基于國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

張華平，王增輝，謝頌詩，馬麗新，張貴麗，汪潔，馬瑜宏，郝興中，智云寶，曾慶斌

(1．山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014；2．中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

礦產(chǎn)資源是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，未來中國經(jīng)濟(jì)將會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，對礦產(chǎn)品需求將保持一定增速，國內(nèi)礦產(chǎn)品供應(yīng)壓力增大，礦產(chǎn)資源供需形勢不容樂觀[1]。黨的十九大將生態(tài)文明建設(shè)提升到前所未有的新高度，其中，礦業(yè)開發(fā)秩序的維護(hù)、礦山環(huán)境的保護(hù)修復(fù)是推進(jìn)生態(tài)文明和美麗中國建設(shè)的重要組成部分。堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，建立反映資源消耗、環(huán)境損害、環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)等礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境全流程的監(jiān)測體系，開展礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境全要素全天候監(jiān)測，一直是國家礦政管理的重要需求[2-3]。

利用遙感技術(shù)可以快速的、大范圍、全面的獲取地表信息。隨著遙感技術(shù)全面快速的發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率越來越高，且獲取同一區(qū)域數(shù)據(jù)的能力越來越強(qiáng)，以國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立礦產(chǎn)資源開發(fā)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為一個現(xiàn)實[4]。本文從遙感技術(shù)可以監(jiān)測的礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境問題入手，闡述動態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，著重介紹該系統(tǒng)中幾個重要的環(huán)節(jié)和一些常用的處理方法，通過該系統(tǒng)的建設(shè)可以實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)的主動式管理，推動礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 監(jiān)測主要內(nèi)容

利用遙感技術(shù)，開展山東省礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況和礦山環(huán)境遙感地質(zhì)解譯、礦山環(huán)境問題地區(qū)環(huán)境監(jiān)測，初步查明礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況及引起的礦山環(huán)境問題。

1．1 礦產(chǎn)資源的違規(guī)開采

結(jié)合實際工作發(fā)現(xiàn)實際違規(guī)開采的形式主要有無證開采、越界開采、超期開采和采礦與礦權(quán)證不一致4種類型[5]，以無證開采最為突出，主要表現(xiàn)在一些小規(guī)模的礦山上。例如，砂石料價格居高不下，導(dǎo)致采石、砂等違法較為突出，其特點是采礦進(jìn)入門檻低，采礦點不固定。

1．2 礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題

礦產(chǎn)資源開發(fā)本身可能產(chǎn)生一系列的生態(tài)環(huán)境問題。主要有以下幾個方面：首先，露天礦產(chǎn)的開采會破壞地表，礦產(chǎn)品的堆放也會大量占地，地下開采可能會引起地面塌陷、水土流失等[6]；其次，礦山生產(chǎn)過程產(chǎn)生較多污水，未加處理直接排放，可能污染到礦區(qū)周邊地表及淺層地下水[7]；最后，礦產(chǎn)開發(fā)礦渣、尾礦及生產(chǎn)過程中的污水存儲及處理方式可能存在安全隱患，可能產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害，造成泥石流、滑坡和崩塌等。如2010紫金山銅礦濕法廠污水滲漏事故，污染周邊的環(huán)境，給當(dāng)?shù)貛砹酥卮蟮慕?jīng)濟(jì)損失[8]。

1．3 礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)劃執(zhí)行情況監(jiān)測

主要包含2個部分，一個是礦產(chǎn)開發(fā)規(guī)劃執(zhí)行情況監(jiān)測，即監(jiān)測礦產(chǎn)開采情況和礦產(chǎn)開發(fā)規(guī)劃內(nèi)容是否一致；另一個是礦山生態(tài)環(huán)境情況。

總之，地表開展的、地下開采但是在地表有附屬設(shè)施能反映地下開采情況的，均能通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取的相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)測。

2 礦產(chǎn)資源開發(fā)動態(tài)監(jiān)測流程

礦產(chǎn)資源開發(fā)動態(tài)監(jiān)測是一個系統(tǒng)的工程。是以初次利用遙感手段進(jìn)行監(jiān)測作為起點，建立一個礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，其中包含礦權(quán)信息、礦產(chǎn)規(guī)劃信息、礦山開發(fā)現(xiàn)狀及環(huán)境信息等礦山相關(guān)信息，然后每隔一定周期，根據(jù)更新的高分辨率遙感影像進(jìn)行礦山開發(fā)動態(tài)信息的提取并進(jìn)行相關(guān)調(diào)查，最后形成一個動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。

