油氣礦山越界開(kāi)采遙感監(jiān)測(cè)方法探索

趙玉靈， 楊金中， 孫婭琴， 陳棟

(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

作為一種關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略物資，石油、天然氣在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。2020年，新冠疫情在全球肆虐，全球經(jīng)濟(jì)遭受了重大沖擊，但我國(guó)油氣勘查開(kāi)采形勢(shì)總體穩(wěn)中向好，石油產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，天然氣產(chǎn)量增長(zhǎng)較快，頁(yè)巖氣產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)[1-3]。值得注意的是，一些礦山企業(yè)法治觀念淡薄，受利益驅(qū)動(dòng)，越界開(kāi)采時(shí)有發(fā)生[4-10]，引發(fā)一系列重大的社會(huì)問(wèn)題，既降低了產(chǎn)油率，破壞和浪費(fèi)了礦產(chǎn)資源、生態(tài)環(huán)境，又?jǐn)_亂了正常的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)秩序，資源糾紛急劇增多，產(chǎn)生重大安全隱患。

21世紀(jì)初以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了全國(guó)非油氣礦山礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)等工作,在整頓和規(guī)范礦業(yè)秩序、礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理等方面發(fā)揮了重要作用，取得了一系列重要成果。近年來(lái)，隨著高分辨率遙感影像的大規(guī)模應(yīng)用，油氣礦山資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及礦山地質(zhì)環(huán)境的遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)在部分油氣區(qū)進(jìn)行了探索[11-13]。本文在上述工作基礎(chǔ)上，利用GIS和RS 技術(shù)，開(kāi)展油氣礦山越界開(kāi)采甄別與判斷方法的研究，力圖為油氣區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)和監(jiān)督管理提供技術(shù)范例。

1 越界開(kāi)采

礦產(chǎn)資源越界開(kāi)采，是指超越國(guó)土部門批準(zhǔn)的礦區(qū)范圍開(kāi)采礦產(chǎn)資源的行為。越界開(kāi)采屬于非法采礦的一種重要表現(xiàn)形式，是采礦行業(yè)中的頑癥，被執(zhí)法人員稱之為礦業(yè)市場(chǎng)中的“毒瘤”。認(rèn)定越界開(kāi)采，其首要的問(wèn)題是確定“界”?！敖纭奔礊椴傻V權(quán)許可證規(guī)定的所謂“礦區(qū)范圍”，屬于行政“劃定”性質(zhì)。礦區(qū)范圍，是指經(jīng)登記管理機(jī)關(guān)依法劃定的可供開(kāi)采礦產(chǎn)資源的范圍、井巷工程設(shè)施分布范圍或者露天以剝離范圍的立體空間區(qū)域。礦區(qū)范圍以登記管理機(jī)關(guān)頒發(fā)的采礦許可證為準(zhǔn)。越界開(kāi)采行為包括兩種情況： 一是超越平面上批準(zhǔn)的范圍越界開(kāi)采，即平常所說(shuō)的“越界開(kāi)采”； 二是超越標(biāo)高上批準(zhǔn)的范圍越界開(kāi)采，即平常所說(shuō)的“超層開(kāi)采”。本文探索的越界開(kāi)采行為是超越平面上批準(zhǔn)的范圍越界開(kāi)采。

2 越界開(kāi)采的監(jiān)測(cè)方法

2.1 技術(shù)路線

以GIS和RS技術(shù)為支撐，利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)(含最新時(shí)相)，查明井場(chǎng)、站場(chǎng)、巡線道路、進(jìn)場(chǎng)道路、輸油氣管線、計(jì)量間、集氣站等油氣開(kāi)采地表工程或淺表工程分布狀況，建立油氣開(kāi)采動(dòng)態(tài)變化圖譜和油氣開(kāi)采地表工程或淺表工程動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)庫(kù)，掌握不同采礦權(quán)區(qū)油氣開(kāi)采地表工程或淺表工程變化情況、同一礦權(quán)主體布設(shè)的地表工程或淺表工程組合情況，通過(guò)與采礦權(quán)、探礦權(quán)數(shù)據(jù)的綜合分析，判定界內(nèi)開(kāi)采、界外開(kāi)采圖斑，推斷越界開(kāi)采圖斑等疑似違法圖斑，為區(qū)域油氣礦山監(jiān)管提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和輔助決策技術(shù)支撐。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

