基于多源数据的矿山遥感动态监测研究与应用

杜新红 李艳贵 田振东 秦少林

（1.辉县自然资源和规划局，河南 辉县 453600；2.辉县市春诚测绘有限公司，河南 辉县 453600）

1 引言

为深入贯彻习近平总书记生态文明思想，践行“两山”理论，严格落实河南省委、省政府关于坚决遏制新增矿山违法行为的工作要求，推动矿山综合整治和生态修复工作高效率、高标准、高质量开展，如何统筹解决矿山在建、在采和废弃矿山的开发与保护问题，提高全省矿山环境保护和治理水平，是当前亟须解决的重大课题[1,2]。科学、高效、精准支撑全省矿山环境保护和恢复治理，巩固露天矿山综合整治成果，亟须加快推进矿山监测基础设施建设，健全矿山动态监测工作机制，以矿山动态监测数据为支撑，建立矿山动态监测体系，形成覆盖全省的矿山动态监测网络，为矿政管理提供基础数据与技术支撑，对提升河南省自然资源治理体系和治理能力现代化建设有重要意义。

河南省是一个矿产资源大省，矿业经济在全省经济社会发展中具有重要地位，同时矿山地质环境的破坏，给矿区人民生产生活也造成了严重影响，成为制约当地经济和社会可持续发展的重要因素[3]。为进一步掌握全省矿山地质环境发展变化趋势，加快形成全省区域矿业发展新格局，重点研究解决矿业活动中突出生态环境问题，提高矿业开发与经济社会、资源环境发展的平衡性和协调性，开展矿山监测意义重大。遥感技术具有效率高、获取信息量大、适应性强、视野广阔、可用于动态监测等优点。传统监测方法已无法实时监测矿山地质环境，将遥感技术应用于矿山监测，特别是露天矿山监测，可提高矿山安全监测的实时性和有效性，确保矿山开采的安全与合法[4,5]。以位于安阳市安阳县都里镇、铜冶镇交界处的某铁矿为例，开展绿色矿山建设动态监测，通过多期卫星遥感影像、无人机航空摄影对该矿区进行动态监测，研究绿色矿山建设中该铁矿在资源利用、开采方式、生态修复等方面的特征和规律，动态监测矿山建设实施效果。

2 总体技术路线

矿山动态监测项目充分利用多源遥感数据，以监测起始时间节点的矿山区划资料、矿产资源及开发资料等核心数据库为本底数据 ；以季度为一个周期节点，搜集选取当期可覆盖全省的连续、稳定、高品质的遥感数据（如国产资源系列卫星影像资料），利用影像校正和影像间相对配准技术制作与上一期省域全覆盖正射影像数据达到像素级配准的当期正射影像成果；利用变化检测算法，计算机自动分析当期正射影像和上一期正射影像的差异性，提取变化信息，利用内业人机交互式监测方法，确定矿山开采变化发生的空间位置和范围，形成动态监测成果 ；建立矿山监测数据库，摸清矿山现状动态情况。技术路线如图1 所示。

图1 总体技术路线

3 项目应用

针对安阳市安阳县、林州市、龙安区以及殷都区矿山开采管理需求，初步设计矿山遥感动态监测技术方案。技术方案共分为四个部分：资料收集与分析、准备阶段、实施阶段、预期成果，如图2 所示。

图2 动态监测技术路线

（1）资料收集与分析：充分收集工作区最新矿业权数据、废弃矿山数据、土地利用现状、DEM 数据、三调数据、生态保护红线、自然保护地、城镇开发边界、永久性基本农田以及矿产资源开发等资料，对资料整合分析，并对不同来源的数据进行格式转换、统一坐标。

（2）准备阶段：对资料初步分析，对矿山开采监测区现场踏勘，全面准确掌握监测区情况，针对矿区资料和实地勘察情况，理清思路，设计方案，规划航飞路线，准备机器设备，组织人员进行专业培训。

