基于高分衛(wèi)星影像的礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測

李永平，趙曉燕，談樹成

(1.內(nèi)江師范學(xué)院 a.國際教育學(xué)院 b.地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100；2.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

礦產(chǎn)資源作為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要儲備資源，對推動城市化建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國防安全起著重要的作用[1-2].我國國土面積遼闊，礦產(chǎn)資源豐富，為了準(zhǔn)確、及時地掌握礦產(chǎn)資源的開發(fā)情況，中國地質(zhì)調(diào)查局從2003年在部分地區(qū)試點(diǎn)，2006年在全國全面鋪開基于遙感技術(shù)的礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境監(jiān)測工作[3].隨著我國國產(chǎn)衛(wèi)星的迅速崛起，資源系列和高分系列遙感數(shù)據(jù)的更新?lián)Q代，礦產(chǎn)資源遙感監(jiān)測使用的遙感數(shù)據(jù)從剛開始的依靠國外商業(yè)衛(wèi)星到逐漸以國內(nèi)的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要監(jiān)測輔助.國產(chǎn)遙感影像因具有覆蓋面廣、獲取數(shù)據(jù)周期短、空間分辨率高等凸顯的優(yōu)勢，為開展礦山開發(fā)占地(露天開采面、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物、礦山建筑物)、礦山地質(zhì)災(zāi)害(崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷)的監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的支撐[4].趙玉靈等[5]利用遙感影像對海南島東部濱海鋯鈦砂礦的開發(fā)狀況以及生態(tài)恢復(fù)治理進(jìn)行了監(jiān)測研究，重點(diǎn)討論了生態(tài)恢復(fù)治理的對策和方法；趙曉燕等[6]、馬國胤等[7]建立了礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯標(biāo)志，并討論了高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用；強(qiáng)建華等[8]、王昊等[9]對新疆地區(qū)的礦山開發(fā)環(huán)境監(jiān)測成果進(jìn)行了論述，利用遙感影像可以開展大規(guī)模、大面積的礦山開發(fā)狀況監(jiān)測，并探討礦山地質(zhì)災(zāi)害和開發(fā)礦種之間的相關(guān)性.

攀枝花市是一座由礦產(chǎn)資源開發(fā)開采而建立起來的新興礦業(yè)城市，位于著名的三江成礦帶內(nèi)，是四川省礦產(chǎn)資源開發(fā)活動最強(qiáng)烈的地區(qū)[10].隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，攀枝花市的礦產(chǎn)資源開發(fā)開采活動強(qiáng)度日益增加，因此加強(qiáng)礦山開發(fā)環(huán)境的遙感監(jiān)測顯得十分必要和迫切.本文以攀枝花市作為研究區(qū)，利用高分辨率的遙感影像開展了礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感監(jiān)測，借助ArcGIS軟件平臺，建立了礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯標(biāo)志，并通過野外實(shí)地驗(yàn)證遙感解譯結(jié)果.在室內(nèi)遙感解譯和野外驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對攀枝花市礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害的分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計，對礦山監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析和評價，為國土部門更好地開展礦山監(jiān)管和規(guī)劃提供依據(jù)，并為進(jìn)一步開展礦山地質(zhì)災(zāi)害評價以及礦山地質(zhì)環(huán)境評價提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

攀枝花市位于四川省的最南端，地處中國西南川滇結(jié)合部，雅礱江和金沙江的匯合處，區(qū)域交通位置十分重要.區(qū)內(nèi)轄三區(qū)兩縣，分別是東區(qū)、西區(qū)、仁和區(qū)、米易縣和鹽邊縣，地理坐標(biāo)為102°15′-108°08′E，26°05′-27°21′N，總面積為7440.75 km2，截至2017年底，總?cè)丝诩s為110萬人.研究區(qū)地處“西南三江成礦帶”北段，礦產(chǎn)資源十分豐富，礦種齊全且儲量豐富，目前主要開采礦種有釩鈦磁鐵礦、石灰?guī)r礦、煤礦、錳礦、花崗巖礦、砂頁巖礦等，其中已探明的鐵礦(主要是釩鈦磁鐵礦)73.8億噸，占四川省鐵礦探明資源儲量的72.3%，是全國四大鐵礦之一.區(qū)內(nèi)的采礦權(quán)主要分布在東北部和中部地區(qū)，釩鈦磁鐵礦和煤礦是主要的優(yōu)勢開采礦種，其中煤礦開采主要位于仁和區(qū)的寶頂和鹽邊縣的紅坭鄉(xiāng)，釩鈦磁鐵礦的開采主要位于米易縣、鹽邊縣和東區(qū).同時攀枝花市地處橫斷山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地貌類型多樣且山高谷深，地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境較為脆弱.在礦產(chǎn)資源開發(fā)開采的過程中，由于不合理的人為活動加上脆弱的自然生態(tài)環(huán)境，致使崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等礦山地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生.

