高分遥感影像煤矿非法开采动态监测应用

文∣赵家乐 陈浩

天津航天中为数据系统科技有限公司

一、引言

长久以来,煤炭资源的乱采滥挖现象十分严重,不仅浪费了矿产资源,而且破坏了矿山环境。对其进行有效动态监管，是当前实施煤矿资源开发和管理工作中面临的重要课题。煤矿非法开采监测是以高分辨率遥感影像为依据，以有效遏制煤矿非法开采事件的发生为目的,是保护煤矿安全、高效生产的基础。

用传统方法对煤矿开采进行监测，不仅耗资巨大，而且无法快速科学掌握煤矿资源开发与管理的多元信息。随着遥感技术的快速发展，高分辨率遥感影像的应用已经涉及到国民经济建设的各个领域，对经济建设、国防建设和环境优化起到了巨大推动作用。遥感影像具有直观、动态、快速、宏观、真实等诸多优点，己成为便捷、科学、精准监测煤矿资源开采变化状况的重要手段。基于高分遥感影像煤矿非法开采监测,是利用高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的影像数据，通过对比分析不同时相数据的解译结果，探讨高分影像对矿区采矿活动的识别能力，指出工作区存在的违规采矿行为；通过分析往年遥感影像获取时间间隔，探讨是否满足对整个矿区所发生的非法开采事件进行动态监测。为国土资源相关部门进行矿产资源的开发管理、低成本快速高效打击非法采矿行为，提供科学执法依据。

二、技术方案分析

煤矿非法开采监测就是通过分析不同时期的卫星影像，从中提取、分析采矿痕迹变化信息实现其监测。如何利用能获取的高分数据，将信息综合起来，并快速发现煤矿的非法开采活动痕迹，是煤矿非法开采动态监测首要解决的基本问题。煤矿开采活动痕迹通常表现为：道路修建、采矿设施、矿渣(石)堆积、植被破坏、山体开掘等,含有这类形状特征及其空间关系特征的地物可作为煤矿判读的标识。其中道路颜色的新旧程度、现场有否运输设备斑点、堆煤场面积是否扩大及建筑房屋是否增建可作为煤矿在采与否的判别标志。

1.监测区遥感数据源选择

在考虑到控制监测成本的前提下，选择什么样的遥感数据，要根据遥感影像的获取周期，及监测目的和监测内容而定。在目标煤矿监测开采区内，选用的遥感数据要能够清晰分辨煤矿开采硐口、采矿建筑、堆矿石区、矿车、汽车、矿区生态环境治理区、宽度大于分辨率的运输道路等采矿活动痕迹。

2.遥感图像处理

对不同时相的遥感影像进行几何校正，并将全色PAN波段数据与多光谱数据融合处理，天然假彩色合成，然后进行图像增强及裁剪等。结果数据与采矿确权数据进行叠加显示，以人机交互的方式对监测煤矿中各类地物和采矿活动痕迹相关内容进行解译，圈定非法开采的煤矿，最后利用解译结果进行野外验证。

3.建立遥感影像综合解译标志

非法煤矿开采有其隐蔽性强的特点，但在开采硐口附近有矸石堆、堆煤场、简易建筑等，并有道路相通。采煤区在图像上呈黑色或灰色区域，地处山坡，轮廓通常表现为不规则梅花状或尖部指向低处的扇形。矿区道路在融合影像上呈线条状，随地形起伏而变化，色调一般为亮白色，线条通向建筑物或堆煤场附近后消失，有时道路上可见运输车[1]。矿区建筑物在影像上呈浅白色花斑状，轮廓大多数表现为整齐规则的矩形、有道路相通。尾矿石堆积为灰白色调，煤仓或煤矸石堆积为灰黑色调。堆煤场在影像上，显示为黑色调、地势平坦、轮廓通常为规则多边形或矩形、道路进入该区后中断、有时可见运输车停放。采煤影响区在影像上通常呈现为浅灰或灰白色调，纹理结构呈深浅不一的杂色，主要分布于采煤区和堆煤场地的周围及道路附近。地面塌陷区在影像上呈现舒缓波状裂缝，有时会成组出现，及成片蘑菇状圆坑地貌。矿井则一般出现在采煤区中地势较高的位置，色调较深的点状区域，道路在此处中断。如果是扇状采煤区，则在采煤区上部，尾矿石堆积场和煤仓的结合部区域，采矿小铁轨在此处中断。此外，硐口形成的太阳阴影也可以作为矿井的判读标识[2]。这些判读依据都是煤矿开发过程留下的痕迹，通过发掘这些痕迹及其特征，并追踪这些痕迹的变化，就可以发现采矿活动。

4.动态变化信息提取

利用遥感技术进行煤矿资源非法开发动态监测的核心，就是利用多时相遥感图像，以对比解译、分析为主体，根据建立的解译标志，发现捕捉图像上与非法采矿活动有关的痕迹[3]。采矿痕迹自动发现能够监测出两个时相图像中，非法开采区域的具体位置及分布，通过人机交互解译提取准确的变化区域，进而从影像上获得变化处各目标的准确范围、形状及边界。

