遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用與發(fā)展

楊 敏,蔡宗明,聶興信,張 鑫

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

0 引言

煤炭、鐵礦、稀土礦等礦產(chǎn)資源的持續(xù)大規(guī)模開(kāi)發(fā)為中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展提供重要的能源與物質(zhì)條件,然而持續(xù)劇烈的礦產(chǎn)資源開(kāi)采活動(dòng)在礦區(qū)一定范圍內(nèi)引發(fā)了地表沉降、土地破壞、植被退化、土壤質(zhì)量下降、水質(zhì)污染、大氣污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2],引起社會(huì)各界的廣泛重視。在此背景下,未來(lái)的礦業(yè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)越來(lái)越需要兼顧資源開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理,而對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的科學(xué)監(jiān)測(cè)是保護(hù)與治理的前提條件[3]。

礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)可以分為3個(gè)層次,即傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)和綜合監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要使用人工采樣、分析和統(tǒng)計(jì)等方法,雖然方法簡(jiǎn)單,但容易受到人為因素干擾,在數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程中也容易出現(xiàn)誤差。遙感監(jiān)測(cè)是利用遙感技術(shù)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境進(jìn)行高效、精確的監(jiān)測(cè)。綜合監(jiān)測(cè)是將傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合,形成全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。

在現(xiàn)有的礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)手段中,遙感技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。礦山狀況、土地利用、農(nóng)田覆蓋度、植被生長(zhǎng)、水土流失等環(huán)境信息都可以通過(guò)遙感影像獲取。同時(shí),根據(jù)影像反演模型對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以得到更為精確的環(huán)境參數(shù)信息,如土地利用類型、土壤水分、降雨量、溫度等。利用遙感技術(shù)進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè),可以快速、非侵入性地獲取反映礦山生態(tài)環(huán)境的多維信息,從而為礦山生態(tài)環(huán)境的管理和保護(hù)提供有效的依據(jù)。遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有時(shí)效性好、監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)獲取速度快等優(yōu)勢(shì)[4],因此通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)手段獲得礦區(qū)各類參數(shù)的時(shí)空分布特征,已經(jīng)成為礦區(qū)研究的重要技術(shù)手段。結(jié)合多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù),還可以對(duì)該區(qū)域內(nèi)未來(lái)的環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),同時(shí)還可以為當(dāng)?shù)卣块T對(duì)礦區(qū)的管理、規(guī)劃和決策提供相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持,這些對(duì)社會(huì)的政治、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然環(huán)境的演變都有重要意義[5]。

1 遙感技術(shù)的原理以及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 原理

遙感是一種通過(guò)遙距方式獲取地球表面信息的技術(shù)。它利用各種傳感器(如衛(wèi)星、飛機(jī)上的相機(jī)等)捕獲可見(jiàn)光、紅外線、雷達(dá)等電磁波譜段的信息[6],并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像、地圖等形式,以便進(jìn)行分析和解釋。具有探測(cè)范圍廣采集數(shù)據(jù)快、能動(dòng)態(tài)反映地面事物的變化、獲取的數(shù)據(jù)具有綜合性等特點(diǎn),如圖1所示。

圖1 遙感原理示意Fig.1 Diagram of remote sensing principle

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

遙感技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展的,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已經(jīng)成為現(xiàn)代地球觀測(cè)和信息獲取的重要手段,其發(fā)展可以分為以下幾個(gè)階段。

起始階段(1960—1970年):遙感技術(shù)剛剛起步,主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,主要以黑白攝影為主。遙感技術(shù)自20世紀(jì)70年代應(yīng)用以來(lái)持續(xù)積累了數(shù)十年的全球地表觀測(cè)數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率和空間分辨率不斷提升,成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段。1972年美國(guó)發(fā)射了第一顆具有業(yè)務(wù)性質(zhì)的“地球資源技術(shù)衛(wèi)星”(后更名為“陸地衛(wèi)星”),開(kāi)啟了常態(tài)化遙感對(duì)地觀測(cè)的先河[7]。隨后許多國(guó)家開(kāi)始效仿和跟進(jìn)。遙感,特別是衛(wèi)星遙感,形成了百花齊放的繁榮局面[8]。

