矿区环境动态监测系统建设研究

雷兵，甘宇航，李兰，吴鹏天昊

（1.国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京 101300；2.抚顺市规划局，辽宁 抚顺 113006）

1 引 言

矿产资源作为重要的自然资源，是社会生产发展的重要物质基础，矿产的开采为中国经济发展与建设做出了巨大贡献。然而，由于矿山开采过程中的乱采乱挖等行为，不仅造成矿区生态环境的污染破坏，且诱发了地表沉降、塌陷等多种地质灾害，也因此成为地理国情监测的重要内容之一。

矿区环境的动态监测需要实时掌握矿区地表覆盖、矿区高程变化和矿区塌陷状况等相关数据资料，采用常规的技术手段却难以获取。随着空间技术的发展，各种资源、环境监测卫星的发射和运行，遥感技术提供了多时相、大范围的实时信息，已成为研究地表资源环境最有利的手段之一［1］。卫星遥感技术的迅速发展为矿山环境动态监测创造了有力条件。

随着“3S”技术的迅速发展，利用遥感和地理信息系统等高新技术对土地利用进行动态监测也日益完善，取得了显著成效［2］。遥感作为一种监测手段，与地理信息系统技术相结合，对于准确及时地从宏观上研究矿区环境的动态演变非常有效［3］。基于这一背景，应用遥感与地理信息技术集成建立矿区动态监测系统对矿区环境演变情况进行监测，不仅可以为矿区环境灾害治理与生态重建提供依据，而且可以为地理国情监测提供示范和技术支撑。

2 矿区环境动态监测系统

矿区环境动态监测系统，是建立在矿区环境动态监测的基础上，以多时相遥感影像数据、地形数据、经济人口统计数据等为主要数据源，以遥感与地理信息技术为支撑，对矿区环境的演变开展动态监测，能够发现矿区生态环境的变化信息，准确获取变化信息的数量、特征，生成矿区环境现状信息数据，并生成数字化图件、成果的系统。

2.1 系统建设目标

设计本系统旨在利用当前快速发展的遥感与地理信息技术，建立矿区环境动态监测系统，为矿区环境本底数据及各项专题数据进行数据管理，并对矿区环境的变化状况实施动态监测，直接为有关部门提供矿区环境本底数据的查询并反映矿区环境的变化趋势和变化规律。

2.2 系统结构设计

系统以龍图动态三维可视化平台为基础。龍图动态三维可视化平台是为了满足用户对基础地理信息数据的三维可视化管理和查询的需要而设计开发的。该软件系统提供海量地表数据的三维实时漫游，多时态动态数据的动态三维显示，快速重现地形、地貌，真实再现地面景观，能够进行视图的缩放、平移、视点变换、角度旋转、实时3D大范围飞行浏览；全方位的场景要素控制；三维物体表面贴图；光源设置、色彩调配、明暗变换等功能，还提供了对动态物体（如GPS实时数据）实时3D场景跟踪、外部资源无缝集成接入、信息查询、用户标图、基于三维场景的空间分析等功能。

矿区环境动态监测系统在龍图动态三维可视化平台的基础上，以国产卫星正射影像DOM数据以及DEM数据为矿区环境本底数据，采集录入矿山环境现状相关专题信息，并在应用编程工具建立用户界面，实现对矿区信息动态监测、沉降区域动态监测、影响区域分析等服务。

依照系统应用需求，综合考虑数据复杂多样等特点，矿区动态监测系统采用客户／服务器（Client／Server）模式，由数据层、服务器端和应用端组成，系统结构如图1所示。

①数据层：用以存储管理结构化数据和非结构化数据。结构化数据包括XML和DBMS，非结构化数据包括图形图像文件等文件型的数据。

图1 系统结构设计图

②服务器端：矿区动态监测系统的核心组成部分，数据处理的重要环节，为系统动态渲染、数据可视化表达提供支持。

③应用端：包括矿区信息动态监测、沉降区域动态监测、影响区域分析等应用服务，以WEB为最终表现形式。

2.3 系统数据层设计

矿区环境动态监测系统将数据资料分为基础图层与地理国情监测数据两大类。

基础图层包括影像数据、矢量数据和地名数据。其中，影像数据包括国产卫星正射影像DOM数据以及DEM数据，矢量数据包括行政区划、各地区主要道路河流等矢量数据，地名数据包括各省、省会、市、县区、乡镇、行政村以及自然村的名称信息。

地理国情监测数据包括矿区基本概况、矿区信息动态监测、沉降区域动态监测、影响区域分析、矿区地质灾害典型事件、趋势预测与防护措施等相关专题数据。系统数据树状结构图如图2所示。

图2 系统图层树状结构图

为了系统结构良好、运行稳定、系统界面友好、交互性能好、层次清晰，系统采用模块化设计，以方便用户操作。数据管理方式采用主题分层、空间分片的数据组织方式，允许用户对空间数据块和主体信息层进行操作。空间分片是指大型空间数据集被划分为通过空间索引相联系的各部分来存储；主题分层是指同一空间范围内可以存贮多种专题属性的空间数据。每一个专题属性空间数据集为一个层；空间分片按照国际分幅进行数据块的划分，主题分层根据空间数据和专题数据包含的数据种类和图形元素种类进行数据层的设定，图像数据采用TIFF文件格式。

