遥感技术在内蒙古自治区中西部重点矿区开采监测中的应用

刘 欢，张 云，黄旭红，陈东磊，杨俊泉，高学生

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津，300170）

矿产资源与人类生活息息相关，是人类经济和社会发展的重要物质基础。和发达国家相比，我国矿产资源显示了小（人均矿产平均占有量小）、大（需求和消费量大）、高（对外依存度和安全风险高）和降（国内资源供应能力和资源保障双下降）的特点[1]。矿产资源开发利用，极大地促进人类文明和社会经济发展的同时，由于粗放型的利用与管理，造成了矿产资源严重浪费，也造成一系列环境问题，例如水土流失、水系污染、地质灾害频发、生态环境扰动以及负面的环境效应。矿产资源的裸露、开发、生产、加工和消费对人类赖以生存的地球环境构成了潜在威胁[1-2]。

随着我国“生态文明体制改革总体方案”的颁布，坚持节约资源和保护环境的基本国策，建立反映资源消耗、环境损害、环境恢复和生态保护等矿产资源开发全流程的监测体系，开展矿产资源开发全天候监测，是国家矿政管理工作的必然需求[2]。遥感技术凭借其遥感影像的宏观性、真实性、全面性、高速性及准确性等特点，被广泛应用于现在的矿山遥感调查与监测工作中[3-21]。遥感技术在矿山开采监测中，能够提供客观、实时的遥感基础数据，实现对矿区变化的动态监测、生态环境监测和地质灾害分析，可以为政府管理决策提供资料和依据，提高矿业管理层次、指导和规范矿业开发活动，合理利用自然资源服务，实现矿业开发的可持续发展，改善矿山环境，减少资源浪费[22-24]。

本文利用遥感技术开展了内蒙古自治区中西部重点矿区矿山开采监测工作，通过室内人机交互解译建立遥感解译标志，基于ArcGIS空间数据处理平台，结合野外查证，全面掌握研究区矿山开采动态变化信息。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区中西部，主要包括呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、乌兰察布市、乌海市、阿拉善盟和锡林郭勒盟，地处东经97°12′～119°54′，北纬37°24′～46°46′之间。全区呈狭长形，由东北向西南斜伸，基本属一个高原型的地貌区。全区涵盖高原、山地、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊等地貌，气候以温带大陆性季风气候为主，地跨黄河、西辽河两大水系，具有丰富的森林资源和动植物资源。区域地域辽阔，岩浆活动频繁，成矿条件好，矿产资源丰富，存在着两个中国Ⅱ级成矿带，即华北地台北缘金、铜多金属Ⅱ级成矿带和大兴安岭Ⅱ级铜多金属成矿带，矿产资源丰富，保有资源储量居全国之首的有17种、居全国前3位的有43种、居全国前10位的有85种，同时也是中国发现新矿物最多的省区。稀土查明资源储量居世界首位，煤炭保有资源储量居全国首位。研究区中现有采矿权（终止时间在2021年1月1日之后）1 933个，矿区总面积达7 005 km2，包括煤、铁矿、铜矿、铅锌矿等几十种矿产类型；探矿权678个，勘探区总面积16 878 km2，涉及煤、铁矿、金矿等多种矿产类型。

2 遥感数据源及图像处理

研究区数据源以高分一号（GF1）、高分二号（GF2）、高分六号（GF6）等国产高分辨率卫星遥感数据为主，对于质量不高的遥感影像，采用北京二号及高景一号等高分辨率商业卫星数据作为补充。季度监测采用最新遥感影像数据，影像质量较好，清晰度高，云量少，定位精度高。GF1卫星包含有1个全色波段，空间分辨率为2 m，多光谱波段空间分辨率为8 m[25]。GF2卫星搭载有两台高分辨率1米全色、4米多光谱相机，具有亚米级空间分辨率。GF6卫星具有高、中空间分辨率、大宽幅、多谱段成像结合等优点，全色波段空间分辨率优于2 m，多光谱空波段间分辨率优于8 m[26]。卫星数据在使用前分别进行了影像辐射定标、大气校正、正射校正、影像增强处理等预处理过程。

3 技术路线

在对研究区遥感监测数据进行预处理后，根据解译内容，建立遥感解译标志，利用ArcGIS平台开展遥感信息提取与对比，通过人机交互解译，在明确区内矿权信息前提下，依据图斑定性标准，进行矿产疑似违法图斑提取，经后期野外实地调查取证，确定违法事实。

3.1 解译内容

矿山开采监测解译的主要内容为矿产勘查或开采图斑（井口、硐口、露天采场）的位置、开采方式（露天、地下、联合）、矿山开采状态（正在开采、停产或关闭）；矿产疑似违法图斑的分布。