工作過(guò)程中，應(yīng)以GIS軟件為主要平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)多元數(shù)據(jù)規(guī)范化整理和匯聚； 在野外踏勘基礎(chǔ)上建立解譯標(biāo)志，通過(guò)多期影像對(duì)比解譯、計(jì)算機(jī)自動(dòng)信息提取與人機(jī)交互解譯，提取井場(chǎng)、站場(chǎng)、巡線道路、進(jìn)場(chǎng)道路、輸油氣管線、計(jì)量間、集氣站等油氣開(kāi)采地表工程或淺表工程分布現(xiàn)狀信息和動(dòng)態(tài)變化信息； 應(yīng)開(kāi)展越界開(kāi)采圖斑等疑似違法圖斑實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，查漏補(bǔ)缺，確保圖斑提取正確率； 要統(tǒng)一規(guī)劃，明確標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)成果表達(dá)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 工作方法

1)資料收集。按照從新到老、漸次收集的原則，收集工作區(qū)最新時(shí)相的高空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)礦產(chǎn)資料和自然地理、人文、氣候、地質(zhì)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通等資料，尤其是區(qū)域采礦權(quán)、探礦權(quán)數(shù)據(jù)。

2)遙感數(shù)據(jù)處理。對(duì)收集的遙感影像進(jìn)行正射處理，平面坐標(biāo)系采用“CGC2000坐標(biāo)系”，高程基準(zhǔn)采用1985高程基準(zhǔn)，采用高斯-克呂格投影，分帶方式與基礎(chǔ)底圖一致。

3)地表工程及淺表工程等油氣開(kāi)采信息提取。選擇合適的GIS軟件平臺(tái)，采用目視解譯和人機(jī)交互解譯方法，在野外踏勘建立解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上，提取井場(chǎng)、站場(chǎng)、油井、氣井、計(jì)量間、集氣站、集輸站、輸油氣管線、巡線或進(jìn)場(chǎng)道路等油氣礦山開(kāi)發(fā)信息[11-13]； 結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，對(duì)油氣礦山開(kāi)發(fā)信息成果進(jìn)行補(bǔ)充和修正，形成油氣礦山遙感解譯成果。對(duì)解譯井場(chǎng)圖斑分別編號(hào)，編號(hào)順序?yàn)椋?先北后南、從西向東，YQ-01、YQ-02……，見(jiàn)圖2。

4)信息組合。對(duì)提取的信息進(jìn)行屬性界定，通過(guò)輸油氣管線、巡線或進(jìn)場(chǎng)道路、計(jì)量間、集氣站等，將匯聚到同一集輸站的井場(chǎng)(站場(chǎng))等的井場(chǎng)圖斑形成一個(gè)組合圖斑。

5) 越界開(kāi)采圖斑甄別與判定。在GIS平臺(tái)上，將上一步形成的組合圖斑與礦權(quán)數(shù)據(jù)相套合，篩選出壓礦權(quán)線的井場(chǎng)圖斑和礦權(quán)界外井場(chǎng)圖斑,統(tǒng)一歸并為疑似越界開(kāi)采圖斑。

如果站場(chǎng)分布和礦權(quán)邊界不太復(fù)雜時(shí)，以集油間(集氣站)來(lái)簡(jiǎn)單組合井場(chǎng)(站場(chǎng))圖斑，再與礦權(quán)邊界線套合，可以甄別出越界開(kāi)采疑似違法圖斑； 如果站場(chǎng)分布比很復(fù)雜，與相鄰的礦權(quán)區(qū)域內(nèi)的圖斑參差交錯(cuò)，則需要同時(shí)考慮道路、輸油氣管線、集油間(集氣站)、集輸站。

圖2中，單從地表平面位置分析，圖2中的YQ-04和YQ-11位于A礦權(quán)范圍內(nèi)； YQ-01，YQ-06，YQ-07，YQ-09，YQ-12，YQ-13，YQ-14及YQ-15位于B礦權(quán)范圍內(nèi)； YQ-02，YQ-05及YQ-08位于C礦權(quán)范圍內(nèi)； 只有YQ-03和YQ-10為壓礦權(quán)線圖斑，為疑似違法圖斑，屬于越界開(kāi)采。

