遥感技术在矿山地质环境监测中的应用

王慧敏 杨仕勇

(山东省国土空间数据和遥感技术中心, 山东 济南 250013)

0 引言

矿产资源是工业的血液和粮食,是人类生产和生活所必需的不可再生的自然资源,是社会发展赖以生存的物质基础[1]。矿产资源的开发利用引发了较多的矿山地质环境问题,破坏了生态环境,影响了人们的生产生活[2-3]。传统的矿山地质调查方法主要采用逐级上报或者全外业核实的方法,经济效益差,费时费力,调查过程中无法看到矿山全貌,调查精度低。随着遥感技术的迅速发展,其波谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率的日益提高,可全方位地掌握和了解矿山地质环境问题的现状、动态及发展趋势,可为矿山地质环境问题的调查提供新的契机[4]。

1 监测区概况

山东省位于黄河下游,华北平原东部,濒临黄渤海,地处34°22.9′～38°24.01′N、114°47.5′～122°42.3′E之间。北与河北省接壤,西南与河南省为邻,南与安徽、江苏两省接界,总面积15.71万km2,约占全国总面积的1.64%。境内中部山地突起,西南、西北低洼平坦,东部缓丘起伏,形成以山地丘陵为骨架、平原盆地交错环列其间的地形格局。

山东是矿产资源大省,截至2017年,全省已发现矿产148种,查明资源储量的有85种。其中包含金、铁、铜25种金属矿产,岗岩、石膏、石灰岩等50种非金属矿产,地热、石油、煤等7种能源矿产以及地下水、矿泉水等3种水汽矿产。全省开发利用矿产60余种(含亚矿种),主要开采矿种为花岗岩、石灰岩、煤、石油、铁、金等。查明资源储量的矿产地2 560处(不含供伴生矿产地数)。

全省矿产资源分布范围十分广泛,受成矿地质条件制约,矿产资源在地域组合和矿种配置上呈现明显差异。鲁东地区是我国金矿的重要分布区,鲁东山地丘陵地也广泛分布建材(灰岩、花岗岩)等矿产;鲁中地区是建材(灰岩、花岗岩)及黑色金属(铁)矿产分布区;鲁西北及鲁西南地区是煤炭、石油、天然气及地热资源分布区[5-6]。

2 数据来源与研究方案

2.1 数据来源

2.1.1遥感影像

收集监测区2020年3～6月高分辨率航空正射影像数据,空间分辨率为0.5 m。

2.1.2基础性地理省情监测数据

收集监测范围内的2019年度基础性地理省情监测成果。其中,监测成果中的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据用于统计分析;行政区层数据用作按行政区划裁切和统计的参考数据;道路层、水系层等作为外业核查的参考数据。

2.1.3其他专题资料

收集山东省第三轮矿产资源规划资料,数据库成库时间为2015年,包含矿山点状及矿山注记数据,用作矿种判断的参考数据。

收集山东省1∶50万地质图,主要使用岩性、地层年代及地质构造数据,用作成果统计分析的参考资料。

本次监测收集的数据资料均来自权威主管部门,数据准确可靠。

2.2 研究方法

2.2.1技术路线

设计采用了以多源遥感影像数据、基础性地理省情监测数据及矿山地质环境相关专题数据为主要数据源,在分析遥感影像特征、山东省矿山地质环境特点及专题数据资料的基础上,结合外业采样,建立矿山地质环境问题遥感解译标志,通过内外业一体化方法精确提取全省矿山地质环境问题专题信息,并进行多维统计分析,探索山东省矿山地质环境问题分布特征,形成面向省域的多源数据集成的矿山地质环境问题快速遥感监测方法和模式[7-8]。总体技术路线如图1所示。

2.2.2技术方法

(1)数据预处理

主要包含2020年0.5 m分辨率航空正射影像的镶嵌裁剪及坐标转换,矿山地质环境专题资料的格式转换,数据异常点处理等。

(2)建立山东省矿山地质环境问题解译标志

根据山东省矿山地质环境特点,将矿山地质环境问题专题要素划分为破损山体、露天采坑、尾矿库、采矿塌陷地、固体废弃物堆放、其他矿料堆放、工业广场7类,通过前期外业采样,结合影像特征建立全省矿山地质环境问题解译标志。各类型定义及在影像上的特征具体见表1。

续表

(3)矿山地质环境问题专题信息提取

首先根据建立的遥感解译标志,结合收集的专题资料,提取全省矿山地质环境问题专题信息[9-10],最小采集图斑为100 m2,录入属性,标注需要外业核实的疑问图斑。信息提取原则为:水泥厂、搅拌站以及无取土坑的砖窑厂等加工企业,经营性质的沙石料、煤等固体堆积,以及因建设项目(铁路、高速等)造成的临时性取土坑或固体堆积不属于矿管范畴,若能确认则不需提取;风力发电建设的风机区域只是破坏了植被,没有破坏山体,此类图斑不需提取;石油生产地,不需提取;早期的矿山已停工多年,现增改厂房变为工厂、饲养场等,土地类型仍为采矿用地,并有采矿遗迹,提取图斑为工业广场;工业广场内若包含固体废弃物堆放、其他矿料堆放等,需分别圈定;采矿塌陷地解译时,根据影像只准扩大或保持不变,不能删除及缩小;图斑中有多种类型时,以生产型为主;跨越公路的图斑,在公路两侧分别圈出。

