3S技术在矿山生态环境影响评价中的应用

鞠丽萍，祝怡斌

（北京矿冶研究总院，北京100160）

3S技术在矿山生态环境影响评价中的应用

鞠丽萍，祝怡斌

（北京矿冶研究总院，北京100160）

总结了3S技术在环境影响现状调查阶段、环境影响与预测阶段的应用，并以广西某稀土矿为例进行应用。现状调查阶段，采用全球定位系统技术获取地面控制点，便于遥感数据的几何校正。同时了解矿区环境实际现状，对问题形成的原因进行调查。影响与预测阶段，以遥感数据为基础，采用目视方法和计算机监督分类方法的有机结合，得到适宜精度的分类图件，主要包括土地利用分类图、植被类型图等基本生态图件，最后通过野外调查验证解译精度。

3S技术；矿山生态环境影响评价；现状调查阶段；影响与预测阶段

矿产资源是人类生存和发展的重要基础，但是矿山在开采过程中带来一系列环境问题，特别是矿区生态环境问题。随着《环境影响评价法》、《环境影响评价技术导则生态影响》［1］的颁布，矿山采掘活动，因为其影响范围广，对土地利用类型、植被景观改变明显，在传统的环境要素分析中，其对生态环境的影响尤其受到关注。

矿山大多处于山区或丘陵地带，开采范围和环境影响范围涉及广泛，地质条件和地形地貌条件复杂。点多面广，依靠传统的技术，环境影响评价现场力量薄弱，矿山环境概况和问题难以全面掌握，数据客观性受到影响，对矿山环境影响评价带来一定难度。随着遥感技术的不断发展和完善，遥感卫星数据分辨率提高，特别是国产卫星的发展，3S技术越来越广泛地应用于环境影响评价中，特别是生态环境现状破坏严重的矿产集中开发片区。

1 3S技术简介

3S技术是指遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）的有机结合。

遥感（RS），即应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波等特性记录下来，然后揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术［2］。在环境影响评价中，主要是利用卫星的发展技术，有偿使用遥感卫星数据资源。

地理信息系统（GIS），是在计算机的支持下，对地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统［3］。环境影响评价中，一般是利用其空间定位、图形分析、属性数据等功能进行综合空间数据处理，然后分析特定区域内的环境现象和过程的原因。

全球定位系统（GPS），是一种高精度的全球无线电导航、定位和授时系统，应用其静态和动态定位方法，获取准确空间三维位置信息。环境影响评价中，主要是利用全球定位系统（GPS）强大的定位功能，将环境敏感地物信息，通过静止定位或地表移动物体导航，作为地理信息系统（GIS）原始数据的输入。

2 3S技术在矿山环境影响评价各阶段的应用

矿山环境影响评价各阶段均需要借助3S技术，包括环境现状调查、环境影响预测与评价阶段。特别是环境影响预测与评价阶段主要工作成果：专题地图制作、环境分析与质量评价，更是借助3S技术，其技术路线如图1所示。

图1 3S技术在环境影响评价中的技术路线Fig．1 Technical route of 3Stechnology in environmental impact assessment

2．1 环境现状调查阶段

现状调查时，借助全球定位系统（GPS）获取现状评价的地面控制点，以便于后期卫星数据的图像配准与几何精校正。也就是利用GPS仪进行现场静止点状和线状动态定位，获取测定控制点的经度、纬度和高度，对测定数据进行详细记录和编号。了解研究区域实际环境情况和现状污染源等，特别是一些敏感环境问题，并对环境问题的形成原因进行调查，同时收集相关基础资料。

2．1．1 自然环境状况

自然环境状况主要包括点状定位和线状定位。点状定位：重要地理位置，主要为保护区、世界文化和自然遗产地、公园、水源点等特殊生态敏感区和重要生态敏感区；植被样方位置和类型；保护动植物分布；各类监测布点位置；典型或易混淆土地地类位置和类型。线状定位：河流、水库等水文水资源；重要交通道路。

2．1．2 社会环境状况

社会环境状况主要是项目区域周边村庄、人口位置分布的点状定位。

2．1．3 污染源调查

污染源调查点状定位包括周边其他项目污染源和改扩建项目现有污染源点位。

2．2 环境影响预测与评价阶段

以空间数据库为基础，利用其强大的空间操作和分析、集成、转换和编辑等功能，利用遥感数据不同波段组合、归一化植被指数（NDVI）等处理技术，采用目视判读和计算机分类方法，得到适宜精度分类图件，主要包括土地利用现状图、植被类型图等基本生态图件。通过野外调查验证解译精度。最后可将不同的分类结果进行统计分析，评价环境变化；或者将不同时相的分类结果进行比较，分析矿山生态环境动态变化、环境评价与预测问题。

