基于遥感技术的矿山生态修复调查研究—以冀东铁矿为例

王 娜 田 磊 文可戈 李大猛 彭 桢 刘星兴 余 洋，8，9，10

（1.中国地质环境监测院，北京 100081；2.自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室，北京 100081；3.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083；4.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，四川 成都 610081；5.四川省环境保护地下水污染防治工程技术中心，四川 成都 610081；6.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120；7.河北地质大学资源学院，河北 石家庄 050031；8.自然资源部矿山时空信息与生态修复重点实验室，河南 焦作 454000；9.自然资源部矿区生态修复工程技术创新中心，北京 100083；10.自然资源部采煤沉陷区综合治理与生态修复工程技术创新中心，山东 济宁 272100）

矿产资源作为社会经济发展的重要物质来源，其开发过程势必对矿山地上、地下空间造成剧烈扰动，继而引发矿山及其周边环境不可逆转的强烈变化［1-2］。如何借助现有技术手段实现对矿山环境破坏程度、影响范围的有效识别与科学研判，完成矿山生态修复调查、核查［3-7］，不仅是矿山生态修复业务支撑部门迫切攻关的技术难题，更是矿山生态修复业务主管部门高度关注的行政议题［8-10］。研究表明，涉及矿山生态修复调查的探索实践业已广泛展开［11-18］，特别是在矿山生态修复关键要素的精准提取［19-20］、系统评价［21-23］、动态监测［24-28］、综合评估［29］等方向取得了一些切实可行的研究成果与工作成效。

为科学推进国土空间生态修复，结合矿山生态修复实际需求，依托高分辨率遥感数据精度优势，融合传统地质调查工作特点，提出基于遥感技术的矿山生态修复调查方法协作方式，厘清现有技术方法适用范围，并以河北省唐山市冀东铁矿为例，进行矿山生态修复调查典型案例示范，科学提取矿山露天采场关键要素信息，详细统计不同地物类型现状面积，系统查明矿山地质安全隐患基本情况，梳理总结矿山生态修复调查经验，持续完善矿山生态修复调查技术手段，进而为矿山生态修复调查平台建设［30-31］、数据更新、技术研发、标准制定［32］提供重要参考。

1 研究区概况与数据来源

冀东铁矿位于河北省唐山市迁安—开滦能源多金属矿集区，地处燕山山脉东段南麓低山丘陵地带，面积130 km2。最大海拔高度为638.7 m（即挂云山区域），降水多集中于6～8月，全年平均气温为10.1℃，多年平均降雨量为662 mm；属于温带、半湿润季风气候。研究以2014年5月Quick bird数据及SRTM 90 m高程数据为基础，通过对遥感图像进行几何校正和坐标转换，使之满足1∶1万矿山信息数据采集要求。

2 矿山生态修复调查

2.1 调查内容

冀东铁矿开采规模较大，开采时间长，固体废弃物堆放占用大量土地资源，废弃矿山及固废恢复治理步伐滞后，严重影响周边环境。通过资料分析、野外踏勘工作，实现对冀东铁矿山生态修复调查内容全面梳理，具体内容如下：矿山开发占用、破坏大量土地资源，矿产资源过度开发引发地质安全隐患（如滑坡、崩塌、泥石流等），矿山地貌景观破坏，水土流失、生态环境持续恶化，矿产资源的开发引起地下水系破坏。

2.2 调查方法

根据矿山生态修复调查对象的光谱特征、几何特征、空间位置等，采用人机交互解译、三维景观模拟技术、面向对象信息提取技术以及野外调查验证相结合的方式，实现对冀东铁矿矿山生态修复调查要素的快速提取。

（1）人机交互解译方法。根据解译者经验积累及总结修改，从颜色丰富、细节清晰的融合影像中将数量少、解译标志明显的地类提取出来，实现对矿山生态修复要素的快速调查。与传统基于像素的计算机分类相比，人机交互解译方法不仅继承了面向对象分类方法的所有优势，而且兼具快速修正计算机自动分类错误的强大功能。

（2）面向对象信息提取技术。作为对高分辨率遥感影像数据进行特征信息提取的重要手段，面向对象信息提取方法，不仅克服了人工目视解译效率低的缺点，而且破解了计算机自动分类准度低的难题。研究表明［19-20］，面向对象信息提取方法可以用于矿山生态修复调查过程中所需遥感信息的自动快速提取，为下一步构建同类型矿山生态修复调查快速遥感解译与信息提取技术体系提供支撑。以冀东铁矿浓缩池为例（图1），浓缩池光谱特征较为均一，其几何形状为圆形，影像颜色为褐色。提取参数设置如下：亮度值（80＜Brightness＜150）、面积（8 000＜Area＜10 000），鉴于提取量较小，目视解译辅助调整。