數(shù)字化階段(1980—1990年):遙感技術(shù)開(kāi)始數(shù)字化,遙感數(shù)據(jù)也開(kāi)始數(shù)字化存儲(chǔ)和處理。衛(wèi)星遙感技術(shù)得到了快速發(fā)展,多普勒雷達(dá)遙感技術(shù)、激光雷達(dá)遙感技術(shù)等新技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用[9]。中國(guó)政府也特別重視遙感科技的發(fā)展,尤其是20世紀(jì)80年代以后,中國(guó)航天遙感事業(yè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步,風(fēng)云氣象衛(wèi)星(1988年以來(lái))、資源系列衛(wèi)星(1999年以來(lái))、環(huán)境減災(zāi)系列衛(wèi)星(2008年以來(lái))、高分系列衛(wèi)星(2013年以來(lái))、碳衛(wèi)星(2016年)等重要遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射,使中國(guó)也躋身于世界遙感科技的前列。為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測(cè)帶來(lái)新的機(jī)遇[10]。從數(shù)據(jù)角度來(lái)說(shuō),新的衛(wèi)星和傳感器不斷發(fā)射,持續(xù)提供新的遙感數(shù)據(jù)源。形成空間全覆蓋、全天候、全天時(shí)的高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)[11]。吉林一號(hào)系列、高景系列、珠海一號(hào)、五米光學(xué)星等衛(wèi)星數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行助力。

綜合化階段(2000—2010年):遙感技術(shù)開(kāi)始與地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)人機(jī)等技術(shù)相結(jié)合,形成了遙感與地理信息集成系統(tǒng)[12]。這個(gè)階段也是遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛的時(shí)期。

大數(shù)據(jù)階段(2010年代至今):隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,遙感數(shù)據(jù)的數(shù)量也急劇增加。這個(gè)階段,遙感技術(shù)開(kāi)始與人工智能、云計(jì)算等技術(shù)結(jié)合,形成了遙感大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用平臺(tái)。從算法角度來(lái)說(shuō),新傳感器、新數(shù)據(jù)正在引發(fā)新一輪的模型和算法革新,而深度學(xué)習(xí)的迅速崛起更為遙感影像的解譯與反演開(kāi)辟了新的思路,多傳感器組合和模型算法的不斷完善使得定量遙感的應(yīng)用能力得到了進(jìn)一步提升。在這些遙感新數(shù)據(jù)、新技術(shù)、新平臺(tái)的支持下,國(guó)內(nèi)外礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測(cè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展,涌現(xiàn)出了一系列的優(yōu)秀成果。

2 遙感技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用。通過(guò)遙感圖像的解譯和分析,可以提取礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中所需要的多種信息,例如礦山的植被覆蓋、水文地形、土地破壞情況等。這些信息可以幫助環(huán)境保護(hù)部門和礦山企業(yè)監(jiān)測(cè)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化,對(duì)礦區(qū)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估。

以中國(guó)知網(wǎng)為數(shù)據(jù)源,對(duì)2000—2023年期間發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行變化分析,如圖2所示,顯示遙感在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

圖2 遙感在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用Fig.2 Application of remote sensing in ecological environment

2.1 礦山開(kāi)發(fā)與土地利用

礦山的開(kāi)發(fā)必然要伴隨土地利用方式的改變,因此,如何對(duì)礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程中的土地利用進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),成為了研究的重點(diǎn)。利用遙感技術(shù)可以有效地獲取到土地利用類型、土地覆蓋度、森林覆蓋度和土地景觀類型等信息[13]。同時(shí)利用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用類型分類和變化檢測(cè),能夠準(zhǔn)確反映礦山開(kāi)發(fā)對(duì)土地的影響,從而更好地指導(dǎo)礦山開(kāi)發(fā)管理。

2.2 礦山植被覆蓋監(jiān)測(cè)

礦山環(huán)境中植被的覆蓋情況是反映礦山生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一,對(duì)于植被覆蓋信息的獲取和監(jiān)測(cè),遙感技術(shù)無(wú)疑是最為有效和便捷的手段。通過(guò)遙感影像數(shù)據(jù)的分類和分析,可以獲取到植被覆蓋度、植被生長(zhǎng)情況、植被造林面積等信息[14],并能夠?qū)ΦV山生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的植被覆蓋變化進(jìn)行跟蹤和評(píng)估。此外,通過(guò)植被指數(shù)反演模型,還可以獲取到更多與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)的參數(shù),如植被葉面積指數(shù)、光合有效輻射等,進(jìn)而推斷出植被的生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境的變化情況。

2.3 礦山地質(zhì)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)

礦山地質(zhì)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)是對(duì)地下水、地表水、土壤水分等方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用遙感技術(shù),可以獲取礦山區(qū)域的水體信息、地表覆蓋類型、土壤水分含量等參數(shù)[15]。此外,也可以通過(guò)遙感技術(shù)反演模型推算礦山內(nèi)部水文系統(tǒng)變化、水資源的利用情況、水文循環(huán)變化、水分輸送與蒸發(fā)的過(guò)程等,為水資源管理和保護(hù)提供參考。

2.4 礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè)