2．2．1 原始数据获取

可用于矿山生态环境影响评价的遥感数据种类很多，常用的有国外的TM、IKONOS、SPOT、QuickBird等遥感数据，国内也有ZY3等。不同的影像数据，有不同的精度和价格，应根据项目对精度和波谱信息的要求选取。

影像数据的精度，应依据《环境影响评价技术导则生态影响》附录B“表B．2生态影响评价图件成图比例规范要求”中对成图比例尺精度的要求，依据公示（1）反推卫星影像分辨率精度。为了使遥感图像达到比例尺的精度要求，遥感图像空间分辨率应小于比例尺精度。

式中：A—比例尺精度；1/M—比例尺；L—人眼视觉分辨率，一般取0．2mm［4］。

表1 常见遥感卫星基本参数Table 1 The basic parameters of common remote sensing satellite

2．2．2 环境影响评价范围

环境各要素的评价范围，依据环保部颁布的导则要求确定。《环境影响评价技术导则生态影响》要求，生态影响评价工作范围“以评价项目影响区域所涉及的完整气候单元、水文单元、生态单元、地理单元界限为参照边界”。气候单元、生态单元、地理单元往往依靠收集现有资料确定［5］。而水文单元可以依靠ARCGIS软件水文分析模块，以DEM数据为基础，提取河网和分水岭确定单元界限。对于位于山区或丘陵区的矿产资源，其生态影响评价范围往往是水文单元起着决定性作用。

2．2．3 遥感影像信息提取

遥感影像信息的提取主要是评价范围内的遥感数据通过几何校正、图像分类、野外调查验证三大步骤得到工作成果。其中图像分类最为关键。

1）几何校正

一般有偿购买的卫星影像已经经过几何粗校正，但是我们仍需要利用现状调查的地面控制点（至少3个）进行几何精校正。地面控制点来自现状调查阶段，可以选取水域、道路等交叉点，或者某种明显地物标志。

2）图像分类

图像分类是指从图像中获取信息的基本过程。在遥感技术应用过程中，经常使用的图像分类技术方法包括传统目视解译方法、人机交互解译方法、计算机自动分类方法、多源信息复合解译方法等［6］。

图像分类提取时应用最多的是目视方法和计算机方法。也就是借助GPS技术进行现状野外调查，在初步了解土地利用和植被分布现状的基础上，应用遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术，通过分析模型将空间与非空间信息和卫星图像相关联，然后综合应用目视判读、计算机监督分类等方法，对遥感图像进行综合解析，提取土地利用和植被信息。

目视判读，特别是对于高分辨率的遥感图像，一直广泛应用，可以获得比计算机更高的分类精度［7］。Wilson曾提出计算机的分类精度要比目视判读下降约21%［8］。目视判读最关键就是解译标志的建立，凭光谱规律和解译者的经验，辅以计算机数字图像增强处理技术，从影像的亮度、色调、位置、纹理、形状、结构等特征推断出地表的景物类型，建立解译标志。然后借助计算机的监督分类，利用现状调查时已知类别、有代表性区域的样本作为训练区，让计算机进行分类识别学习，掌握各个类别的特征，建立分类规则对全图像进行分类。但实际图像中有时候往往存在同物异谱或同谱异物的现象，这种情况下通过目视解译和计算机方法都很难解译出来，为了提高精度还需要进行野外调查验证。

3）野外调查验证

野外调查验证是对初步卫片图像解译结果的进一步验证，并计算分析其解译精度。解译精度验证，一般可采用抽样法或误差矩阵法来验证影像判读误差［9］。通过野外调查，将遥感影像上的图像斑块与实际地物相关联，验证遥感信息解译提取精度。同时对一些不易判别的地类图斑、零星地物进行有针对性的调查。对线状地物的宽度进行量测。

2．2．4 专题图制作

依据《环境影响评价技术导则生态影响》附录B要求，矿山生态环境影响评价图件由基本图件和推荐图件构成，其中土地利用现状图和植被类型图最为复杂和重要，也是必须依靠3S技术综合解译来完成。

