乌海及周边地区矿山地质环境空天地一体化监测技术方法研究

张勇　杨春　鲍思宇　贾旭　石伟嘉　赵玉宏

［关键词］乌海及周边地区；矿山地质环境；空天地一体化监测

乌海及周边地区地处黄河上游，是“蒙宁陕甘”经济区的接合部和沿黄经济带的重要增长极，是国家“新丝绸之路经济带”和呼包银榆经济区重要节点。区内煤炭、石灰石、粘土等多种矿产资源富集，是国家重要的煤焦化、氯碱化工基地，密集分布了多个工业园区。区内资源禀赋相近，集群式的企业分布，脆弱的生态环境和干旱少雨风沙大的气候条件，致使区域性结构性污染突出、交叉污染严重、排放叠加效应明显，一直备受关注。习近平总书记强调：要着力抓好乌海及周边地区生态环境综合治理的重要指示，既着眼于黄河流域生态保护和高质量发展，又考虑了内蒙古在国家的生态定位，把乌海及周边地区生态环境综合治理上升到了前所未有的高度。为全面掌握矿山地质环境现状和变化，迫切需要从“空”“天”“地”三个层次开展一体化监测技术方法研究工作。

1. 研究区概况

乌海及周边地区位于贺兰山山脉的北端，黄河流域内蒙古段入口处，地处库布齐沙漠和乌兰布和沙漠的交汇处。行政区划分属乌海市、鄂尔多斯市、阿拉善盟，其中乌海市是主体区域。地区属于典型的温带大陆性气候，干旱少雨，植被稀疏。

乌海及周边地区煤炭、石灰岩、耐火粘土、高岭土矿产资源丰富，集中分布在乌海市与鄂尔多斯市鄂托克旗交界处，总体呈南北向狭长地带展布。煤炭主要分布在海勃湾区、海南区东部和鄂托克旗棋盘井地区，其中炼焦用煤保有资源储量占自治区的37%，是全国重要的焦煤主产区。石灰岩主要分布在乌海市西水平台和呼珠不沁希勒地区以及鄂托克旗和乌海市交界的地区，石灰岩储量较大、质量好，是全区重要产区之一。截至2020年底，乌海及周边地区在期矿山共计242家，集中在乌海市和鄂尔多斯市的鄂托克旗，矿山开采规模以小型矿山居多（占比77.69%）；开采方式以露天矿山居多（占比82.23%）；矿种以非金属矿山居多（占比57.02%），煤矿次之（占比37.60%），金属矿较少。

煤矿集中区内矿山密度分布，相邻矿界犬牙交错，生产布局混乱；露天采坑与灭火工程和采空区治理剥挖坑密集交织分布，采坑不能及时实现内排，造成大量土石方外排压占土地资源；排土场高陡散乱，存在滑坡、崩塌等地质隐患；相邻排土场治理模式不一致，整体治理效果不明显。石灰岩集中区内矿山数量多、规模小，生产布局零乱，矿区环境较差，地形地貌景观破坏严重。

2. 空天地一体化监测技术方法

“空天地一体化”是指基于航天、航空遥感以及地面实时视频等观测数据，利用非现场监管方式，应用遥感分析、信息提取、识别监测等技术手段发现目标，达到及时、全面了解目标特征的一种综合监测方式[1]。

目前，空、天、地获取数据的方式有很多，但每种手段都有优缺点，如何在矿山监测方面有机高效地集成和利用数据成为一个热点问题，国内外的很多学者对此做了诸多研究。加拿大研究人员通过地面激光和数字摄影技术获取阿尔卑斯山露天矿山的高分辨数据，并基于有限差分法模拟评价矿山环境。北京矿山管理部门采用空天地一体化的RTK技术、无人机遥感技术和卫星遥感技术，建立了空天地一体化矿山环境动态监测体系，形成了矿山开采动态监测的相关理论与研究方法，实现了矿山地质灾害隐患点三维监测与地质灾害演化分析、预防研究。辽宁北票采煤沉陷区采用卫星导航、合成孔径雷达、无人机摄影测量和地表钻孔取样的技术，实现了地表变形多源一体化监测[2]。在江西德兴铜矿采用基于物联网技术和卫星遥感为核心的技术体系监测矿山生态扰动情况，提供了矿区土地利用、植被覆盖、土地复垦、水土保持等多类数据和多维监控。

3. 监测技术方法的适用性

空天地一体化监测技术方法在获取本底数据和动态变化数据方面具有较大优势，尤其是监测目标相对集中的区域。在乌海市与鄂尔多斯鄂托克旗交接处，桌子山和甘德尔山之间南北长约45km、东西平均宽约5km的范围内密集分布着一百多家矿山企业，矿山地质环境问题极其复杂，传统单一监测方法远远不能满足矿山地质环境监督管理需求。针对乌海及周边地区存在的主要地质环境问题，对现有各类技术方法的适用性进行比选和评价，选择最适合的监测技术方法组合。