按照遙感動態(tài)監(jiān)測的一般工作流程、結(jié)合礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測的實際情況并參考了大量礦山資源遙感監(jiān)測相關(guān)研究[9-14]，擬定了礦產(chǎn)資源開發(fā)動態(tài)監(jiān)測的流程圖(圖1)，該流程有一定的代表性和可操作性，各個不同的工作區(qū)可能會因為具體不同的情況而做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。流程描述了一次完整的礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測過程，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測還需要定期在該基礎(chǔ)上更新影像、礦權(quán)等資料，重復(fù)該過程。

圖1 礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境監(jiān)測流程圖

3 資料的收集及預(yù)處理

3．1 遙感數(shù)據(jù)空間分辨率與調(diào)查精度

遙感影像數(shù)據(jù)是整個監(jiān)測工作基礎(chǔ)，其質(zhì)量的好壞以及空間分辨率的高低直接影響到監(jiān)測的精度和效果。遙感影像數(shù)據(jù)空間分辨率越高越有利于監(jiān)測工作，但其購置費用也高，常態(tài)的礦產(chǎn)資源開發(fā)動態(tài)監(jiān)測需要在監(jiān)測質(zhì)量和監(jiān)測成本之間找到一個合適的平衡點。因此，首先應(yīng)該對工作區(qū)的礦產(chǎn)開發(fā)及分布現(xiàn)狀進(jìn)行初步的研究，根據(jù)礦產(chǎn)分布的密度、礦產(chǎn)的種類和開采的方式等綜合因素確定整個調(diào)查區(qū)不同區(qū)域的遙感監(jiān)測的調(diào)查精度。

遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率與礦產(chǎn)資源監(jiān)測精度存在著對應(yīng)的關(guān)系，王曉紅等[6]對高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率與遙感礦山開發(fā)狀況及環(huán)境監(jiān)測的調(diào)查比例尺的關(guān)系做了較為深入的研究(表1)，是現(xiàn)階段礦產(chǎn)資源遙感監(jiān)測的主流數(shù)據(jù)源與調(diào)查比例尺之間的對應(yīng)關(guān)系。對于其他高分衛(wèi)星獲取的遙感數(shù)據(jù)在礦產(chǎn)遙感監(jiān)測能達(dá)到的精度，亦可依據(jù)此表進(jìn)行推斷。

表1 最佳及最大成圖比例尺[15-16]

3．2 非遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理及用途

(1)礦權(quán)資料。目前礦權(quán)資料已經(jīng)完成80坐標(biāo)向2000坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，但仍然是三度帶，需要將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到遙感監(jiān)測坐標(biāo)系統(tǒng)下來，這需要根據(jù)實際調(diào)查區(qū)的范圍來確定。山東省經(jīng)度在115°～123°之間，跨2個六度帶，最終的全省的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該統(tǒng)一到經(jīng)緯度上。礦權(quán)資料的主要作用是，將礦權(quán)和遙感影像套和，來判斷礦產(chǎn)開發(fā)的合法性。

(2)礦產(chǎn)規(guī)劃及相關(guān)礦山環(huán)境綜合治理資料。主要包括調(diào)查區(qū)最新的礦產(chǎn)規(guī)劃資料、礦山環(huán)境綜合治理資料、礦山地質(zhì)背景資料等，資料可能因為提交時間和單位的不同坐標(biāo)系統(tǒng)可能存在差異，需要統(tǒng)一到監(jiān)測系統(tǒng)下。規(guī)劃資料的作用組要在對比現(xiàn)狀開發(fā)，檢查礦產(chǎn)規(guī)劃執(zhí)行的情況，礦山環(huán)境綜合治理資料主要作用在于礦山環(huán)境治理及恢復(fù)情況。

(3)地形圖、DEM數(shù)據(jù)。一般區(qū)域1∶5萬、重點區(qū)域1∶1萬地形圖(能收集到精度較高的帶地理坐標(biāo)的影像或航片更好)以及DEM數(shù)據(jù)。將地形圖經(jīng)掃描和幾何糾正后形成柵格數(shù)據(jù)集(DRG)，主要用于采集地面控制點(GCP)與數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)配合對高分遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正。

