基于国产高分遥感数据的矿山环境监测系统研究

2022-01-13张华平王增辉谢颂诗马丽新张贵丽汪洁马瑜宏郝兴中智云宝曾庆斌

山东国土资源 2021年12期

张华平，王增辉，谢颂诗，马丽新，张贵丽，汪洁，马瑜宏，郝兴中，智云宝，曾庆斌

(1．山东省地质调查院，山东济南 250014；2．中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

矿产资源是我国经济和社会发展的重要物质基础，未来中国经济将会持续稳定发展，对矿产品需求将保持一定增速，国内矿产品供应压力增大，矿产资源供需形势不容乐观[1]。党的十九大将生态文明建设提升到前所未有的新高度，其中，矿业开发秩序的维护、矿山环境的保护修复是推进生态文明和美丽中国建设的重要组成部分。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环境全流程的监测体系，开展矿产资源开发环境全要素全天候监测，一直是国家矿政管理的重要需求[2-3]。

利用遥感技术可以快速的、大范围、全面的获取地表信息。随着遥感技术全面快速的发展，卫星数据的分辨率越来越高，且获取同一区域数据的能力越来越强，以国产高分辨率卫星遥感数据为基础，建立矿产资源开发动态监测系统已经成为一个现实[4]。本文从遥感技术可以监测的矿产资源开发环境问题入手，阐述动态监测的系统结构，着重介绍该系统中几个重要的环节和一些常用的处理方法，通过该系统的建设可以实现矿产资源开发的主动式管理，推动矿山生态环境保护，促进矿业可持续发展。

1 监测主要内容

利用遥感技术，开展山东省矿产资源开发状况和矿山环境遥感地质解译、矿山环境问题地区环境监测，初步查明矿产资源开发状况及引起的矿山环境问题。

1．1 矿产资源的违规开采

结合实际工作发现实际违规开采的形式主要有无证开采、越界开采、超期开采和采矿与矿权证不一致4种类型[5]，以无证开采最为突出，主要表现在一些小规模的矿山上。例如，砂石料价格居高不下，导致采石、砂等违法较为突出，其特点是采矿进入门槛低，采矿点不固定。

1．2 矿产资源开发产生的生态环境问题

矿产资源开发本身可能产生一系列的生态环境问题。主要有以下几个方面：首先，露天矿产的开采会破坏地表，矿产品的堆放也会大量占地，地下开采可能会引起地面塌陷、水土流失等[6]；其次，矿山生产过程产生较多污水，未加处理直接排放，可能污染到矿区周边地表及浅层地下水[7]；最后，矿产开发矿渣、尾矿及生产过程中的污水存储及处理方式可能存在安全隐患，可能产生次生地质灾害，造成泥石流、滑坡和崩塌等。如2010紫金山铜矿湿法厂污水渗漏事故，污染周边的环境，给当地带来了重大的经济损失[8]。

1．3 矿产资源开发规划执行情况监测

主要包含2个部分，一个是矿产开发规划执行情况监测，即监测矿产开采情况和矿产开发规划内容是否一致；另一个是矿山生态环境情况。

总之，地表开展的、地下开采但是在地表有附属设施能反映地下开采情况的，均能通过卫星数据获取的相关信息进行监测。

2 矿产资源开发动态监测流程

矿产资源开发动态监测是一个系统的工程。是以初次利用遥感手段进行监测作为起点，建立一个矿产资源基础信息系统，其中包含矿权信息、矿产规划信息、矿山开发现状及环境信息等矿山相关信息，然后每隔一定周期，根据更新的高分辨率遥感影像进行矿山开发动态信息的提取并进行相关调查，最后形成一个动态的监测系统。

按照遥感动态监测的一般工作流程、结合矿产资源开发遥感监测的实际情况并参考了大量矿山资源遥感监测相关研究[9-14]，拟定了矿产资源开发动态监测的流程图(图1)，该流程有一定的代表性和可操作性，各个不同的工作区可能会因为具体不同的情况而做适当的调整。流程描述了一次完整的矿产资源开发遥感监测过程，实现动态监测还需要定期在该基础上更新影像、矿权等资料，重复该过程。