(4)外业核查

采用野外移动核查采集系统,对信息提取过程中标注的疑问图斑进行外业实地核查,填写外业核查记录表。同时,对非疑问图斑以县为单位采集各类别样本点,便于后续建立样本集及核查内业提取图斑精度,以提高解译的准确性。

(5)内业编辑与整理

根据外业核查结果对疑问图斑进行编辑和属性修改,对非疑问图斑通过抽样进行精度评估,质检完成后生成全省矿山地质环境问题数据集。对外业样本点进行编辑整理,生成以县为单位的样本集。

(6)多维统计分析与表达

将监测结果与多种数据做叠加分析,基于行政区划、不同地形分区、不同岩性、断裂带、水系5个角度分析了全省矿山地质环境问题的空间分布特点,并对全省的矿山地质环境问题图斑进行了热点分析,制作了相应的专题图件进行直观表达。

3 监测结果与分析

本次研究共提取了全省矿山地质环境问题图斑12 937个,面积共计826.30 km2。全省矿山地质环境问题图斑统计情况见表2。山东省矿山地质环境问题最突出的是露天开采矿山导致的破损山体和随矿业活动伴生的用于矿料加工的工业广场,数量和面积均占前两位;其次依次为露天采坑、采矿塌陷地、其他矿料堆放、尾矿库和固体废弃物堆放。

表2 全省矿山地质环境问题统计表

结合矿产资源分布情况来看,鲁东招远-莱州和牟平-乳山两个金矿分布区分布有较多的尾矿库,鲁东山地丘陵区开采建材产生了大量破损山体和加工石材的工业广场。鲁中的淄博、莱芜等地市分布有较多黑色金属矿山,对金属矿的开采形成大量尾矿库和固体废弃物堆放区,同时鲁中山区开采建材等也形成面积较小但数量较多的破损山体。鲁西北及鲁西南地区大量的煤炭开采导致了大面积的采矿塌陷。

3.1 基于行政区划的统计分析

矿山地质环境问题在全省16地市均有分布,其中,烟台市矿山地质环境问题图斑面积最大,共146.48 km2,占全省矿山地质环境问题总面积的17.73%;济宁市、临沂市次之,面积分别为127.16、90.90 km2,分别占全省矿山地质环境问题总面积的15.39%和11.00%。济宁市、烟台市、临沂市三个市矿山地质环境问题图斑面积之和可达全省矿山地质环境问题图斑面积的44.12%,具体如图2所示。

图2 全省各地市矿山地质环境问题图斑占全省问题图斑总面积比例图

3.2 基于地形的统计分析

通过地形数据与矿山地质环境遥感监测成果进行叠加分析发现(表3)。山东省平原、山地、丘陵、台地四种不同地形分区中,丘陵地区矿山地质环境问题最大,面积共计302.25 km2,占全省矿山地质环境问题图斑总面积的36.59%。其次为平原和山地地区,分别为274.44 km2和221.14 km2,分别占全省矿山地质环境问题图斑总面积的33.22%和26.77%。台地地区分布着极少数的矿山地质环境问题图斑,仅占总图斑面积的3.42%。山地和丘陵地区以破损山体为主,平原地区以采矿塌陷地与工业广场为主,台地区域以露天采坑为主。由于破损山体的灾害威胁较大,因此，对于山地及丘陵地区的恢复治理应引起重视,并加大恢复治理力度。

表3 不同地形分区内矿山地质环境问题面积统计表

3.3 基于岩性的矿山地质环境问题分析

本次监测分析以岩石性状为切入点,分析山东省矿山地质环境问题的分布与岩性的关系,从而为更好地进行矿山地质环境修复提供有关建议,监测结果如图3所示。

图3 矿山地质环境问题图斑在各类岩石类型中的分布情况

鲁中南地区基岩出露,主要为古生代寒武纪—奥陶纪石灰岩、白云岩;前寒武纪花岗岩质编制侵入岩和片岩、片麻岩等变质岩;临沂地区沭河两岸附近发育膨胀土。鲁西北、鲁西南地区因冲积、湖积、海积及沼泽沉积分布着大面积的新生代第四系松散沉积物,且覆盖厚度大,主要沉积物为泥岩、页岩、粉砂岩、粉砂质黏土、砂岩和盐渍土等。鲁东地区中生代花岗岩侵入体十分发育,其次发育前寒武纪古老的变质岩,如片岩、片麻岩、大理岩等;莱阳盆地一带发育白垩纪火山岩;在盆地、河谷及坡麓分布第四系松散沉积物。