結(jié)合油氣巡線道路分析，一般情況下各個(gè)礦權(quán)內(nèi)的巡線道路應(yīng)該為獨(dú)立的巡線道路，多數(shù)不跨越礦權(quán)區(qū)域范圍，此時(shí)沿巡線公路的所有井場(chǎng)應(yīng)該屬于同一礦權(quán)主體； 但在資源糾紛較多的區(qū)域或者地形地貌比較特殊的區(qū)域，一條巡線道路可能會(huì)跨越幾個(gè)不同的礦權(quán)區(qū)域，此時(shí)沿著巡線公路的井場(chǎng)不再屬于同一個(gè)礦權(quán)主體，但從巡線公路角度不易區(qū)分這些井場(chǎng)的礦權(quán)主體。圖2中的區(qū)域?qū)儆谫Y源糾紛較多的區(qū)域，分布3個(gè)礦權(quán)主體，且15個(gè)井場(chǎng)共有同一條巡線道路，不能單從巡線道路角度較快地判定出越界開(kāi)采圖斑。

圖2 油氣礦山開(kāi)發(fā)狀況遙感解譯示意圖

結(jié)合輸油氣管線匯聚的位置分析，圖2中的YQ-01，YQ-02和YQ-05擁有同一個(gè)計(jì)量站(集氣站)，并最終匯聚到C礦權(quán)內(nèi)的集輸站C，YQ-01，YQ-02和YQ-05應(yīng)該屬于同一礦權(quán)主體，屬于C礦區(qū)。YQ-03，YQ-06，YQ-08和YQ-09擁有同一個(gè)計(jì)量站(集氣站)，YQ-04，YQ-07和YQ-10擁有同一個(gè)計(jì)量站(集氣站)，YQ-11，YQ-12，YQ-13，YQ-14和YQ-15擁有同一個(gè)計(jì)量站(集氣站)，這3個(gè)計(jì)量站(集氣站)最終匯聚到B礦區(qū)的同一個(gè)集輸站B。因此，YQ-03，YQ-06，YQ-08，YQ-09，YQ-04，YQ-07，YQ-10，YQ-11，YQ-12，YQ-13，YQ-14和YQ-15這12個(gè)井場(chǎng)均屬于同一個(gè)礦權(quán)主體，屬于B礦區(qū)。從這個(gè)角度分析得出，對(duì)于C礦區(qū)而言，YQ-01為疑似違法圖斑，屬于越界開(kāi)采； 對(duì)于B礦區(qū)而言，YQ-03，YQ-04，YQ-10和YQ-11為疑似違法圖斑，屬于越界開(kāi)采。最終判定得出： YQ-01，YQ-03，YQ-04，YQ-10和YQ-11為疑似違法圖斑，屬于越界開(kāi)采。

綜上，組合信息與礦權(quán)數(shù)據(jù)相套合，可以快速、準(zhǔn)確判定越界開(kāi)采圖斑。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

選擇新疆某地為試驗(yàn)區(qū)，開(kāi)展了方法的試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)區(qū)及使用的數(shù)據(jù)源

在新疆某地選取一個(gè)10 000 m×15 000 m的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，模擬了3個(gè)礦權(quán)邊界： 甲礦權(quán)區(qū)、乙礦權(quán)區(qū)和丙礦權(quán)區(qū)(非真實(shí)的礦權(quán)邊界)。

本次研究獲取了試驗(yàn)區(qū)遙感數(shù)據(jù)有： 2018年度BJ2高分辨率遙感正射影像，空間分辨率為1 m。

3.2 遙感解譯標(biāo)志

結(jié)合野外勘察，建立遙感解譯標(biāo)志(見(jiàn)表1)。

表1 油氣礦山遙感影像解譯標(biāo)志

(續(xù)表)

3.3 判別過(guò)程

由于本文研討越界開(kāi)采問(wèn)題，與井場(chǎng)內(nèi)是采油機(jī)還是采氣樹(shù)關(guān)系不大，所以未對(duì)井場(chǎng)是采油場(chǎng)還是采氣場(chǎng)進(jìn)行區(qū)分，也沒(méi)有詳細(xì)解譯采油機(jī)(采氣樹(shù))的數(shù)量。

根據(jù)解譯標(biāo)志，通過(guò)人機(jī)交互解譯與實(shí)地驗(yàn)證相結(jié)合的方式進(jìn)行解譯。相對(duì)于一般的遙感地學(xué)解譯，油氣礦山開(kāi)采遙感識(shí)別具有獨(dú)特的特征，通?？筛鶕?jù)特殊的地形地貌影像組合和地質(zhì)體影像組合進(jìn)一步判定解譯目標(biāo)。即除了色調(diào)、大小、形狀、位置、布局、圖案、紋理等直接解譯標(biāo)志外，還可借助油氣礦山開(kāi)采影像組合特征進(jìn)一步區(qū)分“診斷”目標(biāo)屬性。

