露天礦山遙感動態(tài)監(jiān)測方法研究

康榮華，蔣 巍，王 婧

（1.寧夏國土資源調(diào)查監(jiān)測院，寧夏 銀川 751600；2.寧夏自然資源成果質(zhì)量檢驗中心，寧夏 銀川 751600）

近年來，為整治露天礦產(chǎn)資源領(lǐng)域行業(yè)亂挖亂采、破壞生態(tài)環(huán)境等違法行為，迫切需要探索建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山全方位、全周期監(jiān)管模式，嚴(yán)厲打擊超層越界開采、盜采等違法違規(guī)行為，維護良好礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序。本文基于遙感技術(shù)探索利用遙感影像結(jié)合無人機航測技術(shù)對露天礦山超層越界進行動態(tài)監(jiān)測方法研究，為露天礦山動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管提出一套較為全面的技術(shù)手段，適用于大范圍的露天礦山動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管。

1 露天礦山現(xiàn)狀

礦山建設(shè)與采礦活動改變了原有的地形條件和地貌特征，造成土地損壞、山體破損、巖石裸露、植被破壞，尤其是位于自然保護區(qū)、景觀區(qū)、居民集中生活區(qū)的周邊和重要交通干線、河流湖泊直觀可視范圍內(nèi)的露天采礦活動，其影響更為嚴(yán)重。采礦同時，露天采礦廢渣、棄石、尾礦堆置等，直接破壞和壓占大量土地資源。另外，礦山廢水、廢渣、粉塵造成水土污染、大氣污染[1]。近些年來隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，一些礦山企業(yè)為利益驅(qū)使，對露天礦山進行超層越界開采甚至盜采現(xiàn)象極為嚴(yán)重，由此造成安全生產(chǎn)隱患、揚塵污染、生態(tài)環(huán)境破壞、國家權(quán)益受損等后果。然而，目前露天礦山監(jiān)管面臨著諸多困境，如監(jiān)管效率低，監(jiān)管力量薄弱，主要靠實地調(diào)查，無法做到全覆蓋。監(jiān)管成本高，礦區(qū)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)管缺乏系統(tǒng)性、連續(xù)性，缺乏定期監(jiān)管機制等。

2 露天礦山遙感影像監(jiān)測

2.1 數(shù)據(jù)處理

遙感監(jiān)測使用的數(shù)據(jù)源要求可清晰判別地物類型，圈定地物邊界，具備可辨識度高、層次分明、色調(diào)均勻、反差適中，無云雪覆蓋等特點[2]。國內(nèi)高分二號遙感影像分辨率可達0.8米，分辨率能夠滿足露天礦山疑似越界動態(tài)監(jiān)測。但必須對原始遙感圖像進行處理，主要包括：坐標(biāo)基準(zhǔn)、幾何校正、圖像鑲嵌和圖像增強五部分內(nèi)容。

2.2 遙感影像解譯標(biāo)志建立

解譯標(biāo)志是指在遙感影像上能具體反映和判別地物或現(xiàn)象的影像特征，建立解譯標(biāo)志是遙感影像目視解譯的關(guān)鍵和核心。解譯標(biāo)志的建立，主要采用實地調(diào)查的方法，在充分收集地面實況資料后，對各類地物體在遙感圖像上的形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、影像結(jié)構(gòu)、圖案花紋以及與之有聯(lián)系的地質(zhì)、地貌、土壤、水文、植被、氣候、人文活動等形成的影像特征進行綜合分析后確立。建立遙感解譯標(biāo)志是遙感解譯的基礎(chǔ)和前提，是完成信息提取工作的關(guān)鍵。

露天礦山的開發(fā)會導(dǎo)致地表裸露，這些裸露的礦山地表在影像上所呈現(xiàn)出的色調(diào)、圖像結(jié)構(gòu)、影紋圖案等會根據(jù)不同礦種有不同的反映。表1列出了不同露天礦種開采區(qū)遙感解譯參考標(biāo)示。

表1 不同露天礦種開采區(qū)遙感解譯參考標(biāo)識

2.3 遙感影像監(jiān)測信息獲取

遙感影像監(jiān)測信息獲取，在建立各種解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上，通過對前后不同時期礦山開采影像解譯標(biāo)志的變化情況比對，可獲取礦山疑似越界開采信息，如下表2。影像監(jiān)測結(jié)果：采礦區(qū)范圍內(nèi)（藍色線框）及邊界影紋變化呈條狀，疑似越界開采。礦區(qū)附近（紅色線框）影紋呈團狀、色調(diào)為深綠色，疑似盜采形成的廢水坑。

實地調(diào)查結(jié)果：該采礦權(quán)截止2020年第三季度在采礦權(quán)南側(cè)實施了礦山恢復(fù)治理。建議當(dāng)?shù)貓?zhí)法部門實地核查。