图1 矿产资源开发环境监测流程图

3 资料的收集及预处理

3．1 遥感数据空间分辨率与调查精度

遥感影像数据是整个监测工作基础，其质量的好坏以及空间分辨率的高低直接影响到监测的精度和效果。遥感影像数据空间分辨率越高越有利于监测工作，但其购置费用也高，常态的矿产资源开发动态监测需要在监测质量和监测成本之间找到一个合适的平衡点。因此，首先应该对工作区的矿产开发及分布现状进行初步的研究，根据矿产分布的密度、矿产的种类和开采的方式等综合因素确定整个调查区不同区域的遥感监测的调查精度。

遥感影像数据的空间分辨率与矿产资源监测精度存在着对应的关系，王晓红等[6]对高分辨率卫星数据的分辨率与遥感矿山开发状况及环境监测的调查比例尺的关系做了较为深入的研究(表1)，是现阶段矿产资源遥感监测的主流数据源与调查比例尺之间的对应关系。对于其他高分卫星获取的遥感数据在矿产遥感监测能达到的精度，亦可依据此表进行推断。

表1 最佳及最大成图比例尺[15-16]

3．2 非遥感数据预处理及用途

(1)矿权资料。目前矿权资料已经完成80坐标向2000坐标的转换，但仍然是三度带，需要将该坐标转换到遥感监测坐标系统下来，这需要根据实际调查区的范围来确定。山东省经度在115°～123°之间，跨2个六度带，最终的全省的监测系统应该统一到经纬度上。矿权资料的主要作用是，将矿权和遥感影像套和，来判断矿产开发的合法性。

(2)矿产规划及相关矿山环境综合治理资料。主要包括调查区最新的矿产规划资料、矿山环境综合治理资料、矿山地质背景资料等，资料可能因为提交时间和单位的不同坐标系统可能存在差异，需要统一到监测系统下。规划资料的作用组要在对比现状开发，检查矿产规划执行的情况，矿山环境综合治理资料主要作用在于矿山环境治理及恢复情况。

(3)地形图、DEM数据。一般区域1∶5万、重点区域1∶1万地形图(能收集到精度较高的带地理坐标的影像或航片更好)以及DEM数据。将地形图经扫描和几何纠正后形成栅格数据集(DRG)，主要用于采集地面控制点(GCP)与数字高程模型(DEM)数据配合对高分遥感数据进行几何精校正。

3．3 遥感数据的预处理

遥感数据的预处理主要包括遥感影像几何纠正、波段组合、数据融合、镶嵌以及增强等，处理技术目前已较为成型，不细叙述，注意一下几个技术要求。几何纠正中平原、丘陵地区中误差值不超过0.5mm，山区不超过0.75mm[17]；影像融合采用彩色合成(Pansharp)法和正交化变换(Gram-schmidt)法[18-19]；合理的拼接线也有助于影像镶嵌的效果，拟合中误差控制在1个像元左右[20]；可以根据工区的实际情况，利用反差和边缘增强、彩色增强等方法增强影像上的矿山地物信息。

4 信息提取及验证

矿产遥感监测的信息提取主要有以下几个步骤：建立解译标志、矿产图斑自动提取、结合相关资料判断图斑的属性、各种信息的输入及外业图件的输出以及图斑信息的外业验证。

4．1 矿山解译标志的建立

不同的矿种因其独特的属性以及开采、加工及尾矿处理等方式的差异，在影像上有其独特的影像特征(图2)。

图2 山东省主要矿山解译标志影像图

金矿：露天矿色调灰白色，多数可见竖井建筑，矿山建筑、运输车辆密等与矿规模相对应，少量硐采；周边一般有选矿厂、选矿池，有少量矿石堆。

饰面用花岗岩：露天开采，开采面色调为灰白色，开采面规则，有阶梯状，局部有阴影或积水，开采面周边有矿产品；矿区道路清晰，道路连接周边有加工场、料场及工棚等，一般多个采坑连续分布。

铁矿：露天采矿色调为灰黑色，颜色采坑部位深周边浅，呈与矿脉一致条带状分布，矿坑影像清晰，呈阶梯状，有大车路进入矿区，连接周边的选矿场、尾矿库等。亦有井采，地表建筑物简单，井一般不大，多为比较孤立的小院。

煤矿：山东境内全部为地下开采，矿井有一定高度，易识别，矿区有规则围墙和一些办公楼及相关设施，矿井与煤堆之间一般有运输轨道连接矿井；矿井附近一般有煤堆(色调为黑色)、煤矸石堆等，部分煤矿采区有连片塌陷。

