shù)據(jù)源，在2018年度山東省基礎(chǔ)性地理省情監(jiān)測數(shù)據(jù)成果基礎(chǔ)上，依據(jù)專題性地理省情監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)要求，采用人機(jī)交互的方式提取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地表覆蓋信息及專題要素信息；然后，利用2017年度礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)、專題性地表覆蓋及要素?cái)?shù)據(jù)，通過影像直接判讀的方式，采集礦山地質(zhì)環(huán)境專題要素信息；最后，利用2018年基礎(chǔ)性地理省情成果數(shù)據(jù)、高分辨率遙感影像以及2017年礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，提取2017—2018年度礦山地質(zhì)環(huán)境變化數(shù)據(jù)。技術(shù)流程見圖2所示。

圖2 總體技術(shù)路線圖

2.2 主要技術(shù)方法

2.2.1 礦山地質(zhì)環(huán)境遙感解譯標(biāo)志建立

遙感影像解譯時(shí)，對遙感影像反映的地類和環(huán)境的正確認(rèn)知，是保證解譯結(jié)果正確率的基本前提。遙感解譯標(biāo)志是指遙感影像上所呈現(xiàn)出的不同地類特有的影像特征，根據(jù)這些影像特征可以判讀出影像反映的地物類別。影像特征受地類對太陽光的反射、吸收，拍攝時(shí)陽光的強(qiáng)度、角度、色溫的影響，即使同一地類，不同的季節(jié)、不同的氣象條件所產(chǎn)生的影像特征也會(huì)有所不同。同時(shí)影像特征還會(huì)受相鄰地類的影響，隨環(huán)境的變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，需要實(shí)地勘察地物類別，分析其在影像上反映的顏色、亮度、形狀、紋理、陰影及周邊環(huán)境的影響和相鄰地物類別的相互關(guān)系，從而建立地物類別和遙感影像的一一對應(yīng)關(guān)系。以此為基礎(chǔ)生成解譯樣本數(shù)據(jù)，建立遙感解譯標(biāo)志。遙感解譯標(biāo)志即可以為作業(yè)員的正確判讀提供幫助，保證分類精度。也可作為檢查人員的檢查依據(jù)，對解譯結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行控制。同時(shí)，遙感解譯標(biāo)志的建立，也為長期監(jiān)測積累實(shí)地參考資料[13]。遙感解譯標(biāo)志按特征分為直接解譯標(biāo)志和間接解譯標(biāo)志2種?；诘仡愖陨硖卣鹘⒌倪b感解譯標(biāo)志為直接解譯標(biāo)志，包括地物類別在影像上反映的顏色、亮度、形狀、紋理、陰影等?；诃h(huán)境特征建立的遙感解譯標(biāo)志為間接解譯標(biāo)志，特征包括地物類別周邊地形、地貌、氣候，其他地物類別及人文活動(dòng)等。根據(jù)山東省礦山地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，該次監(jiān)測將礦山地質(zhì)環(huán)境專題要素劃分為露天采坑、破損山體、采礦塌陷地、固體廢棄物堆放、尾礦庫、其他礦料堆放、工業(yè)廣場、礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理區(qū)域等類別(表1)[14]。按此分類逐一建立遙感影像解譯標(biāo)志，如果某一類別影像特征相差過大，基于影像特征差異建立子類別遙感影像解譯標(biāo)志。

2.2.2 礦山地質(zhì)環(huán)境信息內(nèi)外業(yè)一體化提取

作業(yè)采用內(nèi)外業(yè)一體化技術(shù)，按照內(nèi)業(yè)提取信息、外業(yè)實(shí)地核查、內(nèi)業(yè)編輯、整理的方法實(shí)施[15]。采用0.5m分辨率衛(wèi)星遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，套和專題性地理省情監(jiān)測地表覆蓋及要素等專題矢量數(shù)據(jù)，以遙感影像解譯標(biāo)志為依據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)判讀、提取信息。對遙感影像不能確定的要素類別，利用外業(yè)核查方式，實(shí)地確認(rèn)類別屬性。