礦山生態(tài)環(huán)境中常常會(huì)出現(xiàn)大氣污染、水體污染等問(wèn)題,這些污染問(wèn)題對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響非常大。利用遙感技術(shù)可獲取礦山區(qū)域的大氣污染信息、水體污染信息等環(huán)境信息,并利用反演模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,能夠?yàn)榄h(huán)境治理部門提供有效的污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[16]。此外,也可通過(guò)遙感技術(shù)與大氣流模型聯(lián)合,對(duì)礦山空氣污染的傳輸規(guī)律進(jìn)行研究,從而提出有效治理措施。

3 遙感技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的發(fā)展方向

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,目前已經(jīng)涌現(xiàn)出一些新的技術(shù)和手段,如高光譜遙感、LiDAR技術(shù)[17]、機(jī)載遙感、超低空遙感等。這些技術(shù)手段的應(yīng)用對(duì)于礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)具有非常重要的意義。

3.1 高光譜遙感技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有重要地位。高光譜遙感可以提供高精度、高信息量的多光譜影像,利用它可獲取礦山生態(tài)環(huán)境中更加詳細(xì)、準(zhǔn)確的信息[18]。例如,可通過(guò)高光譜遙感監(jiān)測(cè)土壤重金屬含量、植被的冠層密度、光學(xué)化學(xué)計(jì)量等。高光譜遙感技術(shù)不僅能夠提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù),同時(shí)可以對(duì)多元化的礦山生態(tài)環(huán)境信息進(jìn)行深入研究,為礦山生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

3.2 LiDAR技術(shù)

LiDAR技術(shù)也是一項(xiàng)有望應(yīng)用于礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的前沿技術(shù)。該技術(shù)可以獲取植被高度、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)[19]等三維信息。與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比,LiDAR技術(shù)極大地提高了數(shù)據(jù)的精度和效率。同時(shí),該技術(shù)也具有非常高的空間分辨率,可以提供更加詳細(xì)的地形信息,進(jìn)而對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境進(jìn)行更加全面和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和分析。此外,通過(guò)LiDAR技術(shù)的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境的立體化管理和礦山復(fù)綠過(guò)程的精細(xì)化調(diào)控。

3.3 機(jī)載遙感技術(shù)

機(jī)載遙感技術(shù)是指通過(guò)航空或者衛(wèi)星等載體,采集高光譜和多光譜圖像、LiDAR三維影像等數(shù)據(jù)[20]。在遙感技術(shù)中,機(jī)載遙感技術(shù)擁有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率,可以快速、大規(guī)模地獲取環(huán)境信息。因此,在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中,機(jī)載遙感技術(shù)在空間分辨率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),能夠研究更小尺度的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,并對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的演變和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行快速、高效的監(jiān)控。

3.4 超低空遙感技術(shù)

超低空遙感技術(shù)是指利用無(wú)人機(jī)等設(shè)備在非常低的高度上進(jìn)行遙感圖像的采集和處理。該技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中可應(yīng)用于精細(xì)化驗(yàn)收和高精度礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)。在低高度下進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)時(shí),相機(jī)可以以更大的視場(chǎng)范圍和更高的分辨率完成圖像采集和分析,不僅可以獲取更加細(xì)節(jié)化的信息,同時(shí)也可以極大地提升效率和準(zhǔn)確度。超低空遙感技術(shù)應(yīng)用于礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中,將有望提高礦山環(huán)境數(shù)據(jù)質(zhì)量,推動(dòng)礦山環(huán)境保護(hù)和調(diào)控水平進(jìn)一步升級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

在礦山生態(tài)環(huán)境管理中,遙感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為必不可少的一項(xiàng)手段。遙感技術(shù)可以獲得大量的環(huán)境信息數(shù)據(jù),為礦山環(huán)境管理部門提供更加全面、詳盡和可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。未來(lái),隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和遙感技術(shù)的不斷優(yōu)化,遙感技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中的應(yīng)用將更加廣泛和深入,可為礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供更加強(qiáng)有力的支持。同時(shí),為了更好地發(fā)揮遙感技術(shù)在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用,還需在以下方面加強(qiáng)與完善。

(1)開(kāi)發(fā)遙感數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù),對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行精度和有效性的檢驗(yàn),提高數(shù)據(jù)的可靠性和精度。

(2)完善遙感技術(shù)應(yīng)用于礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,建立科學(xué)、規(guī)范、完備的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用平臺(tái),確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

(3)將遙感技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建多元化的礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系,以實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)和精細(xì)化管理。

(4)加強(qiáng)數(shù)據(jù)交流與共享,建立開(kāi)放式的礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸一化和共享,提高信息資源利用效率。