（3）实施阶段：①对矿山监测区进行像控测量，确定航飞参数，规划航线，获取航飞数据，制作矿山开采实景三维模型，获取矿山的DOM 及DEM。②对矿区DEM 数据、开采现状DEM 及三维实景模型进行叠加分析，获取矿山超采信息，估算矿山开采量。③矿山开采实景三维模型叠加安阳市最新矿业权数据，建立矿山监测基底库，摸清监测范围内矿山开采现状。④以矿山监测基底库为数据基础，对覆盖矿区的新期遥感影像进行正射校正，建立矿山遥感影像解译标志，通过“基期-新期”遥感影像对比分析，提取越界开采变化图斑。⑤以越界变化图斑为数据基础，建立安阳市矿山开采季度监测库，通过对季度监测库的统计分析、季度叠加，建立安阳市矿山开采年度监测库。

（4）预期成果：通过对安阳市矿山开采动态监测项目的实施，得到的成果有影像数据、数据库（基底数据库、季度监测库以及年度监测库），为当地自然资源部门矿产资源管理提供数据支撑。

3.1 遥感图像处理

以2 米和0.8 米分辨率的卫星遥感影像为影像数据源，以全省已有的外业控制点、第三次全国国土调查DOM 成果、DEM 成果为基础控制资料，在CIPS 集群下进行区域网/单景平差、正射纠正、融合、波段重组降位镶嵌等处理，制作基期正射影像成果，在基期影像基础上对最新影像进行配准校正，生产新一期的正射影像，通过叠加对比，提取地表疑似变化信息。

3.2 建立矿山开采解译标志

参考河南省矿山开发占地野外识别标志，对应高分辨率遥感影像，从形态、色调、纹理等角度建立河南省露天矿山开发占地室内遥感解译标志。选取影像解译有代表性的矿山开采点、矿山地质环境地质灾害点为野外踏勘对象，选取露天采场、选矿厂、工业广场、排土场、废石渣堆、尾矿库、煤堆等7 种矿山类型进行解译标志特征分析。这些判读依据都是矿山开发留下的痕迹，根据影像资料和收集的矿权、水域、道路、居民点等资料选择合适的踏勘路线，通过发掘这些痕迹及其特征，并追踪痕迹变化，即可发现采矿活动。露天矿山解译标志特征统计分析情况如表1 所示。

表1 露天矿山解译标志特征分析

3.3 动态变化信息提取

根据解译标志逐个提取矿山越界开采信息。以每季度最新卫星遥感影像为数据源，在上季度卫星遥感影像基础上，采用人机交互方法，通过ERDAS 或ARCMAP 等遥感、地理信息系统软件叠加打开前后时相影像，通过闪烁、卷帘等方式，提取前后两期影像变化图斑，并以部、省、市、县级矿业权数据为依托，结合废弃矿山、自然保护地和生态保护红线、重大生态修复项目等矢量数据，筛选出每季度新增矿产违法图斑，将代码填入图斑属性表。安阳某矿区2021 年4个季度和2022 年一季度动态监测变化过程如图3 所示。

图3 某矿区季度监测变化过程

3.4 野外验证

野外调查验证可在重点区域进行无人机航拍或实地勘察，目的是让遥感解译人员对矿区环境和采矿作业现场有一定了解。此外，为保证矿区遥感解译成果的准确性、可靠性，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）、绿地覆盖等进行实地验证，建立遥感解译标志。基于无人机低空遥感技术快速获取矿区倾斜摄影实景三维模型，利用模型单体化和浏览软件，实现整体模型和单体模型的多视角浏览，并在模型上量测矿区位置、高度、长度、面积、角度、深度等信息，精细化了解矿山开采状况。经实地核实，解译标志为铝土矿排土场占地导致地貌发生变化，如图4 所示。无人机核查现场如图5 所示。

图4 铝土矿（排土场）

图5 无人机核查现场

4 结语

当前，高空间分辨率遥感在矿区遥感动态监测中应用效果显著，成为矿山开采状况及环境调查中不可缺少的基础数据。在监测过程中，需要对各种各样的遥感数据进行处理分析，找出合适的矿山地质环境遥感动态监测方法，有效保护矿山周围环境，实现矿山开采的可持续发展。