基于RS和GIS的浙江省湖州市某區(qū)域礦山環(huán)境遙感監(jiān)測

張琳，楊永強，汪潔，杜曉川

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083）

0 引言

浙江省湖州市非金屬礦產(chǎn)資源豐富，在歷史上也屬于礦業(yè)大市，礦產(chǎn)建材業(yè)為湖州市的支柱產(chǎn)業(yè)，礦山開采對湖州市經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生積極影響（龔西征，2019）。但長期的礦山開采使礦山環(huán)境也存在著塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患，因而有必要對礦山環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。我國開展了很多礦山環(huán)境方面的調(diào)查研究，礦山環(huán)境遙感監(jiān)測是重要的研究之一。傳統(tǒng)的研究方式周期長、費用高，也有一定的局限性。遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)作為新興的信息技術(shù)之一（Fang，2020；王娟等，2014），可以更加快速了解礦山環(huán)境的動態(tài)變化情況（Zhou et al.，2011），克服傳統(tǒng)方式的局限性。將此技術(shù)運用到礦山遙感監(jiān)測中，能夠更好的分析礦山環(huán)境狀況，進而為更好地制定礦山環(huán)境恢復(fù)治理方案和措施提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)，從而更好的保護礦山生態(tài)環(huán)境（姚維嶺等，2015；陳喜芬等，2019）。

國內(nèi)諸多學(xué)者利用遙感監(jiān)測手段對礦山環(huán)境進行研究，提取了不同時期礦山環(huán)境（武強和李學(xué)淵，2015）、礦山開發(fā)狀況（楊金中等，2014；趙玉靈等，2019）和礦山環(huán)境恢復(fù)治理（王海慶和陳玲，2018；鄧錕，2019；汪燕等，2020）信息。前人研究大多只用遙感監(jiān)測手段對研究區(qū)進行監(jiān)測，對于礦山環(huán)境監(jiān)測工作過程中使用地形地貌與遙感監(jiān)測相結(jié)合進行的研究相對較少，本文鑒于此，在充分利用湖州市2018年和2019年獲取的國產(chǎn)高分辨衛(wèi)星數(shù)據(jù)和SRTMDEMUTM 90M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)地形坡度與研究區(qū)礦山環(huán)境矢量結(jié)合，總結(jié)不同地形坡度下的礦山占地特征，可以更好的與地形、坡度結(jié)合全面分析研究區(qū)礦山環(huán)境狀況，再結(jié)合浙江省的自然環(huán)境、礦產(chǎn)資源分布情況等資料，對湖州市某區(qū)域礦山環(huán)境情況進行動態(tài)監(jiān)測，旨在掌握湖州市礦山環(huán)境現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于北緯30°34’～31°0’、東經(jīng)119°30’～120°5’之間。位于浙江省北部，湖州市中部，太湖南岸，緊鄰安徽、江蘇兩??；該研究區(qū)地形多為平原，分布在北部、西北部和東部；中部多為丘陵；西南部大多為山地，大體上地勢由西南向東北傾斜；地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總的特點為四季分明、季風(fēng)顯著、氣候溫和多雨，雨熱同期。

1.2 礦產(chǎn)資源

湖州市非金屬礦產(chǎn)資源豐富，是浙江省非常主要的建材生產(chǎn)基地（朱仲華，2016）。表現(xiàn)為建筑石料礦產(chǎn)資源豐富（李風(fēng)和項江鴻，2018），礦山點多面廣、燃料礦產(chǎn)短缺、金屬礦產(chǎn)匱乏。礦區(qū)內(nèi)主要開采建筑用凝灰?guī)r、建筑用花崗石、建筑用砂巖、建筑石料用灰?guī)r、頁巖；已知的其他開采礦種還有砂巖、水泥用灰?guī)r、建筑用安山巖、玻璃用石英巖、水泥配料用頁巖、磚瓦用粘土等。