2 遙感數(shù)據(jù)源及礦山開發(fā)狀況遙感解譯標(biāo)志的建立

在分析攀枝花市自然地質(zhì)地理環(huán)境和高分衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對ZY-3和SPOT6衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正、輻射校正、圖像增強(qiáng)處理、圖像融合處理等預(yù)處理工作，參照遙感解譯技術(shù)規(guī)范，基于ArcGIS軟件平臺，建立了礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯標(biāo)志，完成了攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境的室內(nèi)人機(jī)交互解譯，為更好地開展野外驗(yàn)證以及監(jiān)測效果的評價提供前提條件.

2.1 遙感數(shù)據(jù)源及圖像處理

研究數(shù)據(jù)源采用由中國地質(zhì)調(diào)查局下發(fā)的2019年全國土地礦產(chǎn)衛(wèi)片數(shù)據(jù)以及補(bǔ)充獲取的高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù).攀枝花市的遙感數(shù)據(jù)主要是ZY-3和SPOT6衛(wèi)星數(shù)據(jù)，影像質(zhì)量較好，在重要的礦山開發(fā)開采區(qū)無云量覆蓋，其中ZY-3是2012年1月9日發(fā)射升空的高精度國產(chǎn)衛(wèi)星，其全色波段分辨率為2.1 m，多光譜分辨率為5.8 m，前后視分辨率為2.5 m，涵蓋4個波段[11].SPOT6是2012年9月9日由印度PSLV運(yùn)載火箭搭載成功發(fā)射，其全色波段分辨率為1.5 m，多光譜分辨率為6 m，共涵蓋有4個波段[12-13].ZY-3和SPOT6衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率均優(yōu)于2.5 m，并且具有成像時間短，更新快、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，能滿足攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測的需要.ZY-3和SPOT6衛(wèi)星數(shù)據(jù)在使用前分別進(jìn)行了幾何校正、輻射校正、圖像增強(qiáng)處理、圖像融合處理等預(yù)處理過程.

2.2 攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境遙感解譯標(biāo)志的建立

遙感解譯是指解譯人員基于解譯技術(shù)及方法識別出地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象在遙感影像上的形態(tài)和運(yùn)動特征，測算出某種數(shù)量指標(biāo)的過程[14-15].為了高效快速地開展礦山開發(fā)環(huán)境的遙感解譯，建立礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯標(biāo)志顯得十分必要和迫切.通過將高分辨率遙感影像與采礦權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，參照遙感解譯技術(shù)規(guī)范，對礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了人機(jī)交互解譯，建立了礦山開發(fā)占地(露天開采面、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物、礦山建筑物)、礦山地質(zhì)災(zāi)害(崩塌、滑坡、泥石流以及地面塌陷)8種目標(biāo)地物的遙感解譯標(biāo)志，為開展攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境監(jiān)測提供了技術(shù)支撐.

2.2.1 礦山開發(fā)占地

礦山開發(fā)占地是指在礦產(chǎn)資源開采的過程中所產(chǎn)生的壓占和損毀土地的現(xiàn)象，常見的礦山開發(fā)占地主要包括露天開采面、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物和礦山建筑物4大類.不同的目標(biāo)地物在遙感影像上所呈現(xiàn)的地物特征(紋理、亮度、粗糙度、顏色、形狀)有所差異，通過對攀枝花市不同礦山開發(fā)占地遙感影像特征的研究，建立了一套礦山開發(fā)占地遙感解譯標(biāo)志，具體的遙感解譯標(biāo)志(見表1).參照不同礦山地物在遙感影像上的解譯標(biāo)志，對攀枝花市的礦山開發(fā)占地進(jìn)行室內(nèi)遙感解譯，并對不同礦種的影像進(jìn)行對比分析.