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)解譯出365個(gè)井場(chǎng)(站場(chǎng)、計(jì)量間、集輸站、聯(lián)合站等)，油氣區(qū)道路和輸油氣管線。

為了甄別越界開(kāi)采圖斑，在GIS平臺(tái)上對(duì)遙感解譯出的計(jì)量間、集輸站、聯(lián)合站圖斑進(jìn)行屬性唯一性標(biāo)識(shí)； 然后再根據(jù)油氣區(qū)的道路情況、輸油管線的走向及匯聚處，將匯聚進(jìn)同一計(jì)量間(集輸站)的所有井場(chǎng)根據(jù)前述的計(jì)量間(集輸站)的唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行空間組合，并對(duì)各個(gè)井場(chǎng)進(jìn)行屬性標(biāo)注，以便同一組合的井場(chǎng)進(jìn)行后續(xù)的空間分析。用礦權(quán)數(shù)據(jù)和將匯聚進(jìn)入同一計(jì)量間(集輸站)的所有井場(chǎng)進(jìn)行空間分析和識(shí)別判斷，這樣可以甄別越界開(kāi)采的井場(chǎng)和主體責(zé)任認(rèn)定。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)解譯出365個(gè)井場(chǎng)、站場(chǎng)(圖3)，單從井場(chǎng)站場(chǎng)的平面位置與礦權(quán)邊界的平面位置來(lái)看，甲礦權(quán)邊界外有2個(gè)圖斑YQ-018和YQ-020，乙礦權(quán)邊界外有14個(gè)圖斑： YQ-001,YQ-003,YQ-004,YQ-005,YQ-007,YQ-008,YQ-009,YQ-010,YQ-012,YQ-013,YQ-014,YQ-017，YQ-019和YQ-021； 丙礦權(quán)邊界外有30個(gè)圖斑。壓礦權(quán)線圖斑有12個(gè)： YQ-002，YQ-006，YQ-011，YQ-023，YQ-024，YQ-025，YQ-026，YQ-027，YQ-028，YQ-036，YQ-037和YQ-038； 共計(jì)58個(gè)圖斑屬于疑似違法圖斑，越界開(kāi)采，且這些圖斑具體屬于哪個(gè)開(kāi)采企業(yè)無(wú)法逐個(gè)區(qū)分清楚。

圖3 試驗(yàn)區(qū)油氣礦山越界開(kāi)采遙感解譯圖

結(jié)合進(jìn)井場(chǎng)站場(chǎng)道路，輸油氣管線來(lái)綜合分析，共計(jì)有62個(gè)圖斑屬于疑似違法圖斑，存在越界開(kāi)采行為。

甲企業(yè)存在4個(gè)疑似違法圖斑，乙企業(yè)存在23個(gè)疑似違法圖斑，丙企業(yè)存在35個(gè)疑似違法圖斑。結(jié)合進(jìn)場(chǎng)道路和輸油氣管線能快速甄別越界開(kāi)采圖斑并能鎖定違法企業(yè)。在丙礦權(quán)區(qū)外有3個(gè)圖斑(YQ-030，YQ-031和YQ-032)屬于乙企業(yè)的疑似違法圖斑。4個(gè)位于礦權(quán)區(qū)內(nèi)的疑似違法圖斑利用常規(guī)的邊界識(shí)別不容易被甄別，丙企業(yè)有3個(gè)疑似違法井場(chǎng)位于甲、乙礦權(quán)邊界內(nèi)，這些在乙礦權(quán)區(qū)和甲礦權(quán)區(qū)的疑似違法圖斑存在隱蔽性，不易被識(shí)別，分別為： YQ-015，YQ-016和YQ-022； 乙企業(yè)有1個(gè)疑似違法井場(chǎng)位于丙礦權(quán)內(nèi)，圖斑號(hào)為YQ-029。這些隱蔽的疑似違法井場(chǎng)單從井場(chǎng)的平面位置根本無(wú)法識(shí)別其是否屬于越界開(kāi)采。