2 遙感監(jiān)測方法

以ArcGIS 等軟件為研究平臺，進行數(shù)據(jù)處理、遙感解譯等來完成本次研究。主要的工作流程為收集已有的基礎(chǔ)地理、礦山環(huán)境等基礎(chǔ)的成果資料，對遙感影像進行預(yù)處理，通過野外實地調(diào)查和影像的對比分析，建立遙感解譯標(biāo)志，完成對于礦山占地、礦山恢復(fù)治理等信息提取工作，對比研究區(qū)2018 年的礦山環(huán)境調(diào)查成果，分析礦山環(huán)境的更新情況和動態(tài)變化，進行坡向分析，結(jié)合礦山環(huán)境矢量，總結(jié)恢復(fù)治理模式，技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)流程

2.1 遙感數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

本次研究是采取了2018年和2019年2年的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為遙感信息源，包括GF1、GF2、GF6、ZY3、BJ2等數(shù)據(jù)，主要為空間分辨率為1 m的影像，其次是0.5 m和2 m的影像，為了保證2年衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息提取的準(zhǔn)確性，所以對遙感影像進行了預(yù)處理。高程DEM數(shù)據(jù)則是在地理空間數(shù)據(jù)云官方網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）下載的SRTMDEMUTM 90M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，下載的數(shù)據(jù)為.img格式。

先是基于ERDAS軟件平臺完成對2018年數(shù)據(jù)的處理，主要包括幾何糾正、波段組合、數(shù)據(jù)融合等，然后以處理好的2018年的影像數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在誤差允許的范圍內(nèi)（0.5～0.75 mm）（汪潔等，2019，2020），對2019年的影像進行幾何糾正，對配準(zhǔn)之后的影像進行波段組合和數(shù)據(jù)融合。然后在利用ArcGIS數(shù)據(jù)管理工具，對下載的DEM數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要包括鑲嵌、提取分析、投影柵格等。最后進行高程分類、坡度分析，得到研究區(qū)的高程、坡度數(shù)據(jù)。

2.2 信息提取

在野外踏勘的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件平臺，采用人機交互解譯的方法（劉金榜等，2014），在經(jīng)過正射糾正的2018年和2019年影像上分別提取礦山開發(fā)環(huán)境的地物信息，主要包括礦山采場、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物、礦山建筑物以及礦山環(huán)境恢復(fù)治理等信息。依據(jù)遙感解譯和野外實地驗證的成果，將各類主要的礦山地物解譯標(biāo)志（馬國胤等，2017）如下列舉（表1）：

表1 礦山地物解譯標(biāo)志表

3 結(jié)果與分析

3.1 地形地貌特征

根據(jù)全國統(tǒng)一的高程劃分標(biāo)準(zhǔn)（宋佳，2006；劉思潔，2017），利用湖州市DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件平臺，運用柵格轉(zhuǎn)面工具，提取高程數(shù)值、分類，制作地形起伏分級圖，將湖州市按地形的起伏程度劃分為6個等級：即<30 m平原、30～70 m臺地、70～200 m丘陵、200～500 m小起伏山地、500～1000 m中起伏山地、1000～2500 m大起伏山地（圖2）。研究區(qū)主要以臺地和丘陵為主，合計占比69.46%。

圖2 浙江省湖州市某區(qū)域地形起伏分級圖

通過ArcGIS 3D分析中的表面分析工具，對研究區(qū)進行坡度劃分，將研究區(qū)坡度分為6個等級，即0～5°平坡、6～15°緩坡、16～25°斜坡、26～35°陡坡、36～45°急坡和46°以上險坡（圖3）。研究區(qū)主要以緩坡和斜坡為主，合計占比55.37%。

圖3 研究區(qū)礦山占地坡度分級圖

3.2 礦產(chǎn)開發(fā)狀況

研究區(qū)主要開采非金屬礦，均屬于建材及其它非金屬礦產(chǎn)，對非金屬礦的開采正在有序進行；礦業(yè)開發(fā)秩序良好，新增采場均在礦權(quán)范圍內(nèi)，影像及野外調(diào)查均未發(fā)現(xiàn)越界開采、無證開采、以采代探等疑似違法違規(guī)現(xiàn)象。