3．3 遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括遙感影像幾何糾正、波段組合、數(shù)據(jù)融合、鑲嵌以及增強(qiáng)等，處理技術(shù)目前已較為成型，不細(xì)敘述，注意一下幾個技術(shù)要求。幾何糾正中平原、丘陵地區(qū)中誤差值不超過0.5mm，山區(qū)不超過0.75mm[17]；影像融合采用彩色合成(Pansharp)法和正交化變換(Gram-schmidt)法[18-19]；合理的拼接線也有助于影像鑲嵌的效果，擬合中誤差控制在1個像元左右[20]；可以根據(jù)工區(qū)的實際情況，利用反差和邊緣增強(qiáng)、彩色增強(qiáng)等方法增強(qiáng)影像上的礦山地物信息。

4 信息提取及驗證

礦產(chǎn)遙感監(jiān)測的信息提取主要有以下幾個步驟：建立解譯標(biāo)志、礦產(chǎn)圖斑自動提取、結(jié)合相關(guān)資料判斷圖斑的屬性、各種信息的輸入及外業(yè)圖件的輸出以及圖斑信息的外業(yè)驗證。

4．1 礦山解譯標(biāo)志的建立

不同的礦種因其獨特的屬性以及開采、加工及尾礦處理等方式的差異，在影像上有其獨特的影像特征(圖2)。

圖2 山東省主要礦山解譯標(biāo)志影像圖

金礦：露天礦色調(diào)灰白色，多數(shù)可見豎井建筑，礦山建筑、運輸車輛密等與礦規(guī)模相對應(yīng)，少量硐采；周邊一般有選礦廠、選礦池，有少量礦石堆。

飾面用花崗巖：露天開采，開采面色調(diào)為灰白色，開采面規(guī)則，有階梯狀，局部有陰影或積水，開采面周邊有礦產(chǎn)品；礦區(qū)道路清晰，道路連接周邊有加工場、料場及工棚等，一般多個采坑連續(xù)分布。

鐵礦：露天采礦色調(diào)為灰黑色，顏色采坑部位深周邊淺，呈與礦脈一致條帶狀分布，礦坑影像清晰，呈階梯狀，有大車路進(jìn)入礦區(qū)，連接周邊的選礦場、尾礦庫等。亦有井采，地表建筑物簡單，井一般不大，多為比較孤立的小院。

煤礦：山東境內(nèi)全部為地下開采，礦井有一定高度，易識別，礦區(qū)有規(guī)則圍墻和一些辦公樓及相關(guān)設(shè)施，礦井與煤堆之間一般有運輸軌道連接礦井；礦井附近一般有煤堆(色調(diào)為黑色)、煤矸石堆等，部分煤礦采區(qū)有連片塌陷。

塌陷：顏色較周邊深，土地利用類型異于周邊，影文模糊與周邊影像有明顯的過渡區(qū)；常伴積水或深坑，常分布在煤礦采礦區(qū)。

建筑石料用灰?guī)r：露天開采，色調(diào)較淺，呈灰白色，形狀不規(guī)則，比較集中，內(nèi)部通達(dá)的道路亮度明顯高于周邊，道路連接開采面、加工場和石料堆。

4．2 影像的解譯

自動解譯：以建立的解譯標(biāo)志為基礎(chǔ)，通過遙感軟件自動解譯，可以快速地找到礦區(qū)位置，提高工作效率，對于大范圍的礦山開發(fā)動態(tài)監(jiān)測是一種有效的工作手段。但是自動解譯也存在一些問題，比如不能自動確定細(xì)的礦種，因為有些礦有著相似的影像特征；不能明確開發(fā)狀態(tài)，可能會將一些廢棄的圈出來；還可能將一些非礦山活動圈出，如建筑工地、農(nóng)田整理等。

人工判讀：在自動解譯的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖斑地物的綜合影像特征，并結(jié)合相關(guān)資料如礦權(quán)資料、以往調(diào)查資料、歷年遙感圖像，對圖斑的礦種、開發(fā)狀態(tài)、礦山環(huán)境問題等進(jìn)行判斷，并形成解譯成果。

4．3 信息的錄入輸出及外業(yè)圖件的制作

通過GIS軟件定義適當(dāng)?shù)膶傩越Y(jié)構(gòu)，將信息輸入其中。具體信息包括各種收集的資料(礦權(quán)資料、規(guī)劃資料、以往的監(jiān)測成果等等)、解譯成果(礦山的開發(fā)狀況、礦種、開發(fā)規(guī)模等)、收集的相關(guān)礦權(quán)、規(guī)劃等資料綜合分析，并形成“遙感影像-解譯圖斑-信息庫”一體的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過系統(tǒng)輸出解譯圖、表，備野外調(diào)查驗證使用。