2.2.3 外業(yè)核查

受遙感影像分辨率、光譜波段數(shù)、獲取影像時(shí)的氣候條件及解譯人員經(jīng)驗(yàn)的影響，部分地物類型不能內(nèi)業(yè)精確確定。對于內(nèi)業(yè)不能確定的地類采用外業(yè)核查的方式予以確認(rèn)。外業(yè)核查采用數(shù)字調(diào)查系統(tǒng)，采用GPS確定位置，記錄外業(yè)工作行進(jìn)軌跡，作為外業(yè)調(diào)查工作的追溯依據(jù)。在確認(rèn)屬性后，使用外業(yè)核查系統(tǒng)拍攝核查圖斑的實(shí)地照片。對影像特征差異不大，內(nèi)業(yè)未能分別提取的地類，實(shí)地采集地類屬性、邊界。然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)成果，輔助內(nèi)業(yè)編輯和質(zhì)量檢查，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)無縫銜接。通過內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方式，最終獲取礦山地質(zhì)環(huán)境位置坐標(biāo)、屬性信息。

2.2.4 礦山地質(zhì)環(huán)境變化信息提取

使用基于2018年遙感影像解譯提取的礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)和2017年度礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)對比，通過矢量疊加，提取礦山地質(zhì)環(huán)境變化信息。變化信息反映了治理修復(fù)前后的地質(zhì)環(huán)境變化和治理修復(fù)效果，包括空間邊界和屬性兩部分。

2.2.5 統(tǒng)計(jì)分析與成果

專題性統(tǒng)計(jì)主要是利用GIS空間分析功能和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)2018年礦山地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀及新占地表覆蓋情況、2017—2018年度礦山地質(zhì)環(huán)境問題變化及恢復(fù)治理情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。按照地級市、縣(市、區(qū))，分別統(tǒng)計(jì)2018年礦山地質(zhì)環(huán)境問題和恢復(fù)治理區(qū)占地面積、各類礦山地質(zhì)環(huán)境問題構(gòu)成比、礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理區(qū)域占礦山地質(zhì)環(huán)境解譯數(shù)據(jù)比例，以及2017—2018年度礦山地質(zhì)環(huán)境解譯數(shù)據(jù)變化等。形成反映專題變化的監(jiān)測報(bào)告，專題監(jiān)測報(bào)告內(nèi)容包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表、報(bào)告、圖件等基本統(tǒng)計(jì)成果。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦山地質(zhì)環(huán)境問題所占面積緩慢減少

監(jiān)測區(qū)域占地面積2年分別為291.03km2，286.34km2，礦山地質(zhì)環(huán)境問題緩慢減少，主要集中在采礦塌陷地和破損山體，其中采礦塌陷地面積最大，而且和其他類別如工業(yè)廣場有重疊。很多采礦塌陷地表面是平整的耕地，但存在巨大的安全隱患，治理難度很大(表2)。

表2 監(jiān)測區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境解譯數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(km2)

3.2 修復(fù)治理區(qū)域面積明顯增加

礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理區(qū)域面積增加10.99km2(表3)，雖然絕對數(shù)值不大，但是是上一年度治理面積的五倍，呈現(xiàn)出良好的增長勢頭。露天礦坑經(jīng)填埋后轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。相對于修復(fù)為耕地、林地，建設(shè)用地再占用耕地、林地，這種修復(fù)方式更為經(jīng)濟(jì)、有效。但這類修復(fù)方式都在城市邊緣，受地理位置的制約，難以擴(kuò)大。

表3 監(jiān)測區(qū)域新增礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(km2)

3.3 修復(fù)治理工作整逐步展開

從表3可以看出，礦山地質(zhì)環(huán)境問題的整體面積在減少，新增面積遠(yuǎn)小于礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理區(qū)域增加面積，礦山環(huán)境問題及修復(fù)治理已經(jīng)引起地方政府的足夠重視，地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理正逐步展開。

4 結(jié)論

(1)綜合利用遙感監(jiān)測分析，可較快地獲取礦山環(huán)境治理前后的礦山地質(zhì)環(huán)境要素的地表覆蓋變化情況，為礦山環(huán)境治理修復(fù)情況監(jiān)測、評估、監(jiān)管提供技術(shù)支撐和客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)修復(fù)治理面積明顯增加，礦山地質(zhì)環(huán)境問題所占面積緩慢減少，充分證明監(jiān)測區(qū)域內(nèi)修復(fù)治理工作正在逐步展開，區(qū)域內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境正在逐步改善。

(3)多源衛(wèi)星遙感影像在礦山地質(zhì)環(huán)境治理修復(fù)監(jiān)測中的應(yīng)用仍需進(jìn)一步探索和實(shí)踐。利用紅外波段監(jiān)測植被等生態(tài)修復(fù)狀態(tài)、多光譜影像定性和高分全色影像定量相結(jié)合的方法進(jìn)一步提高監(jiān)測屬性的準(zhǔn)確性和邊界精度。