土地利用现状图，是根据《土地利用现状分类》（GB/T21010－2007）［10］地类分类，将特定区域内的不同地类依据空间分布绘制成图。主要是依靠解译者的经验，对特征明显的易判别图像，比如住宅用地、水域、耕地、交通用地、林地等一级地类进行目视解译，建立遥感判读解译标志。对于容易混淆的地类，比如耕地和园地，环境现状调查时进行样本调查，利用AOI工具选取不同地类的训练样本，并对遥感图像进行监督分类，最后结合人机交互式屏幕目视解译完成图像分类。另外，矿山生态环境影响评价中，工矿仓储用地的确定尤为重要，直接反映了该区域内历史采矿的破坏情况，必须依靠野外调查对各地块验证。

植被类型图是植物群落类型分布图，是某一区域各种植被分类单位依据空间分布状况，按比例绘成的地图［11］。依据《中国植被》［12］的中国植被分类系统对植被类型划分，在土地利用现状图基础上对于林地进一步划分，但此时目视判读一般无法区别不同类型的植被。主要依据现状调查阶段植被样方作为监督分类的训练样本，然后依靠计算机的监督分类方法区分各种植被类型。样方训练样本的选择必须具有典型性和代表性，训练场地也应该在各类地物面积较大的中心部分选择。

3 案例分析

3．1 项目区概况

广西某稀土矿位于崇左市江州区太平镇一带，采用原地浸矿工艺。项目所在区域气候气温适中，雨量充沛，湿度较大，光照充足。评价区内林地植被以亚热带常绿阔叶林为主，植被类型以壳斗科、樟科、木兰科、蔷薇科、竹亚科为主。但由于常绿阔叶林长期受到人为破坏，面积逐步缩小，林相残败，大部分演替为针阔混交的次生林和其它植物群落。植被类型多以桉树林、杉木、马尾松林、灌草丛及农作物片区为主，只有在沟谷处或坡度较大处仍保留着次生灌木林，项目周边广泛分布大量农田和旱地。旱地主要以种植甘蔗为主，其次为玉米、木薯等，耕地主要以种植水稻为主；果园主要种植龙眼、芭蕉等。

3．2 环境现状调查阶段

现状调查过程中，利用手持GPS仪获取地面控制点和训练样本，记录其经度、纬度和高度，对测定数据进行详细记录和编号，了解矿区及其周边环境情况。

控制点位主要包括：a．重要水域，如屯峒水库、黑河水等；b．广西伶俐—防城港S213省道；c．矿区周边村庄分布，如宜村、那民、雁楼等。d．历史遗留废弃地位置和类型。

训练样本：选取甘蔗地、水稻田、桉树林、杉木、马尾松林、杂木混交林、灌草丛植被等作为样本，详细记录样本位置和类型等数据。

3．3 环境影响与预测

3．3．1 评价等级和评价范围

广西某稀土矿矿区范围面积共4．0478km2，占地和影响区域不涉及特殊和重要生态敏感区；本项目采用原地浸矿工艺，采场只破坏林下灌草，不会导致土地利用类型明显改变；依据《环境影响评价技术导则生态影响》（HJ19－2011），生态影响评价工作等级确定为三级。

该项目区位于山区丘陵地带，主要依据水文单元界限确定评价范围，利用项目30mDEM数据，提取矿区周边河网和分水岭数据。矿山生态环境影响评价范围最终以山脊线和河流为界，如图2所示。

图2 生态环境影响评价范围图Fig．2The assessment range of ecological environmental impact

3．3．2 遥感数据

本项目评价等级为三级，成图范围属于20～100km2区域，成图比例尺精度属于≥1∶10万，对应卫星数据精度应满足≥20m。从支持国产卫星和价格等方面考虑，项目遥感数据选用资源3号卫星2012年10月多光谱影像（分辨率5．8m）。

3．3．3 图像分类

土地利用现状图。选择水库、道路交叉点、历史车间作为控制点，利用ENVI4．8软件对卫星图像进行几何精校正。首先容易区分的耕地和园地、林地、草地、住宅用地、工矿仓储用地、水域及水利设施用地六大类土地通过目视判读，建立各类土地利用类型解译标志，如表2所示。然后，耕地和园地通过ENVI4．8软件AOI工具选取现状调查阶段的水稻田和甘蔗地训练样本区分，工矿仓储用地通过现场调查验证核实。