從地形來看，研究區(qū)平原地區(qū)主要開采建筑石料用灰?guī)r、臺地地區(qū)主要開采建筑用花崗石、丘陵和小起伏山地主要開采建筑用凝灰?guī)r；從坡度來看，研究區(qū)斜坡、陡坡、急坡、險坡主要開采建筑用凝灰?guī)r；平坡主要開采建筑石料用灰?guī)r；緩坡主要開采建筑用花崗石。

3.3 礦山占損土地

研究區(qū)2018年度礦山開發(fā)占損面積2587.80 hm2（表2）。從礦山占地看，采場占比81.96%；中轉(zhuǎn)場地占比10.02%，主要類型為選礦廠208.48 hm2；固體廢棄物占比0.72%，主要類型為排土場11.45 hm2；礦山建筑占比7.31%，主要類型為生產(chǎn)區(qū)118.64 hm2。2018—2019年新增占損土地面積63.91 hm2（表2），且大多數(shù)為挖損土地新增，壓占土地僅增0.40 hm2，礦山占損土地變化不大。

表2 研究區(qū)礦山環(huán)境遙感調(diào)查統(tǒng)計表/ hm2

礦山占損土地主要以丘陵為主（表3），占比36.12%，其次為臺地，占比33.03%；從坡度來看，主要集中于緩坡地區(qū)（表4），占比27.30%；其次為斜坡，占比25.31%。據(jù)研究區(qū)在不同起伏度和坡度下礦山占地面積統(tǒng)計（表3、表4），采場主要在丘陵地區(qū)，占總采場面積的39.72%，以緩坡為主；中轉(zhuǎn)場地是主要在平原地區(qū)；占比67.44%，以平坡為主；固體廢棄物主要在丘陵地區(qū)，以緩坡為主；礦山建筑物主要在平原地區(qū)，以緩坡為主。研究區(qū)開采難度較小，開采邊坡較為穩(wěn)定。

表3 研究區(qū)各地形下的挖損土地面積統(tǒng)計表/ hm2

表4 研究區(qū)各坡度下的挖損土地面積統(tǒng)計表/ hm2

研究區(qū)2018—2019年新增占損土地主要集中分布于平原地區(qū)（表5），占比47.36%；其次是臺地，占比46.26%；從坡度來看，主要集中在緩坡地區(qū)（表6），占比53.09%；其次為斜坡，占比30.29%；可見該地區(qū)礦山露天開采邊坡較為穩(wěn)定；新增的主要類型為采場，因該地西南部大多為山地，所以新增采場面積較大（圖4）。

圖4 研究區(qū)西南部某區(qū)域新增占損土地情況對比圖

表5 研究區(qū)各地形下的新增挖損土地面積統(tǒng)計表/ hm2

表6 研究區(qū)各坡度下的新增挖損土地面積統(tǒng)計表/ hm2

從礦種來看，研究區(qū)2018年度，建材及其它非金屬2577.48 hm2、冶金輔助原料非金屬0.27 hm2、特種非金屬10.05 hm2（表7），對冶金輔助原料非金屬的開采遠遠高于其他礦種。2018—2019年新增面積63.91 hm2，且全部為建材及其它非金屬新增，冶金輔助原料非金屬和特種非金屬均無變化。說明該地區(qū)對于建材及其它非金屬礦產(chǎn)的開發(fā)持續(xù)增加，對該礦產(chǎn)的開采正在有序進行。

表7 研究區(qū)不同礦種礦山開發(fā)占地統(tǒng)計表/ hm2

據(jù)不同礦種的地形地貌占地統(tǒng)計（表8、表9），建材及其它非金屬主要分布在臺地地區(qū)，占比35.88%；其次為丘陵地區(qū)，占比35.41%；以緩坡和斜坡為主，累計占比60.27%；陡坡地帶面積814.10 hm2、急坡443.52 hm2、險坡171.58 hm2，有一半以上區(qū)域較易開采，但在陡坡、急坡、險坡地區(qū)開采難度較大。