利用高分辨率卫星遥感的高质量成像和大区域监测、无人机遥感的高灵活性和立体性以及地面监控的实时性和高精度的特点，构建“空天地一体化”的矿山生态修复治理智能化监测监管体系，有效监测和管控矿山地质环境变化情况，掌握矿区开采、地质环境恢复治理等重点工程进度，为解决区域地质灾害隐患，重塑地形地貌景观，形成“协调统一，整齐有序”的矿区新面貌提供数据支撑，为表征区域矿山地质环境治理成效和绿色矿山建设水平提供技术参考。

4 . 关键技术

针对监测区域的特点和监测作用，在乌海及周边地区有差异地开展矿山地质环境空天地一体化监测研究，监测关键技术包括高频度卫星监测、三维实景监测、在线视频监测技术和大数据集成分析。

4.1 航天卫星遥感大区域监测。

在3月、6月、9月、12月开展全部矿山的高频次、高分辨率卫星遥感监测，大尺度范围内精确提取矿区现状及矿山变化，对土地利用变化进行动态分析，建立多时相、长序列的礦山地质环境土地利用数据库。

采用分辨率优于1m的国产高分遥感数据，在完成数据正射校正、数据融合、匀色镶嵌、数据裁切处理后开展矿区地质环境遥感智能分类。通过对高分辨率遥感影像的自适应融合分析和特征分析，开展多层次特征构建技术和深度学习算法模型研究，实现矿区内采坑、排土（矸）场、工业广场等矿山地物，以及耕地、林地、草地、水体等主要地表覆盖类型的智能化分类。通过前后两期影像对比分析，发现矿区新增、矿区扩张、矿坑加深、排土场复垦等变化情况，结合矿权数据分析采矿合法性，及时发现违规越界采矿行为。

4.2 航空无人机矿区实景三维监测。

在骆驼山滴沥帮矿区、摩尔沟、卡布其、西来峰白云乌素、公乌素、五虎山、黑龙贵、呼珠不沁希勒等煤炭、石灰岩矿区利用倾斜摄影测量技术获取分辨率优于0.2m为主体的矿区三维模型和三维实景，实现坡度、高程、高差等地形地貌信息的有效监测，监测间隔为半年，监测时间主要为3～4月、9～10月。上述区域均是矿区面积小、分布密集、形状不对则，碎片化严重的区域，尤其“三权不变”政策造成乌海和鄂尔多斯矿山交织、协调管理难度大的矿山。

采用无人机平台对集中连片治理区内存在地质灾害隐患以及矿山生态修复进度监测需求的区域进行数据采集[3]。利用矿山实景三维倾斜立体数据模型，提取重点采场和排土场的立体地形数据，从三维立体角度更直观地展示排土场、采坑犬牙交错和排弃标高不统一的现象；提取采坑和排土场的坡度、顶底高差、矿坑面积、体积、表面积以及采场开采方量和排土场相对高差等几何信息，真实还原矿山地形地貌情况，掌握矿山开采和治理的进度。

4.3 地面物联网实时智能监测。

在露天煤矿破坏严重区、地质灾害易发区和生态修复重点区采用地面视频监控设备实现全天候矿山实时监测，实时展现矿山开采情况进度；利用GNSS位移计监测矿山高陡边坡稳定性，预测矿山发生地质灾害问题。

采用地面实时视频智能监测技术，基于移动侦测技术和地物自动识别技术自动识别抓拍运矿车辆和采坑开采情况，紧盯鄂尔多斯西自然保护区外、黄河流域10km范围内的矿山开采和矸石自燃火点情况，实现矿区远距离控制和管理。在位于矿山生活区、工业园区、铁路、公路附近的高风险排土场、采坑边帮重点布设GNSS位移监测站，实时接收位置信息，当实际值达到阈值后发送预警信息。利用长序列历史观测数据分析采坑、排土场边坡稳定性，为制定安全措施、评价边坡状态提供基础數据。

4.4 大数据集成分析。

在自然资源、能源、生态环境等管理部门建立和部署空天地一体化监测平台，实现安全开采、生态修复、预警处置、污染防治等实时、可视调度和共享管理。在集成多源、多类的矿山地质环境现状监测和变化监测成果数据、三维模型与实景视频影像数据的基础上，建立以多源数据集成为驱动的矿山生产情况异常、生态治理滞后等问题的主动发现机制，有助于实现重点治理问题的事前、事中、事后的全过程监控[4]。

依托大数据、物联网、云计算、地理信息等新兴技术，基于时空演化模型，集成卫星遥感监测、实景三维模型和地面实时智能监控的空天地一体化的矿山监测平台，通过构建“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”的闭环体系，为实现矿山生态恢复治理监管信息化、智能化、自动化和数字化提供支持[5]。

5. 结语

建立卫星、无人机和地面相结合的“空天地一体化”监测系统，采用航空卫星拍摄和记录矿山地质环境现状，作为矿山地质环境“底片”；无人机倾斜摄影测量技术则通过分辨率超过20cm的各种相机，在重点监控区域对卫星发现的变化进行核实和确认；最后通过地面实地监控完成对“应治未治”“越界开采”等违法、违规行为的取证[6]。空天地一体化监测技术方法可以建立多样的观测网，具有更高效、更高频、连续性更强、全方位监测的优势，有效了解决实地测量困难、数据真实性等问题，是乌海及周边地区矿山地质环境监测和管理工作的新方法和新方向，在未来的实际应用中将发挥更重要作用。