2.2.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害

礦山地質(zhì)災(zāi)害是指在礦產(chǎn)資源開采過程中，因大量采掘礦產(chǎn)資源致使礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化，加之人類不合理的開發(fā)活動而引起的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害(地質(zhì)現(xiàn)象)的過程.礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生需要具備一定的孕災(zāi)環(huán)境和誘發(fā)因素，其中礦山所處的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件控制著災(zāi)害的類型，而人類的開發(fā)開采活動成為誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的誘因(源動力)[16-17].崩塌在遙感影像上形狀呈月牙和弧形，地勢的坡度較大，多為上陡下緩，在崩塌體的前緣有倒石堆，紋理粗糙，崩塌面呈淺灰或者亮白色，無植被覆蓋，規(guī)模一般較小；滑坡在影像上坡度較崩塌緩，滑坡體常呈圓椅狀或扇形，在滑坡前緣有鼓脹的小丘，滑坡兩側(cè)和后緣存在剪切裂縫，色調(diào)呈淺灰色，紋理粗糙；泥石流在遙感影像上最好識別，有物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)三區(qū)，物源區(qū)多呈勺形、漏斗形、瓢形，有植被覆蓋且影像色調(diào)呈淺灰色，流通區(qū)常為寬窄不一的溝谷，紋理粗糙且色調(diào)呈灰白，堆積區(qū)多呈扇形，色調(diào)亮白，紋理厚實(shí)，堆積體存在一定的陰影，流水邊界清晰；地面塌陷在影像上主要呈圓形或者橢圓形的塌陷坑，紋理粗糙且呈現(xiàn)負(fù)地形，植被不均勻分布，顏色多為深色夾淺色調(diào).

表1 攀枝花市礦山開發(fā)占地遙感解譯標(biāo)志

3 攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 礦產(chǎn)資源開發(fā)占地監(jiān)測結(jié)果分析

攀枝花市現(xiàn)有礦山開發(fā)占地面積為58.66 km2，約占全市總面積(7440.75 km2)的0.78%，對三區(qū)兩縣的礦山開發(fā)占地類型進(jìn)行統(tǒng)計分析如表2所示.結(jié)果顯示開采面占地為22.88 km2，面積最大；中轉(zhuǎn)場地占地為13.19 km2，固體廢棄物占地為20.69 km2，礦山建筑物占地為1.90 km2，面積最小.通過對攀枝花市三區(qū)兩縣的礦山占地面積進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：米易縣的礦山占地為19.60 km2，面積最大；東區(qū)的礦山占地為14.49 km2，鹽邊縣的礦山占地為11.32 km2，仁和區(qū)的礦山占地為9.96 km2，西區(qū)的礦山占地為3.29 km2，面積最小.

表2 攀枝花市各區(qū)/縣礦山開發(fā)占地一覽表 單位：km2

攀枝花市的礦種種類齊全，有煤、鐵、錳、鉛、銅、鎳、建筑石料用灰?guī)r、建筑用砂、花崗巖、磚瓦用黏土等等，根據(jù)礦種類別的不同，將其分為金屬礦、非金屬礦和能源礦.對三區(qū)兩縣的不同礦種進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示.區(qū)內(nèi)礦山開采礦種以金屬礦(釩鈦磁鐵礦)為主，礦山占地為41.19 km2，主要分布在東區(qū)、米易縣、鹽邊縣，代表性的礦山有蘭尖朱家包包鐵礦、龍蟒的紅格鐵礦和白馬鐵礦；能源礦主要分布在仁和區(qū)，代表性的礦山為寶頂煤礦，礦山占地為5.12 km2；非金屬礦種主要以建筑材料為主，分布在攀枝花的三區(qū)兩縣.

表3 攀枝花市各區(qū)/縣礦種占地一覽表 單位：km2

3.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測結(jié)果分析

攀枝花市共調(diào)查出礦山地質(zhì)災(zāi)害47處，其中崩塌6處、滑坡14處、泥石流21處、采空塌陷6處.對不同類型的礦山地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模等級進(jìn)行統(tǒng)計，如表4所示.其中特大型3處，以崩塌為主，占6.38%；大型3處，占6.38%；中型26處，以滑坡和泥石流為主，占55.32%；小型15處，以泥石流和采空塌陷為主，占31.92%.

表4 攀枝花市礦山地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模等級一覽表 單位：處

通過對攀枝花市各區(qū)(縣)礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以看出區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)災(zāi)害主要分布在仁和區(qū)、東區(qū)和米易縣(見表5).其中仁和區(qū)的寶頂煤礦開采使地下采空，主要誘發(fā)采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；礦山固體廢棄物不合理的堆放容易引發(fā)滑坡和泥石流災(zāi)害，有代表性的礦山是蘭尖朱家包包鐵礦、寶頂煤礦、紅格鐵礦、花山煤礦和白馬鐵礦；崩塌主要發(fā)生在一些非金屬礦種的礦山，這些以開采建筑用料的礦山采面比較陡峻且采面面積小，沒有形成規(guī)范的階梯形開采面，容易引發(fā)崩塌礦山地質(zhì)災(zāi)害.