2.4 系统功能设计

矿区环境动态监测系统功能主要包括基础操作功能、三维显示功能和图层管理功能。

①基础操作功能：矿区环境动态监测系统基础操作功能主要实现对地图的基本操作，包括缩放、旋转、漫游、全图显示等图形浏览，鹰眼导航、多类型图层控制。

②三维显示功能：矿区环境动态监测系统采用矿区的遥感影像与数字地面模型叠加显示，真实再现矿区地形地貌，可以使用户从多方位、多角度监测矿区信息。

③图层管理功能：矿区环境动态监测系统可按树状目录对各专题图层进行检索及管理。系统在功能列表中设置了地名查询功能，可以根据地域名称对目标地区进行地名查询，使用者可以在功能列表的树状目录中直接点击来显示查询结果，目标图层将在系统显示界面上显示。

3 矿区环境动态监测系统应用实例

3.1 实验示范区域

本示范选取位于辽宁省抚顺市浑河南岸的抚顺矿区作为监测对象。抚顺矿区，长18km，宽2km，面积为36km2。矿区在构造上处于新华夏系抚顺－密山断陷带与沈阳东西向隆起带的复合部位。煤田为一近东西向的不完整向斜，北翼大部分被逆断层切割，仅保存了接近向斜轴部地段；南翼受挤压抬起，使煤层接近地表，倾角25°～45°。含煤地层为古新统—始新统抚顺群，总厚度为880m～1050m。抚顺矿区不仅具有良好的生气与储气条件，且煤层渗透率较高，利于煤层气产出，是中国最早开发煤层气的矿区。

图3 抚顺矿区地理位置

3.2 抚顺矿区环境动态监测系统实现

以抚顺矿区为对象，利用三维动态可视化技术，搭建抚顺矿区环境动态监测系统，提供包括地表覆盖、采煤沉陷区地表形变、露天采坑边坡变化情况、地质灾害、矿山废弃地等矿区环境信息服务，并利用面积、坡度、高程、边坡形变等一系列可量算指标开展统计分析，全面、准确、及时地掌握矿区现状、动态变化和发展趋势。监测内容包括矿区基本概况、矿区信息动态监测、沉降区域动态监测、影响区域分析、矿区地质灾害典型事件、趋势预测与防护措施共6个部分。系统主界面如图4所示。

图4 系统主界面

3.2.1 矿区基本概况

矿区环境动态监测系统通过对现有资料的基本统计分析和综合统计分析，包括不同覆盖类型面积、所占比例、空间格局等，预测地表覆盖变化趋势，形成相应专题图，并以专题图、统计分析图表等形式，展示矿区煤矿采坑、舍场分布、采矿矿坑分布及尾矿分布等基本概况。

图5 矿区基本概况

3.2.2 矿区信息动态监测

矿区环境动态监测系统利用长期滑坡变形的动态变化数据，采用数理统计分析方法，掌握矿区动态变化趋势并以专题图、动态标注、动态标图等形式，展示矿区各个矿坑、矿渣堆以及舍场等信息的动态监测内容。

3.2.3 沉陷区域动态监测

矿区环境动态监测系统通过对现有资料的基本统计分析和综合统计分析，根据采矿沉降点分布及沉降深度情况，以动态标注、动态标图的形式展现不同年份矿区沉降状况，并预测沉降趋势，具体包括沉降点有无变化、沉降变化程度、矿区地形变化以及沉降影响范围等专题信息。

图6 矿区信息动态监测

图7 沉降区域动态监测

3.2.4 影响区域分析

矿区环境动态监测系统通过对现有资料的整理分析，掌握矿区分布状况、面积、开采年限以及使用情况和生态恢复情况，按不同年份、不同矿坑形成相应的影响区域预测专题图件，并以动态标注、动态标图的方式显示各个矿坑情况。

图8 影响区域分析

3.2.5 矿区地质灾害典型事件

矿区环境动态监测以专题图及相应文字介绍展示矿区滑坡、泥石流、地裂缝、采煤沉降以及矿震等地质灾害事件信息。

图9 矿区地质灾害典型事件

3.2.6 趋势预测与防护措施

收集整理历年矿区监测信息，通过对现有的不同时相的信息资料进行对比分析，掌握煤田境界、全采全迁影响线、矿区沉降线等信息的变化规律，根据其变化规律合理预测各监测信息的变化趋势并以动态标注等形式展示监测内容。

图10 趋势预测与防护措施

3.2.7 矿区监测结果

利用矿区环境动态监测系统的动态演变模型，通过对现有的不同时相的信息资料进行对比分析得出，抚顺西露天矿坑西北侧由于采矿影响逐年下降，矿坑东部由于尾矿废料的堆积逐年上升，如图11所示（红框区域为采矿开挖下降区，黄框区域为尾矿回填堆积上升区）；矿区沉降影响范围逐步向北部市区扩张。监测结果与实地勘测结果相符合，矿区环境动态监测系统具备实用价值，能够很好地实现矿区环境动态监测。

图11 矿坑变化示意图

4 结束语

本文通过对矿区环境现状及面临问题的分析，面向矿山环境的地理国情监测，利用RS和GIS技术，研究开发了矿区环境动态监测系统，并实现了其在辽宁抚顺矿区环境动态变化监测中的应用。结果表明利用遥感技术与地理信息系统，能够很好地实现矿区环境动态监测。遥感技术与地理信息系统相结合是对矿区环境从更高层次上进行研究。矿区环境动态监测系统有利于矿区环境长期、系统、动态的监测，为国家和决策者提供科学的决策依据，为矿产资源的可持续发展提供科学的依据，为合理保护、规划治理、恢复被破坏的土地资源提供重要依据，对维护矿区生态环境有重要的意义。

矿区环境动态监测系统的推广应用可以推进矿区生态环境规划、建设、管理与服务的现代化，为决策部门及时采取应急对策和防治措施提供先进手段。

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