3.2 矿山开采信息提取与对比

矿山开采信息提取主要采用人机交互解译的方法，以ArcGIS为主要平台，依据建立的各类解译标志，进行全分辨率解译；提取后的信息以矢量格式存储，并对所提取信息赋予属性。变化信息提取以人机交互解译为基础，通过空间分析手段，对不同时相的解译成果进行对比分析，从而获取增加和减少两种变化信息。对变化信息提取完毕后，需对提取结果进行验证，并根据验证结果进行相应的修正。

3.3 矿产疑似违法开采行为遥感信息提取

矿产疑似违法图斑是指由勘查、采矿活动引起、且该活动不符合矿产资源管理法律法规、规范性文件和政策要求的图斑。在遥感影像上一般指开采面和开采点。通过矿产疑似开采违法行为的界定及解译标志的建立，以ArcGIS为平台，利用卫星遥感数据结合区域矿权数据，准确地判断和界定疑似违法图斑[27]。

矿产疑似违法开采行为的界定主要有以下八种：（1）无证勘查:未取得勘查许可证却进行矿产资源勘查的行为。（2）越界勘查:超过勘查许可证规定的范围进行矿产资源勘查的行为。（3）擅自改变勘查对象:勘查矿产资源的种类与勘查许可证规定的矿种不符的行为。（4）以采代探:取得探矿权后并非进行矿产资源勘查，实际上进行矿产资源开采的行为。（5）无证开采:未取得采矿许可证却进行矿产资源开采的行为。（6）越界开采:矿产资源实际开采范围超越采矿许可证规定范围的行为。（7）擅自改变开采矿种:开采矿产资源的种类与采矿许可证规定的矿种不符的行为。（8）擅自改变开采方式:开采矿产资源的方式（露天开采、地下开采、联合开采）与采矿许可证规定的方式不符的行为。

根据遥感影像目视解译的直接标志，确定目标地物属性与范围，判断是否违法；根据对不同矿山占地类型、道路、厂房设备等进行的对比分析，结合区域地质矿产图及断头路、排土场等采矿行迹，提取井口的位置，圈定露天采场、活动采区范围，判断其开采状态，结合矿权判断是否违法。必要时对提取结果进行实地调查有助于提高图斑提取准确率。

4 研究区矿山开采遥感监测解译标志

采用内业遥感信息提取与野外实地验证相结合的方式，利用不同地物在遥感影像上所呈现的差异性地物特征（纹理、亮度、粗糙度、颜色、形状），建立了内蒙古中西部不同矿种和不同开采状态的开采点、开采面等的解译标志。

硐口与井口：开采硐口是指地面直达矿脉的巷道的出口。硐口附近一般植被较为茂密，在影像上难以直接观察。但开采硐口一般分布在断头路的尽头，附近有出矿通道或运矿铁轨，周围有少量矿山建筑与固体废弃物堆积。图1（A）显示煤矿井口，在影像图中不易识别，通常分布于其他矿山建筑周围，可通过煤矿矿山整体进行识别。图1（B）为井口野外验证实景照片，井口上方有建筑物。

图1 井口解译标志Fig.1 The image interpretation key of pit head

金属矿采场指开采金属矿石的场地，呈不规则形状，色调明显区别于周围自然地表，纹理明显，有道路相通，呈负地形，易识别。非金属矿采场指开采非金属矿石的场地，边界清晰，颜色较亮，受机械外力作用，纹理较粗糙杂乱，呈负地形，其上可看到颗粒状矿石和开矿活动痕迹，该类痕迹有别于农田，较易识别。图2（A）为铁矿露天开采面，新鲜开采面在影像上整体呈现出灰黑色，有台阶式的明显纹理，采场内部道路密集；图2（B）为铁矿开采面野外验证实景照片，采坑内有挖掘机和凿岩机正在作业，也可见清晰的运输车道，该开采面为正在开采状态。图2（C）为煤矿露天开采面，新鲜开采面呈黑色，围岩为灰色，具台阶纹理，采场与周围植被界限明显，周围废弃采坑已回填复绿，呈土黄色；图2（D）为废弃煤矿采面野外验证照片，长满杂草或被浮土覆盖，风化现象较为严重，周边运输通道车轮痕迹不明显。图2（E）为白云岩开采面，采面十分新鲜，呈灰白色，有明显的台阶式纹理，矿山道路明显；图2（F）为白云岩开采面野外验证实景照片，现场有工人及挖掘机作业，为正在开采状态。

图2 露天开采面解译标志Fig.2 The image interpretation keys of opencast mining

5 监测结果与讨论

收集内蒙古中西部地区近几年的矿权信息及2021年重点矿区第一、二季度高分卫星遥感数据，经过预处理后，建立遥感解译标志，开展遥感信息提取工作，圈定出重点矿区矿山开采图斑，同时通过季度对比，进行遥感动态变化监测，识别出疑似违法图斑信息。以西部某煤矿为例（图3），通过2021年第一季度和第二季度两期影响对比，矿山开采面存在变化，尤其图中红色圈内，开采面积明显扩大，表明该矿山在监测时间段内存在开采行为。