表2 不同土地利用类型影像特征Table 2 The image features of different lands

植被分类图。在土地利用现状图的基础上，利用ENVI4．8软件AOI工具选取现状调查阶段得到不同植被类型样本作为训练样本，包括针叶林（杉木、马尾松林等），阔叶林（桉树林、龙眼等），针阔混交林，然后对遥感图像进行监督分类，最后结合人机交互式屏幕目视判读完成图像分类，得到植被分类图。

最后采用抽样法进行野外调查验证解译精度，发现土地利用现状图精度可达到90%左右。矿山评价区土地利用现状图如图3所示，评价区植被类型图如图4所示。

图3 土地利用现状图Fig．3 The current land－use map

图4 植被类型图Fig．4 The vegetation type map

4 结论

本文总结了3S技术在环境影响现状调查阶段、环境影响与预测阶段的应用，并以广西某稀土矿为例进行应用。环境影响现状调查阶段，采用全球定位系统技术获取地面控制点，便于遥感数据的几何校正。同时了解研究区环境实际情况，对问题形成的原因进行调查。环境影响与预测阶段，以遥感数据为基础，采用目视判读和计算机相结合的方法，解译得出适宜精度的分类图件，主要包括土地利用分类图、植被类型图等基本生态图件，然后通过野外调查验证解译精度。

5 展望

除生态环境影响评价外，3S技术也广泛应用于矿山生态环境监测及现状质量评价中。一般是选择适宜的评价指标体系，建立生态系统模型，对生态环境质量进行评价，常用的评价指标包括植被指数NDVI、植被覆盖度、生物量、水土流失等［13］。

［1］中华人民共和国环境保护部．环境影响评价技术导则——生态影响（HJ19－2011）［S］．北京：中国环境科学出版社，2011．

［2］彭望琭．遥感概论［M］．北京：高等教育出版社，2010．

［3］汤国安，杨昕．ARCGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］．北京：科学出版社，2006．

［4］龚明劼，张鹰，张芸．卫星遥感制图最佳影像空间分辨率与地图比例尺关系探讨［J］．测绘科学，2009，34（4）：232－233．

［5］刘芳．生态环境影响评价中的土地利用现状图制作技术［J］．有色金属（矿山部分），2013，65（1）：75－79．

［6］党安荣，史慧珍，何新东．基于3S技术的土地利用动态变化研究［J］．清华大学学报：自然科学版，2003，43（10）：1408－1411．

［7］杨恍，张柏，王宗明，等．基于多源信息空间的遥感影像自动解译研究［J］．东北师大学报：自然科学版，2006，38（1）：131－135．

［8］Wilson P A．Rule－based classification of water in Landsat MSS images using the variance filter［J］．Photogrammetric Engineering＆Remote Sensing，1997，63（5）：485－491．

［9］邓书斌．ENVI遥感影像处理方法［M］．北京：科学出版社，2010．

［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．土地利用现状分类（GB/T21010－2007）［S］．北京：中国标准出版社，2007．

［11］唐代生，尹京，彭珍宝，等．基于3S技术的南岳区植被分布图的绘制与研究［J］．中南林业科技大学学报，2013，33（1）：15－19．

［12］吴征镒．中国植被［M］．北京：科学出版社，1980．

［13］周春兰．“3S”技术在矿山生态环境监测中的应用研究——以攀枝花宝鼎煤矿为例［D］．成都：成都理工大学，2009．

Application of 3Stechnology on mine ecological environmental impact assessment

JU Liping，ZHU Yibin
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

The application of 3Stechnology in different stages，including the stage of investigation and the stage of environmental impact and prediction，is summarized in this paper．As an example，3Stechnology is brought to the environmental impact assessment of a rare earth mineral in Guangxi Province．During the process of investigation，the global positioning system（GPS）is used to gain ground points，which is an important process in geometry rectification of remote sensing imagery．At the same time，it will benefit to investigate the current environment situation and questions in the mine area．During the stage of prediction，based on remote sensing imagery，visual interpretation and supervised classification are used to obtain the map of the classification results，including the current land－use map and the vegetation type map．Finally，evaluation precision is verified through field work．

3Stechnology；mine ecological environmental impact assessment；process of investigation；stage of impact prediction

TD167

Α

1671－4172（2015）04－0058－06

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．013

北京矿冶研究总院院基金项目（02－907）

鞠丽萍（1986－），女，工程师，硕士，环境科学专业，主要从事生态环境影响评价工作。