表8 研究區(qū)不同地形下不同礦種礦山開發(fā)占地面積統(tǒng)計表/ hm2

表9 研究區(qū)不同坡度下不同礦種礦山開發(fā)占地面積統(tǒng)計表/ hm2

3.4 礦山環(huán)境恢復(fù)治理

2018年研究區(qū)涉礦面積為4434.16 hm2，其中，礦山占損土地2587.80 hm2，恢復(fù)治理1846.36 hm2（表10），恢復(fù)治理百分比是43.81%，主要進行了礦山土地復(fù)墾、植被綠化等治理工程，礦山環(huán)境恢復(fù)治理程度較高（圖5）；研究區(qū)位于湖州市中部，地形平坦、四季分明、溫和多雨，充足的陽光、適宜的水分和良好的自然環(huán)境，非常適合草木的生長。研究區(qū)2018年度，礦山環(huán)境恢復(fù)治理主要為林地（表10），共計完成恢復(fù)治理917.12 hm2，占比 49.67%。其中，主要是采場與中轉(zhuǎn)場地，分別轉(zhuǎn)換了822.62 hm2、94.46 hm2；其次為其他用地和草地，分別完成恢復(fù)治理578.93 hm2、196.81 hm2，也主要是采場和中轉(zhuǎn)場地轉(zhuǎn)移。

表10 研究區(qū)2017—2018年礦山環(huán)境恢復(fù)治理土地類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計表/ hm2

圖5 研究區(qū)2018年和2019年恢復(fù)治理影像對比圖

研究區(qū)礦山環(huán)境恢復(fù)治理主要是在臺地地區(qū)，占比38.66%（表11），以緩坡為主；其次是在丘陵地區(qū)，占比31.17%，以斜坡為主，礦山環(huán)境恢復(fù)治理地帶較陡，難度較大。

表11 研究區(qū)各地形坡度下恢復(fù)治理面積統(tǒng)計表/ hm2

2018—2019年度新增恢復(fù)治理263.94 hm2（表12），恢復(fù)治理百分比為44.05%。林地呈現(xiàn)平穩(wěn)增長，耕地和其他用地增幅較大；新增林地恢復(fù)治理面積56.24 hm2（表12），上漲6.13%；其他用地新增180.04 hm2，上漲31.10%；新增耕地25.90 hm2，上漲32.99%，是漲幅最大的土地類型；與2018年相比，研究區(qū)2019年新增連帶治理面積0.66 hm2（表13）。從治理的土地類型上來看，主要的治理類型是林地，其次為其他用地（圖6）。

圖6 研究區(qū)2018年和2019年恢復(fù)治理土地類型情況對比柱狀圖

表13 研究區(qū)2018—2019年礦山環(huán)境恢復(fù)治理土地類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計表/ hm2

根據(jù)研究區(qū)新增恢復(fù)治理土地類型所對應(yīng)的坡度情況（表12），總結(jié)出一套適合湖州市的礦山環(huán)境恢復(fù)治理模式。在平坡地區(qū)恢復(fù)治理面積最大，為84.54 hm2，占比32.03%。研究區(qū)地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和多雨，環(huán)境適宜，部分采場自然復(fù)綠；區(qū)內(nèi)大部分為露天采場，交通便捷，對礦山原占地進行改造，樹木種植、植被綠化，對壓占的土地進行回填、平整和復(fù)墾，鋪設(shè)防護網(wǎng)，進行復(fù)綠工程；緩坡地區(qū)恢復(fù)治理面積56.67 hm2，占比 21.47%。坡度較小，治理難度較小，一邊開采、一邊復(fù)綠；在斜坡地區(qū)恢復(fù)治理面積79.01 hm2，占比 29.93%。需先將坡面進行邊坡穩(wěn)定性處理，在陡坡、急坡、險坡地區(qū)，需先進行削坡、降坡，進行坡面的清理和整修，在坡體頂部加蓋固定等。