4 結(jié)論與討論

本文首次提出運(yùn)用遙感與GIS技術(shù)方法，采用井場(chǎng)、油氣區(qū)道路與輸油氣管線組合為一體的方法來(lái)甄別油氣越界開(kāi)采的疑似違法行為，可以快速、宏觀地為相關(guān)職能部門執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支持。

1)有效判定越界開(kāi)采問(wèn)題有利于實(shí)現(xiàn)推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)正常的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)秩序、減少或避免發(fā)生重大安全生產(chǎn)問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)政策和法規(guī)，本文探索了“GIS+RS” 的油氣礦山越界開(kāi)采圖斑判定方法，較為科學(xué)、高效、準(zhǔn)確地解決了積存已久的問(wèn)題，對(duì)液體或氣態(tài)等非常規(guī)礦產(chǎn)資源(如鹵水、地?zé)?越界開(kāi)采判定具有借鑒意義。

2)建立油氣礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)管信息系統(tǒng)，統(tǒng)一收集、存儲(chǔ)和管理油氣開(kāi)采的地表和地下工程信息、礦業(yè)權(quán)信息，掌握其現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)于油氣礦山監(jiān)管具有重要意義，尤其對(duì)快速判定越界開(kāi)采尤為重要。應(yīng)加強(qiáng)礦業(yè)權(quán)信息化管理，統(tǒng)一使用2000坐標(biāo)系，生成矢量化的面狀文件，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，及時(shí)更新反饋礦業(yè)權(quán)信息； 按油田分別開(kāi)發(fā)專用的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)采集、處理和顯示出每一條輸油氣管線和每個(gè)井場(chǎng)、油井、氣井的三維圖形，及時(shí)與礦權(quán)數(shù)據(jù)與行政區(qū)劃數(shù)據(jù)疊加分析對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3)開(kāi)展油氣礦山事前、事中、事后全過(guò)程監(jiān)管，建立油氣礦山開(kāi)采遙感圖譜和油氣礦區(qū)生態(tài)環(huán)境檔案，是油氣開(kāi)采區(qū)礦業(yè)秩序監(jiān)管、生態(tài)環(huán)境修復(fù)監(jiān)管等的必然要求。應(yīng)建立完善越界開(kāi)采礦山的檔案制度，以縣為單位，建立越界開(kāi)采礦山檔案，記錄其越界開(kāi)采的時(shí)間、位置、范圍、資源損毀程度、處理情況等，并定期更新和長(zhǎng)期保存，作為今后礦山是否通過(guò)年檢、延續(xù)登記、變更登記等的重要依據(jù)。

4)完善油氣礦山相關(guān)管理制度。改進(jìn)礦權(quán)邊界數(shù)據(jù)管理制度，重點(diǎn)解決礦區(qū)范圍邊界及行政區(qū)劃邊界矢量數(shù)據(jù)存在投影方式與坐標(biāo)不統(tǒng)一的問(wèn)題； 完善儲(chǔ)量評(píng)估等相關(guān)制度，減少礦區(qū)范圍劃得過(guò)“小”、采礦許可證有效期過(guò)“短”等現(xiàn)象，優(yōu)化礦山布局，可以從源頭上減少越界開(kāi)采等違法違規(guī)采礦行為的發(fā)生； 完善礦業(yè)用地管理辦法，推進(jìn)礦地一體出讓，避免“取得采礦權(quán)卻得不到礦業(yè)用地”“租用礦地因權(quán)屬爭(zhēng)議難以治理”等尷尬局面的出現(xiàn)，有效推進(jìn)礦山生態(tài)修復(fù)； 加強(qiáng)案件移送與行政處罰力度，通過(guò)多部門聯(lián)合行動(dòng)，形成懲治非法開(kāi)采的執(zhí)法合力和威懾力[14-16]。

致謝：感謝中國(guó)自然資源航空物探遙感中心對(duì)本次工作的支持，感謝相關(guān)兄弟單位在合作過(guò)程中的鼎力相助。在工作過(guò)程中得到了徐學(xué)義、聶洪峰、葛曉立、張志、劉樂(lè)、帥爽、姜琦剛、史鵬飛、李任時(shí)、黃智才、王海慶、邢宇、劉瓊、李麗、汪潔、安娜、王昊、姚維嶺、周英杰、殷亞秋、劉小楊、何金寶、李修遠(yuǎn)、董大嘯、劉啟鵬等多位同志的幫助，在此謹(jǐn)表謝忱。