遙感技術(shù)在礦山開發(fā)監(jiān)測中的應(yīng)用探析

劉欣悅 特日根

【摘? 要】結(jié)合礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況和礦山遙感監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，論文分析總結(jié)了遙感技術(shù)在礦區(qū)開發(fā)狀況和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上指出了面臨的關(guān)鍵問題、技術(shù)難點(diǎn)和解決思路，促進(jìn)遙感技術(shù)在礦山遙感監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。

【Abstract】Combined with the present situation of mineral resources exploitation and mine remote sensing monitoring technology， the paper analyzes and summarizes the application status and development trend of remote sensing technology in the field of mining area development and ecological environmental monitoring. On this basis， the paper points out the key problems， technical difficulties and solutions， and promotes the application of remote sensing technology in mine remote sensing monitoring field.

【關(guān)鍵詞】礦山開發(fā);遙感;監(jiān)測

【Keywords】mine development; remote sensing; monitoring

【中圖分類號】P237;TD17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）02-0188-02

1 引言

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國的礦業(yè)開發(fā)規(guī)模位居世界第三，是我國的支柱性產(chǎn)業(yè)之一[1]。隨著我國的工業(yè)化進(jìn)程逐漸加快，煤礦、鐵礦、油氣等礦產(chǎn)資源的需求突增導(dǎo)致價(jià)格一路攀升，極大地促進(jìn)了礦產(chǎn)資源領(lǐng)域的發(fā)展。但是長期以來，礦業(yè)開發(fā)秩序混亂，礦區(qū)缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)管，引發(fā)了如礦產(chǎn)資源浪費(fèi)、越界違法開采、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題。由于礦區(qū)的不合理開發(fā)，導(dǎo)致的水體污染、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，已經(jīng)對礦區(qū)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅，制約了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。

遙感技術(shù)在礦山開發(fā)監(jiān)測中，能夠通過提供客觀、實(shí)時(shí)的遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對礦區(qū)進(jìn)行變化監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害分析。通過宏觀的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對開采利用過程中引發(fā)的各種問題形成綜合分析，為有關(guān)礦政部門提供技術(shù)支持，推進(jìn)資源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 礦區(qū)遙感監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀

遙感是一種空間探測技術(shù)，可以概括為借助光、熱、無線電波等電磁能量來探測地物特性的科學(xué)[2]。遙感技術(shù)具有及時(shí)性、寬覆蓋的特征，以高空視角短時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)對地面的大范圍觀測。同時(shí)，與傳統(tǒng)野外現(xiàn)場勘查相比，克服人為因素的干擾，保證了獲取信息的客觀性和真實(shí)性。遙感信息已經(jīng)逐步成為礦產(chǎn)開采的基本信息來源之一，在礦山開發(fā)管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用。

目前應(yīng)用比較廣泛的高空間分辨率數(shù)據(jù)主要有WorldView、SPOT、QuickBird、國產(chǎn)高分系列等。商業(yè)對地觀測衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中WorldView-4數(shù)據(jù)的全色波段分辨率已經(jīng)達(dá)到0.3m，軌道重訪周期1.1d;國內(nèi)高空間分辨率衛(wèi)星中的高分系列具有較高的定位精度，高分二號衛(wèi)星（GF-2）空間分辨率優(yōu)于1m，幅寬達(dá)到45km。高時(shí)間分辨率中以高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用較多，作為中國第一顆地球同步軌道衛(wèi)星，擁有400m的超大幅寬，重訪周期僅有20s。高光譜分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)Hyperion，幾何分辨率30m，波段數(shù)高達(dá)220個(gè)。無人機(jī)遙感是一種航空遙感手段，相比衛(wèi)星遙感具有精度高、成本低、續(xù)航時(shí)間長、實(shí)時(shí)傳輸、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢，已經(jīng)開始應(yīng)用于礦山監(jiān)測中[3]。

2.1 礦產(chǎn)資源開發(fā)監(jiān)測

礦產(chǎn)資源是一種不可再生資源，是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。礦產(chǎn)資源開發(fā)監(jiān)測的常用遙感解譯包括：

①礦產(chǎn)資源開采點(diǎn)位置：井口、硐口、露天開采場、活動(dòng)采區(qū)等。

②開采礦產(chǎn)種類：鐵礦、煤礦等。

③開采狀況：正在開采、停產(chǎn)、關(guān)閉。

④開采方式：露天開采、地下開采、聯(lián)合開采。

⑤礦業(yè)秩序：無證開采、越界開采等。通過對以上地物的監(jiān)測，一方面可以對礦區(qū)開發(fā)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，指導(dǎo)礦山發(fā)展規(guī)劃和決策的制定，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)化發(fā)展;另一方面也可以對礦產(chǎn)資源開發(fā)催生出的違規(guī)開采等問題起到監(jiān)督作用，有效提高了礦政管理的工作效率。

2.2 礦山環(huán)境監(jiān)測和治理

礦山開采的過程中對生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞，如水體污染、大氣污染、植被退化、水土流失、土地塌陷等問題。在礦山環(huán)境監(jiān)測中，利用高光譜影像數(shù)據(jù)，可開展大型水體環(huán)境、宏觀生態(tài)環(huán)境、重大污染事故、核安全和生物多樣性等生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)。例如，以水體的反射光譜特征和水體顏色為指標(biāo)可以監(jiān)測水體污染;根據(jù)污染區(qū)的作物與正常生長區(qū)作物的光譜比對可以確定地面污染。利用遙感技術(shù)構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)體系，進(jìn)而對礦山的污染治理提出合理化建議。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和分析