表12 研究區(qū)各坡度下的新增恢復(fù)治理土地利用類型統(tǒng)計表/ hm2

綜上所述，研究區(qū)主要的恢復(fù)治理類型可以概括為生態(tài)自然復(fù)綠型、礦山占地改造型、邊開采邊治理型等治理模式。主要的恢復(fù)治理措施是植被綠化、削坡、降坡、對壓占的土地進行回填、平整和復(fù)墾、樹木種植等。

據(jù)遙感調(diào)查成果，研究區(qū)不同起伏度下的面積，平原面積1474.58 hm2、臺地1869.64 hm2、丘陵1783.60 hm2、小起伏山地131.96 hm2；研究區(qū)不同坡度下的面積，平坡面積831.29 hm2、緩坡1530.94 hm2、斜坡 1381.55 hm2、陡坡 886.84 hm2、急坡 456.03 hm2、險坡173.13 hm2。研究區(qū)地形主要以臺地和丘陵為主，坡度以緩坡和斜坡為主，有一半以上區(qū)域較易開采，邊坡穩(wěn)定。礦山環(huán)境的恢復(fù)治理情況良好，證明了湖州市礦山環(huán)境恢復(fù)治理取得了較好的結(jié)果，治理前主要為采場，恢復(fù)治理后主要為林地，從遙感影像上看，大部分地區(qū)植被長勢良好。十多年來，湖州樹立踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，讓山川披上綠衣。

3.5 地質(zhì)災(zāi)害或潛在地質(zhì)災(zāi)害

該研究區(qū)無地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，主要開采方式為露天開采，未發(fā)現(xiàn)塌陷坑，但還存在潛在地質(zhì)災(zāi)害威脅，如在急坡、險坡地區(qū)采場存在不穩(wěn)定斜坡，以及隨著開采深度的不斷加深，容易引發(fā)崩塌、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；固體廢棄物的不合理堆放存在潛在泥石流；分布于山區(qū)附近的農(nóng)村人民居住地在強降雨等自然因素的誘發(fā)下可能發(fā)生崩塌、滑坡等。當(dāng)?shù)鼐用襁€是要提高警惕，扎實做好地質(zhì)災(zāi)害防治工作。

4 結(jié)論

（1）通過使用2018年和2019年獲取的浙江省湖州市某區(qū)域國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立了礦山遙感解譯標(biāo)志；礦山占地類型主要有礦山采場、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物、礦山建筑以及礦山恢復(fù)治理；通過DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，劃分高程標(biāo)準(zhǔn)，判斷地形起伏；用研究區(qū)坡度數(shù)據(jù)，結(jié)合礦山環(huán)境矢量，再結(jié)合浙江省的自然環(huán)境、礦產(chǎn)資源分布情況等資料，對湖州市某區(qū)域礦山環(huán)境情況進行遙感監(jiān)測。兩年內(nèi)，研究區(qū)礦山開發(fā)狀況良好，未發(fā)現(xiàn)塌陷坑、崩塌、滑坡、泥石流等礦山地質(zhì)災(zāi)害，也未監(jiān)測到疑似違法違規(guī)開采跡象，礦區(qū)開采穩(wěn)定。

（2）研究區(qū)主要的恢復(fù)治理模式主要概括為生態(tài)自然復(fù)綠型、礦山占地改造型和邊開采邊治理型。主要的恢復(fù)治理措施是植被綠化等工程治理，削坡、降坡，土地的平整復(fù)墾，樹木種植等。植被長勢良好，礦山環(huán)境恢復(fù)治理情況較好，兩年來恢復(fù)治理率有所提升，當(dāng)?shù)卣块T應(yīng)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)推行礦山恢復(fù)治理方案，不斷完善治理規(guī)劃，繼續(xù)走綠色發(fā)展之路。