圖1 某建筑用砂巖礦遙感影像監(jiān)測

露天礦山開采除采礦權(quán)實際開采面外，還需要占用土地進行堆料，選礦、排渣等工作，這類土地占用有些屬于合法的工業(yè)占用地范疇，但是也存在借“工業(yè)用地”的名目進行非法越界開采資源。從遙感影像上解譯，這類圖斑紋理雜亂，有些有明顯的工業(yè)設(shè)施和渣堆，故仍需實地查看，界定占用地實際屬性，是否是合理的“工業(yè)用地”，還是“非法越界開采”。

3 露天礦山無人機航測

航天遙感影像可以很直觀的監(jiān)測礦山在二維平面上的疑似越界開采變化信息，對于露天礦山的超層開采監(jiān)測則需要采用無人機傾斜攝影測量方式建立三維實景模型進行監(jiān)測。尤其對地形或監(jiān)測對象較為復(fù)雜，測量人員或儀器難以全面監(jiān)測到的露天礦山[3]。無人機航空攝影測量監(jiān)測一般適用于監(jiān)測面積小于10平方公里，正在開采或已開采完畢的露天礦山。

3.1 無人機航測外業(yè)技術(shù)要求

起降場地宜選擇相對平坦，視野良好，遠離軍用及民運機場地方，附近應(yīng)無正在使用的雷達站，信號塔，高壓線等干擾源，在不能確定的情況下，應(yīng)測試系統(tǒng)的信號強度和頻率，如對系統(tǒng)設(shè)備有干擾，須改變起降場地。

航線布設(shè)依據(jù)監(jiān)測對象的特點采用之字形或井字形航線，航高一般為100m～200m，集體航高按照監(jiān)測精度，監(jiān)測區(qū)域最高地物及天氣綜合判斷。航線重疊率一般為60%，在同一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)飛機的航高，航速及飛行姿態(tài)保持一致。

監(jiān)測作業(yè)前需根據(jù)國家及地方政府相關(guān)規(guī)定盛情空域，批復(fù)后方可進場作業(yè)。測量前需先測定風(fēng)速，并觀察空氣能見度及周圍高大建筑物。組裝無人機，檢查各部件是否連接緊密，無人機電池電力是否充足，矯正無人機磁羅盤。架設(shè)地面站，啟動連接遙控和飛機，確定數(shù)據(jù)傳輸暢通。啟動無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測無人機飛行姿態(tài)，航速，航高，飛行軌跡及傾斜攝影測量系統(tǒng)工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集完畢后，對采集數(shù)據(jù)及飛行整體進行檢查評估，判斷是否復(fù)飛。

3.2 無人機航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

采用相關(guān)軟件對航攝獲取的原始數(shù)據(jù)進行傳輸解壓，分離出航片數(shù)據(jù)，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)（IMU）和基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)。利用架設(shè)在基站點的基準(zhǔn)站GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)與基站點已知高程，對航攝數(shù)據(jù)進行高程擬合轉(zhuǎn)換。對監(jiān)測區(qū)域進行似大地水準(zhǔn)面精化后進行轉(zhuǎn)換，將航攝數(shù)據(jù)系統(tǒng)高程轉(zhuǎn)換成成果高程系統(tǒng)。對整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，不同架次獲取的航攝相片進行拼接處理，檢查是否存在空洞。

航片質(zhì)量檢查重點對模型上不連續(xù)，不光滑處，空洞處進行查看是否記錄缺失、數(shù)據(jù)坐標(biāo)是否正確。同時結(jié)合現(xiàn)場實地情況，對地物特征點進行rtk測量，對比地面模型數(shù)據(jù)的精度。對于影像數(shù)據(jù)存在無法解算或因局部空洞影響監(jiān)測效果應(yīng)進行補飛和重測。補飛與重測應(yīng)與原航線設(shè)置參數(shù)一致。

通過專業(yè)軟件可建立監(jiān)測區(qū)域點云地面模型及數(shù)字正射影像（DOM），數(shù)字地面模型（DSM），及三維影像。礦山三維可量算模型，能夠準(zhǔn)確獲取露天礦山的實際開采范圍、開采標(biāo)高、開采儲量、邊坡坡度等。

4 結(jié)論

本文分別介紹了利用遙感影像及無人機航測技術(shù)對露天礦山超層越界開采進行動態(tài)監(jiān)測的方法，遙感影像動態(tài)監(jiān)測優(yōu)點在于可快速的對大范圍內(nèi)露天礦山進行監(jiān)測，成本低。不足之處為，受限于遙感影像二維特征，只能對開采越界范圍進行解譯，且解譯頻率及精度受限于遙感影像獲取頻率和精度。無人機航測技術(shù)以其高精度、三維的優(yōu)勢，近年來廣泛應(yīng)用于礦山等監(jiān)測。但無人機航測成本較高，監(jiān)測范圍小，一般監(jiān)測范圍以一個礦山為宜。一個地區(qū)例如一個省份要進行露天礦山監(jiān)測監(jiān)管，露天礦山數(shù)量較多的情況下，建議將兩種方法結(jié)合，先利用遙感影像動態(tài)監(jiān)測進行定期大面積篩查，將遙感影像上明顯有越界、開采痕跡變化的礦山篩選出來，然后利用無人機航測技術(shù)重點對此類礦山進行無人機測量。