5.野外验证

野外调查验证可以在重点区域进行无人机航拍或者实地勘察来实现，其目的是给遥感解译人员提供一个感性认识，对测区内的矿区环境和采矿作业现场有一定了解，从而完成建立遥感解译标志[4]。此外，为保证对矿区遥感解译成果的准确性、可靠性以及解译的质量，还对目标区内煤矿资源开发状况(现矿山数量、规模，停采矿山数量)、开采活动范围(土地占用面积、植被破坏面积)等进行野外实地验证。

三、高分数据获取

不同分辨率影像对监测目标类型的识别能力不同，不同影像的获取成本也不同，获取存档数据和编程数据的时间间隔也不相同，如何以低成本而高效地获取非法煤矿动态监测结果，就要选取正确的数据源及合理的获取方式。

目前获取卫星数据服务主要有两种方式，一种是靠卫星自主拍摄获取的标准数据，即为存档数据。这种方式受国家应急或其他主用户需要的影响，获取拍摄到同一地区影像的时间间隔不稳定。另一种获取卫星数据服务的方式为卫星编程数据定制服务，这种方式依靠指定卫星去拍摄，获取的编程数据采购不设限，短时间内多次覆盖，影像更具针对性、时效性，获取能拍摄到同一地区影像的时间间隔大约为一个月，但是价格也比标准数据要高。

虽然很多卫星的重访周期均在5天以内，且从卫星拍摄某地区影像到发布，用户能查到该数据的时间延迟仅大约为24小时，但受国家应急或其他主用户需要的影响，实际上获取拍摄到同一地区影像的时间间隔不稳定，有的需要几个月，有的甚至需要大半年，并且只能保证同一地区每年有两次覆盖。

四、高分影像煤矿监测结果

以甘肃省多个煤矿区作为试点，将2m分辨率、1m分辨率及0.5m分辨率数据的煤矿监测实际效果进行展示及对比。

将高分一号、高分二号及GeoEye-1卫星影像作为不同分辨率的代表进行监测结果分析。通过人工交互解译结果，结合批准的采矿界限，发现矿区疑似越界开采痕迹。如图1所示。

图1 疑似越界开采区域监测

由图1（b）可以清晰的看到矸石堆、采矿设施等地物，由图1（c）可以识别出运煤车，由此可以判读两个疑似越界开采区域属于正在开采的煤矿，应该列为疑似非法开采区域。

图2为高分一号卫星数据，从图上只可大致识别出矿区1采矿建筑、运输道路、堆煤场以及堆煤场逐年变大的痕迹。

图2 堆煤场变化监测

图3为矿区2堆煤场关闭痕迹影像图。从图3上可以直观地识别出堆煤场以及堆煤场关闭的痕迹，根据甘肃省发布的关闭淘汰小煤矿名单的公告，矿区2属于淘汰落后煤矿实施关闭，与影像反应情况相吻合。

图3 堆煤场关闭痕迹监测

图4为运煤汽车影像识别，图像为高分二号、GeoEye-1卫星数据。从图4可以清晰地识别出运煤汽车、采矿建筑、运输道路、堆煤场以及堆煤场逐年变大的痕迹。与高分二号影像相比，GeoEye-1影像上的运煤车等其他地物更容易识别。

图4 运煤汽车影像识别

图5为采矿建筑变化监测图，从图5上可以清晰地识别出采矿建筑、堆煤场逐年变大的痕迹。与高分二号卫星影像相比，GeoEye-1卫星影像上的采矿建筑及其他采矿活动痕迹更容易识别。

图5 采矿建筑变化监测

五、结论

综合以上分析，可以得出结论：

1）高分卫星数据对煤矿识别能力。1m分辨率及0.5m分辨率卫星数据能够识别煤矿开采硐口、汽车、矿车、堆矿石区、采矿建筑、矿区生态环境治理区、宽度大于2m的运输道路等采矿活动痕迹，且0.5m分辨率卫星数据更清晰，颜色更真实，更容易识别运煤汽车、采矿建筑等其他采矿活动痕迹，更适合用于监测煤矿的非法采矿活动。而2m分辨率数据对煤矿的开采状况显示效果欠佳，对采矿活动痕迹的细节显示模糊，不适合用于监测煤矿的非法采矿活动。

2）煤矿非法开采判读。针对不同时相的高分数据，专业人员可以根据开采硐口、采矿建筑及煤矸石等固体废弃物堆放情况，结合批准的采矿界限来判读是否越界开采或一证多井违法开采；还可以根据运输道路的新旧情况及现场是否有运输设备，来判读已经关闭的煤矿是否还在违法开采。

3）高分卫星数据时效性。存档卫星数据获取时间间隔不稳定，编程卫星数据获取时间间隔可以控制在1～3个月内。

4）高分卫星选取。国内高分编程数据获取较困难。国外高分编程数据周期相对较短，建议在重点矿区使用；在非重点矿区建议使用分辨率相对低的高分二号存档数据（1m）。