图3 内蒙古自治区西部某煤矿2021年第一、二季度开采面变化（蓝色实线为矿权范围）Fig.3 Mining surface changes of a coal mine in western Inner Mongolia in the first and second quarters of 2021(The solid blue line is the scope of mine rights)

内蒙古中西部重点矿区总面积达47 998 km2，涉及狼山成矿带西段、敖伦布拉格、小佘太、固阳-石拐、东升庙、东胜、白云、乌海、集宁南、准格尔和包头工作区、锡林浩特煤矿、乌力雅斯太煤矿区，吉尔嘎郎图煤矿区以及苏尼特左旗铁矿区等，重点矿区面积最小的为1 454 km2，最大的可达6 145 km2。经过目视解译，2021年第一季度圈定图斑1 659个，图斑总面积达130.5 km2，分露天和联合两种开采方式，矿种包括煤、钼矿、铅矿、铁矿、铜矿、建筑用花岗岩、石英岩等多种。正在开采图斑216个，占地76.4 km2，停产图斑514个，占地24.7 km2，关闭图斑929个，占地29.4 km2（图4）。矿山疑似违法开采图斑66处，为总图斑数的4.0%，疑似违法图斑总面积达1 329万平方米，涉及违法矿种为建筑用砂、煤、石英岩、铁矿、制灰用灰岩5类，其中，无证开采型违法60处，越界开采型违法2处，擅自改变开采方式型违法4处（表1）。2021年第二季度圈定图斑1 659个，图斑总面积达132 km2，亦分露天和联合两种开采方式，矿种包括煤、铁矿、铜矿、石英岩等。正在开采图斑192个，占地74.1 km2，停产图斑538个，占地29.4 km2，关闭图斑929个，占地28.5 km2（图4）。疑似违法开采图斑15处，为总图斑数的0.9%，较第一季度数量明显减少，疑似违法图斑总面积为597万km，违法矿种类型为煤、铁矿和水泥用灰岩。其中，无证开采型违法7处，擅自改变开采方式型违法7处，以采代探违法1处（表1）。经过两期遥感影像对比，存在两处疑似持续违法图斑。

表1 内蒙古自治区中西部重点矿区2021年第一、二季度圈定疑似违法图斑类型Table 1 Types of suspected illegal figure spots in major mining areas of central and western Inner Mongolia in the first and second quarters of 2021

经统计分析，研究区违法行为主要存在以下几方面问题：（1）多处煤矿开采方式由井采改为露天开采。众所周知，露天开采不仅使周边大量土地受到破坏，且排出的废土和废渣含有不良物质对土壤造成破坏，另外开采过程中引起的粉尘使周围环境的空气也受到一定污染，严重影响生态环境[28-30]。应加大对该违法行为的监督和处罚力度。另外，由于近期煤炭价格开启连涨模式，今年涨幅已经超过60%，以往关停的煤矿厂可能会重操旧业，建议作为重点督查内容之一。（2）多年来，内蒙古自治区铁矿违法开采的行为屡见不鲜，随着国际铁矿价格下跌以及矿山执法活动的开展，铁矿违法行为得到了控制，本研究区铁矿疑似违法行为集中为无证开采，具体原因为矿权过期，可能因为矿权办理周期过长等造成[31]。（3）近几年，随着城市建设、各类工程推进、房地产开发等相关基建的高速发展，建筑用砂、灰岩等矿种需求量增大，受经济利益的驱使，矿产资源违法活动屡禁不止，建议加强对该类资源集中分布地区进行重点监测。针对内蒙古自治区各类矿产违法开采行为，政府各级管理部门也组织开展了执法检查活动，采取了种种措施，严重打击了违法开采行为，随着遥感技术在矿山开发监测中的应用越来越广，经验越来越成熟，各类违法行为也及时受到遏制，提高了执法的效率和精准度。

6 结论

利用遥感卫星影像，对内蒙古自治区中西部重点矿区进行了矿山开采监测，通过遥感信息提取，圈定出矿山开采图斑，同时对其各类属性（开采方式、开采状态，开采面积等）进行统计，依据矿权信息，以及多期次影像对比，识别出疑似违法信息。通过动态监测，圈定出研究区2021年疑似违法图斑79个；涉及疑似违法的矿种主要为煤、建筑用砂、石英岩、铁矿、制灰用灰岩和水泥用灰岩等6类；疑似违法类型以无证开采和擅自改变开采方式为主。该项工作为后期矿山执法、维护矿业秩序等提供了依据。