塌陷：颜色较周边深，土地利用类型异于周边，影文模糊与周边影像有明显的过渡区；常伴积水或深坑，常分布在煤矿采矿区。

建筑石料用灰岩：露天开采，色调较浅，呈灰白色，形状不规则，比较集中，内部通达的道路亮度明显高于周边，道路连接开采面、加工场和石料堆。

4．2 影像的解译

自动解译：以建立的解译标志为基础，通过遥感软件自动解译，可以快速地找到矿区位置，提高工作效率，对于大范围的矿山开发动态监测是一种有效的工作手段。但是自动解译也存在一些问题，比如不能自动确定细的矿种，因为有些矿有着相似的影像特征；不能明确开发状态，可能会将一些废弃的圈出来；还可能将一些非矿山活动圈出，如建筑工地、农田整理等。

人工判读：在自动解译的基础上，根据图斑地物的综合影像特征，并结合相关资料如矿权资料、以往调查资料、历年遥感图像，对图斑的矿种、开发状态、矿山环境问题等进行判断，并形成解译成果。

4．3 信息的录入输出及外业图件的制作

通过GIS软件定义适当的属性结构，将信息输入其中。具体信息包括各种收集的资料(矿权资料、规划资料、以往的监测成果等等)、解译成果(矿山的开发状况、矿种、开发规模等)、收集的相关矿权、规划等资料综合分析，并形成“遥感影像-解译图斑-信息库”一体的矿山环境监测系统。通过系统输出解译图、表，备野外调查验证使用。

4．4 实地调查及信息的完善

实地调查目的是验证室内解译信息的正确性，确保解译成果正确。实地调查原则是对解译有疑问的图斑，做到100%实地调查；疑似违法图斑100%检查；其他解译图斑按照解译种类分类，各种类型按照不低于总量5%的图斑进行抽查。调查时对每个观察点均应按照解译图斑编号，并进行拍照，填写野外记录表。调查后应及时完善解译数据库。

5 动态监测系统建设与利用

5．1 GCPs及对应遥感图像库的建立

遥感图像的纠正是整个工作的基础，十分重要，工作量也较大。地面控制点的采集主要有3个途径：一是地形图；二是有地理坐标的遥感图像；三是明显地物实地测绘，以有地理坐标的遥感图像进行校正是最简单易行的。动态监测持续的过程，为了减轻后期处理数据重复的工作，同时减少影像局部相对形变，建立GCPs库、利用同一套控制系统来纠正多期影像，就显得十分的必要[20]。

GCPs库有以下几个特点：能够满足纠正精度要求；控制点明显，容易找到；控制点地物相对固定，且受外界干扰变化小；分布相对均匀、全面；个别控制点不能利用后及时补充。建立好GCPs库后只需要打开控制点文件更新实际值即可，理论坐标不需要重新采集，可以大大降低工作的强度，提高工作效率。

5．2 解译信息库向智能发展

监测系统后期的解译图斑继承前一期次解译成果的属性，变化部分继承相关图斑属性，及时对该实施人工判读完善新期次监测成果。

监测系统逐步实现大数据分析功能和预警功能。实现疑似违规矿山开发信息智能报告，对地质环境变化进行预警等。

5．3 综合分析

以县、市为单位，进行监测结果的分析。分析的主要内容包括矿产资源开发状况、矿产资源规划执行和矿山环境评价3个方面：一是矿产资源的开采是否合法，包括是否有证开采、是否越界等；二是矿产资源活动是否符合矿产资源规划，禁采区、生态保护红线内是否有矿业活动；三是矿山环境分析，矿山开采是否符合绿色矿山要求，是否造成塌陷、滑坡等灾害，尾矿库是否存在安全隐患等。

5．4 技术成果推广利用

一轮监测完成后在第一时间将整理好成果向主管部门汇报，监测成果包括监测的时间、地点、存在的问题及解决问题的建议4个要素。时间主要指过去违法违规发生的时间或潜在危害将要发生的时间，地点指的是具体坐标位置，存在的问题指市违法违规采矿、潜在地质危害等，建议是指研究如违规开采现象、矿山开发引起环境问题等发展的趋势和规律后提出相关整治建议。