4．4 實地調(diào)查及信息的完善

實地調(diào)查目的是驗證室內(nèi)解譯信息的正確性，確保解譯成果正確。實地調(diào)查原則是對解譯有疑問的圖斑，做到100%實地調(diào)查；疑似違法圖斑100%檢查；其他解譯圖斑按照解譯種類分類，各種類型按照不低于總量5%的圖斑進(jìn)行抽查。調(diào)查時對每個觀察點均應(yīng)按照解譯圖斑編號，并進(jìn)行拍照，填寫野外記錄表。調(diào)查后應(yīng)及時完善解譯數(shù)據(jù)庫。

5 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與利用

5．1 GCPs及對應(yīng)遙感圖像庫的建立

遙感圖像的糾正是整個工作的基礎(chǔ)，十分重要，工作量也較大。地面控制點的采集主要有3個途徑：一是地形圖；二是有地理坐標(biāo)的遙感圖像；三是明顯地物實地測繪，以有地理坐標(biāo)的遙感圖像進(jìn)行校正是最簡單易行的。動態(tài)監(jiān)測持續(xù)的過程，為了減輕后期處理數(shù)據(jù)重復(fù)的工作，同時減少影像局部相對形變，建立GCPs庫、利用同一套控制系統(tǒng)來糾正多期影像，就顯得十分的必要[20]。

GCPs庫有以下幾個特點：能夠滿足糾正精度要求；控制點明顯，容易找到；控制點地物相對固定，且受外界干擾變化??；分布相對均勻、全面；個別控制點不能利用后及時補充。建立好GCPs庫后只需要打開控制點文件更新實際值即可，理論坐標(biāo)不需要重新采集，可以大大降低工作的強(qiáng)度，提高工作效率。

5．2 解譯信息庫向智能發(fā)展

監(jiān)測系統(tǒng)后期的解譯圖斑繼承前一期次解譯成果的屬性，變化部分繼承相關(guān)圖斑屬性，及時對該實施人工判讀完善新期次監(jiān)測成果。

監(jiān)測系統(tǒng)逐步實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析功能和預(yù)警功能。實現(xiàn)疑似違規(guī)礦山開發(fā)信息智能報告，對地質(zhì)環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)警等。

5．3 綜合分析

以縣、市為單位，進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果的分析。分析的主要內(nèi)容包括礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行和礦山環(huán)境評價3個方面：一是礦產(chǎn)資源的開采是否合法，包括是否有證開采、是否越界等；二是礦產(chǎn)資源活動是否符合礦產(chǎn)資源規(guī)劃，禁采區(qū)、生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)是否有礦業(yè)活動；三是礦山環(huán)境分析，礦山開采是否符合綠色礦山要求，是否造成塌陷、滑坡等災(zāi)害，尾礦庫是否存在安全隱患等。

5．4 技術(shù)成果推廣利用

一輪監(jiān)測完成后在第一時間將整理好成果向主管部門匯報，監(jiān)測成果包括監(jiān)測的時間、地點、存在的問題及解決問題的建議4個要素。時間主要指過去違法違規(guī)發(fā)生的時間或潛在危害將要發(fā)生的時間，地點指的是具體坐標(biāo)位置，存在的問題指市違法違規(guī)采礦、潛在地質(zhì)危害等，建議是指研究如違規(guī)開采現(xiàn)象、礦山開發(fā)引起環(huán)境問題等發(fā)展的趨勢和規(guī)律后提出相關(guān)整治建議。

6 結(jié)語

基于國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)初步建立，礦山遙感監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方法體系已形成，根據(jù)多時相影像的對比，掌握礦山開發(fā)狀況、礦山環(huán)境現(xiàn)狀及動態(tài)變化，為礦業(yè)開發(fā)秩序的維護(hù)、礦山環(huán)境的保護(hù)修復(fù)提供了有力的技術(shù)支撐。

隨著國產(chǎn)高分衛(wèi)星、遙感技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，統(tǒng)籌運用人工智能、物聯(lián)感知等，未來礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將提升“視覺”和“觸覺”，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測、智能分析、及時預(yù)警等一體化智能監(jiān)測系統(tǒng)，在推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)發(fā)揮出更大作用。