表5 攀枝花市各區(qū)/縣礦山地質(zhì)災(zāi)害分布一覽表 單位：處

4 攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測效果評價

本文采用高分辨率遙感影像對攀枝花市礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害開展了室內(nèi)遙感解譯并進(jìn)行了野外實(shí)地核查驗(yàn)證.室內(nèi)共解譯了礦山開發(fā)占地圖斑1640處，其中開采面280處，中轉(zhuǎn)場地437處，固體廢棄物383處，礦山建筑物540處；礦山地質(zhì)災(zāi)害53處.因礦山開發(fā)占地圖斑數(shù)量較多，故隨機(jī)抽取5%的圖斑數(shù)量(82處)進(jìn)行野外核查驗(yàn)證，其中抽取的圖斑數(shù)包括了開采面、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物和礦山建筑物；礦山地質(zhì)災(zāi)害53處均進(jìn)行了野外核查驗(yàn)證.通過對室內(nèi)遙感解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)抽查的82處礦山開發(fā)占地圖斑中，室內(nèi)遙感解譯正確71處，解譯正確率為86.6%；礦山地質(zhì)災(zāi)害53處中，室內(nèi)遙感解譯正確47處，解譯正確率為88.7%.從野外驗(yàn)證結(jié)果可以看出，采用高分辨率遙感影像開展礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測效果較好，建立的遙感解譯標(biāo)志在實(shí)際調(diào)查中運(yùn)用較好，解譯準(zhǔn)確率較高.

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文采用高分辨率遙感影像對攀枝花市的礦山開發(fā)環(huán)境開展了遙感監(jiān)測，借助ArcGIS軟件平臺，建立了礦山開發(fā)占地和礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯標(biāo)志，并通過野外實(shí)地驗(yàn)證遙感解譯結(jié)果.通過對遙感監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析和遙感監(jiān)測效果的評價，可以得出以下結(jié)論：

(1)在礦山開發(fā)占地中開采面的占地面積最大，主要以金屬礦(釩鈦磁鐵礦)的開采為主；攀枝花市的三區(qū)兩縣里，米易縣的礦山開采活動最頻繁，強(qiáng)度最大；攀枝花市的礦山開采活動主要集中分布在蘭尖朱家包包鐵礦、龍蟒的紅格鐵礦、白馬鐵礦、寶頂煤礦及生產(chǎn)建筑材料的用灰?guī)r礦山.

(2)礦山地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模以中型為主，主要分布在仁和區(qū)，其中泥石流災(zāi)害發(fā)育最多；寶頂煤礦的開采主要引發(fā)采空塌陷礦山地質(zhì)災(zāi)害，不合理的固體廢棄物堆放引發(fā)滑坡和泥石流災(zāi)害，一些小規(guī)模的非金屬礦山的開采面容易引發(fā)崩塌災(zāi)害.

(3)室內(nèi)遙感解譯礦山開發(fā)占地圖斑1640處，野外隨機(jī)抽取5%的圖斑數(shù)82處進(jìn)行野外驗(yàn)證，經(jīng)野外驗(yàn)證正確圖斑數(shù)為71處，解譯正確率為86.6%；遙感解譯礦山地質(zhì)災(zāi)害53處，野外驗(yàn)證正確47處，解譯正確率為88.7%.整體來說，采用高分辨率遙感影像開展礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測效果較好，建立的遙感解譯標(biāo)志在實(shí)際調(diào)查中運(yùn)用較好，解譯準(zhǔn)確率較高.

5.2 建議

通過對攀枝花市礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測結(jié)果和實(shí)踐表明，攀枝花市的礦山開采活動強(qiáng)度大、對地質(zhì)環(huán)境的影響程度大，且礦山地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重，尤其是重要礦集區(qū)和重點(diǎn)礦山表現(xiàn)突出，采用高分衛(wèi)星影像開展礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測效果較好，在此基礎(chǔ)上提出以下建議：

(1)加強(qiáng)對礦山開發(fā)環(huán)境的遙感監(jiān)測頻次.針對重要礦集區(qū)和重點(diǎn)礦山的礦山開采活動強(qiáng)度大以及地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的現(xiàn)狀，要增加遙感監(jiān)測的頻次，以便更好地實(shí)時掌握礦山的開發(fā)開采現(xiàn)狀以及地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，促進(jìn)國土部門對礦山開發(fā)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時掌握和更新.

(2)深度挖掘遙感監(jiān)測結(jié)果的應(yīng)用潛力，服務(wù)于國土部門對礦產(chǎn)資源的監(jiān)管、整改和規(guī)劃利用方面.遙感監(jiān)測的結(jié)果有助于督查礦山違法開采的整改情況、礦山地質(zhì)災(zāi)害的治理情況以及礦山占地恢復(fù)治理情況等等.通過對多年遙感監(jiān)測結(jié)果的動態(tài)分析，評價一個地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)動態(tài)以及對單個礦山發(fā)展情況進(jìn)行規(guī)劃和布局，以促進(jìn)礦產(chǎn)資源的有序開發(fā)利用和為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展謀篇布局.