礦產(chǎn)資源開發(fā)帶來了嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題，滑坡、采空塌陷在各地的采礦區(qū)頻發(fā)。利用遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，主要體現(xiàn)在災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)后重建三個(gè)方面。在礦山遙感監(jiān)測中，通過對監(jiān)控區(qū)域多期影像對比可以發(fā)現(xiàn)次生地質(zhì)災(zāi)害的變化規(guī)律，排除礦山開采的安全隱患，對潛在的大型地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，積極響應(yīng)評估災(zāi)害損失，對災(zāi)后重建工作有指導(dǎo)意義。

3 遙感技術(shù)礦山監(jiān)測應(yīng)用的挑戰(zhàn)

在礦山開發(fā)的過程中，利用多源遙感數(shù)據(jù)，能夠快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地對地上地下采掘過程中引發(fā)的相關(guān)問題進(jìn)行監(jiān)控。但是，至今礦產(chǎn)資源遙感監(jiān)測技術(shù)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上仍存在一些不足，尚未得到大規(guī)模的推廣利用，主要原因如下：

①我國礦山遙感的監(jiān)測區(qū)域大部分位于中高山區(qū)，地形復(fù)雜多變，受不同開發(fā)方式的影響，會(huì)引發(fā)各種違法開采和不同的地質(zhì)災(zāi)害問題。因此，正確選取監(jiān)控區(qū)域、合理規(guī)劃監(jiān)控覆蓋周期，是礦區(qū)遙感監(jiān)測的前提條件。

②雖然目前遙感數(shù)據(jù)源種類繁多，但是衛(wèi)星的整體性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，且長期依賴于國外數(shù)據(jù)，難以為周期性觀測提供數(shù)據(jù)支撐。不同空間分辨率和光譜分辨率的數(shù)據(jù)價(jià)格不等，需要根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的成像機(jī)理來選取合適的數(shù)據(jù)源，以較高的性價(jià)比取得良好的監(jiān)測效果。

③結(jié)合不同礦山實(shí)體要素的遙感影像特征，建立完善的質(zhì)量控制體系，選取適宜的模式識別和圖像分類算法。輻射校正和圖像融合是高分遙感應(yīng)用于礦山監(jiān)測圖像處理中的核心，需要進(jìn)一步深入研究適用于大數(shù)據(jù)量級的高保真融合算法來提高礦山監(jiān)測工作的精度和效率。

④礦山基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)庫缺乏，阻礙了礦山遙感監(jiān)測的推廣應(yīng)用。在缺少相應(yīng)地質(zhì)、測量、采礦信息資料的情況下，如何建立遙感地理模型和遙感信息模型，構(gòu)建定量分析研究方法，實(shí)現(xiàn)多源遙感信息的復(fù)合是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

4 進(jìn)一步推廣礦山遙感監(jiān)測的建議

遙感技術(shù)在礦山的生產(chǎn)管理中發(fā)揮了巨大的作用，具有廣闊的前景，為深入推進(jìn)礦山遙感監(jiān)測應(yīng)用，提出了促進(jìn)遙感應(yīng)用與礦山監(jiān)測的政策建議如下：

①加強(qiáng)宏觀調(diào)控。加大政府引導(dǎo)力度，制定礦山遙感監(jiān)測規(guī)范，完善礦山開采相關(guān)政策法規(guī)。合理統(tǒng)籌礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)劃布局，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)與利用。對于礦山開采過程中的越界開采、非法轉(zhuǎn)讓采礦權(quán)和探礦權(quán)等違法行為，礦產(chǎn)資源監(jiān)管機(jī)構(gòu)和基層執(zhí)法部門必須及時(shí)進(jìn)行清理和查處，建立依法有序的開采秩序。

②選取適宜數(shù)據(jù)源。在滿足經(jīng)濟(jì)適用的前提下，按照不同監(jiān)控目標(biāo)精度要求選取適宜分辨率的數(shù)據(jù)源。例如，利用中等分辨率衛(wèi)星影像對露天采礦場等大尺度地物進(jìn)行識別，對大范圍的水體污染、地質(zhì)塌陷、固體廢棄物堆積等環(huán)境問題進(jìn)行監(jiān)測;利用高分辨率衛(wèi)星影像可以對采礦場內(nèi)部礦坑、尾礦庫、排土場等小尺度地物的識別分類和變化監(jiān)測，顯示礦山內(nèi)部布局和細(xì)節(jié);利用高光譜衛(wèi)星影像識別礦山環(huán)境要素和礦種類型，對礦山環(huán)境污染問題定量、半定量反演分析;利用微波遙感觀測礦山開采所引起的地面沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題，且監(jiān)測過程中不受氣象條件限制。

③構(gòu)建技術(shù)體系。在礦山監(jiān)測的過程中，應(yīng)考慮多種遙感傳感器之間的協(xié)同與立體觀測，輔以無人機(jī)、地面固定平臺(tái)等技術(shù)獲取補(bǔ)充數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)集成分析技術(shù)促進(jìn)礦山遙感監(jiān)測的綜合應(yīng)用，構(gòu)建通用、高效的監(jiān)測技術(shù)體系。

5 結(jié)語

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感影像的時(shí)間、空間和光譜分辨率不斷提高，特別是國產(chǎn)資源衛(wèi)星整體性能也日益精進(jìn)，將為礦山資源開發(fā)利用提供及時(shí)、穩(wěn)定的空間信息技術(shù)支持。相關(guān)礦政部門及企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)礦山遙感監(jiān)測尺度問題研究，推進(jìn)3S技術(shù)的集成化一體化進(jìn)程，促進(jìn)遙感技術(shù)在礦山可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃中的綜合應(yīng)用發(fā)展。

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