（3）三维景观模拟技术。通过遥感方式获取矿山三维数据，建立矿山实景模型，借助三维景观模拟图实现对排土场和采石场景象再现（图2），其中，利用坡度信息可以快速完成对开采面和排土场的区分、利用变坡点信息可以精确实现对固体废弃物边界线的判读。三维景观模拟技术［17］不仅提升了矿山生态修复调查过程中地物研判、识别精准度，还降低了调查期间所需的人力、时间、资金成本，大大提高矿山生态修复调查工作效率。

综上，基于矿山生态修复调查工作的现实需求，系统梳理人机交互解译技术、面向对象信息提取技术及基于DEM与DOM的三维景观模拟技术（表1）等方法的工作特点，进一步明确不同调查方法适用地物类型及特征，从而为冀东铁矿矿山生态修复调查提供指南。

（4）野外调查验证。为了进一步补充遥感调查遗漏图斑、核实解译标志、检验遥感数据信息提取结果可靠性，需要对冀东铁矿进行野外调查加以验证。一方面，验证室内解译过程中不确定的矿山地物（包括矿山巷道开采面、矿山建筑区域、固体废弃物及矿山中转场地等）分布范围、具体面积及压占毁坏的土地类型等。另一方面，验证室内解译过程中不确定的地质安全隐患（包括崩塌、滑坡、泥石流）具体位置、分布范围、规模、发育特征、诱发因素、危害对象。

2.3 调查成果

2.3.1 矿山要素信息提取

根据《矿山生态修复技术规范：通则》等有关标准要求，开展冀东铁矿矿山生态修复调查，重点对矿山要素进行信息提取，共提取了6种地物类型（图3），其中，开采面积886 ha、尾矿库814 ha、排土场1 781 ha、中转场地506 ha、矿山建筑180 ha、恢复治理区303 ha，共计4 470 ha，约占工作区总面积的32.13%，如图4所示。

2.3.2 矿山地质安全隐患

（1）崩塌。调查发现，冀东矿山露天采场内共有崩塌6处。其中，西峡口铁矿露天采场崩塌（图5）对周边道路以及工作人员人身安全威胁较大，通过削坡、喷锚、锚杆、锚索等治理方式进行修复（图6），基本消除原有地质安全隐患，并将其危害程度、影响范围降至最小。

（2）滑坡。调查发现，冀东矿山露天采场内共有滑坡5处。受地形地貌、地质构造、地质岩性、水文地质及人类活动综合因素影响，矿山露天采场内松散堆积物在强降雨的气候条件下极易引发滑坡、泥石流等地质灾害（图7）。同时，部分矿山企业未严格按照矿山开采设计与开发利用方案进行施工，矿山开采技术、生产设备陈旧，无法达到技术、生产设施的建设水平和质量要求，排土场、尾矿库乱堆、滥放，极易诱发矿山采场内次生地质灾害。

新增地质灾害点分布见图8。

3 结论与讨论

基于遥感技术的矿山生态修复调查，根据调查对象的光谱特征、几何特征、空间位置等，明确了不同调查方法适用地物类型及特征，实现了对河北省唐山市冀东铁矿露天采场关键要素信息提取，通过野外实地调查验证，详细统计了开采面、尾矿库、排土场、中转场地、矿山建筑、恢复治理区等不同地物类型的现状面积，系统查明了崩塌、滑坡等矿山地质安全隐患的基本情况，调查结果既可作为生产矿山“边开采、边治理”的工作依据，也可作为闭坑矿山生态修复的重要参考。

作为一项以“人机交互解译技术”“面向对象信息提取技术”“三维景观模拟技术”等方法手段为主体、以野外调查验证为辅助的工作协作方式，基于遥感技术的矿山生态修复调查，不仅兼顾了传统矿山地质环境调查的工作特性，而且吸纳了矿山环境遥感监测的技术优势；同时，依托遥感技术精度高、速度快的特点，在短时间内即可实现对矿山露天采场内独立地物与关键要素的精准识别、快速提取，辅之野外调查验证，进而完成对矿山地质安全隐患、土地损毁、生态退化等现状摸底。

根据《矿山生态修复技术规范第一部分：通则》（报批稿）与《矿山环境遥感监测监测规范》（报批稿）相关要求，以现存调查资料与已有工作成效为基础，充分发挥矿山生态修复调查成果前置作用，合理拓展矿山生态修复调查成果应用范围；利用高光谱遥感等高新技术手段，进一步明确矿山亟需破解的地质、生态问题，完善矿山生态修复调查监测方式，构建矿山生态修复信息监管平台；结合矿山生态修复核查结果，科学推进矿山生态修复工作，分区分类部署矿山生态修复项目，有序完成“十四五”历史遗留矿山生态修复目标任务。

致 谢感谢中化地质矿山总局地质研究院刘军省、山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地勘局第二地质大队）陈洪年、湖南省核工业地质局三〇三大队于辉胜、四川省煤田地质工程勘察设计研究院陈文军在写作过程中给予的技术指导。