全省矿山地质环境问题图斑在第四系松散沉积物中分布最为广泛,占全省矿山地质环境问题图斑面积的42.65%。沉积物主要为泥岩、页岩、粉砂岩、粉砂质黏土、砂岩和盐渍土等,主要分布于鲁西北、鲁西南地区,该地区主要以砖瓦窑场为主,取土量较大。其次,石炭—二叠纪是山东省主要含煤层系,集中分布于鲁西隆起区,因此,该地区分布着大量的煤炭资源,全省大部分的采矿塌陷地也分布于此。全省矿山地质环境问题图斑在花岗岩及水泥灰岩两种岩石类型范围内也分布较多,面积分别占全部图斑面积的17.29%、14.62%。花岗岩主要分布于鲁中山区及鲁东地区,主要用于生产建筑石材。水泥灰岩主要分布于鲁南及鲁西南地区,主要用于生产石灰、水泥及石膏等。

破损山体多分布于水泥灰岩、花岗岩、第四系松散沉积物分布的区域。水泥灰岩岩体破碎,由该岩石组成的地表极易引起滑坡的发生,破损山体位于此,裸露的岩石加之风化作用的影响,极易引发滑坡、崩塌的发生。

3.4 基于断裂带的矿山地质环境问题分析

基于断裂带的矿山地质环境问题统计分析表明如图4所示,全省矿山地质环境问题图斑中,距离断裂带10 km以内的矿山地质环境问题图斑面积527.46 km2,占全部图斑面积的63.87%,说明大部分图斑位于受断裂带影响较大的区域范围内。

图4 矿山地质环境问题图斑随断裂带的距离分布情况图

其中破损山体有72.51%,露天采坑有66.62%位于距离断裂带10 km以内的区域内。矿山开采活动使得地表内部力学结构发生改变,容易引起崩落、坍塌等危险的发生,加之断裂带活动的影响,增加了次生灾害发生的概率,容易引发更大规模的地质灾害。

值得注意的是,有面积占比28.13%的露天采坑和占比25.84%的破损山体位于距离断裂带不足4 km的区域内。此类距离断裂带较近区域的破损山体及露天采坑需及时处理,进行危岩体清理、护坡等修复工作。

3.5 基于水系的矿山地质环境问题分析

基于水系的矿山地质环境问题分析表明(图5),距离水系1 km的矿山地质环境问题图斑总面积共计31.78 km2,占全部矿山地质环境问题图斑的3.85%。距离水系1 km范围内的矿山地质环境问题图斑中50%以上为采矿塌陷地及工业广场。

图5 距离水系1km以内各矿山地质环境问题图斑统计图

需要引起注意的是其他矿料堆放、固体废弃物堆放及尾矿库,若保存不当,其中的有害物质会随地表深入地下,从而影响地表水地下水循环系统,对水资源造成污染。

另外,水系1 km以内分布着些许露天采坑及破损山体,共计9.88 km2,地表水渗透会侵蚀露天采坑及破损山体内部结构,破坏原本就被开采而不稳定的地表内部,从而引起滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害。

3.6 热点分析

基于全省矿山地质环境问题图斑分布及面积数据,进行全省矿山地质环境问题热点与冷点区域分析,并探索整体及各个区域矿山地质环境问题空间分布差异特征。在热点分析结果图中,黑色区域为热点区域,代表矿山地质环境问题图斑空间连接性强,密度大,单个矿山地质环境问题图斑面积大的区域;白色区域为冷点区域,代表矿山地质环境问题图斑空间连接性弱,分布分散,单个矿山地质环境问题图斑面积小的区域。山东省矿山地质环境问题空间分布差异显著,总体表现为中部和南部突起的鲁中南山地丘陵区以及东部起伏和缓的波状丘陵区为矿山地质环境问题的热点区域,鲁西和鲁北平原区为冷点区,这个结果也与山东省矿产资源的分布呈现出较高的一致性。

4 结束语

本文以山东省矿山地质活动影响区内的矿山地质环境问题为监测对象,以高分辨率航空正射影像为主要数据源,通过内业解译与外业核查相结合的方式,开展了全省矿山地质环境问题遥感监测,总结如下:

(1)基于基础性地理省情监测数据及专题数据的数据整合与处理,高精度遥感影像内业判读与外业核查相结合的内外业一体化精确提取、多维度多视角的统计分析等,形成了面向矿山地质环境问题的快速监测体系和应用模式,经验证,监测效率高、监测成果可靠。

(2)全省矿山地质环境问题的监测统计分析成果可以直观地展示全省各个地区矿山地质环境问题的空间分布情况,基本摸清了全省矿山地质环境问题的家底,可为矿山地质环境保护及监管提供参考。

(3)通过后续持续的监测可以看出全省矿山地质环境问题的变化,进一步为矿山地质环态保护及矿山地质环境恢复治理效果的监督和管理提供数据支撑。