基于3S技術(shù)的礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測

聶俊兵 謝迎春

【摘 要】我國是礦業(yè)大國，近年來礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴(yán)重。本文論述了利用3S技術(shù)進(jìn)行礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的目的、內(nèi)容和技術(shù)方法。通過融合、校正、圖像處理，得到高清晰度正射遙感圖像；建立遙感解譯標(biāo)志，通過人機(jī)交互解譯進(jìn)行信息提取；運(yùn)用GIS軟件建立空間數(shù)據(jù)庫，對礦山環(huán)境圖斑及其變化信息分層矢量化提取，結(jié)合野外調(diào)查對礦山環(huán)境圖元進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，為各級國土資源管理部門提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的信息，有效地提高了礦山環(huán)境監(jiān)管效果。

【關(guān)鍵詞】礦山環(huán)境；遙感；GIS；GPS；動態(tài)監(jiān)測

0 引言

作為世界上重要的礦產(chǎn)資源大國和礦業(yè)大國，目前我國的礦產(chǎn)開發(fā)總體規(guī)模已躍居世界第三位[1]。由于長期以來，我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用較粗放，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，礦山環(huán)境問題日益突出。以往主要采用逐級統(tǒng)計(jì)上報(bào)、群眾舉報(bào)和定期巡查的模式進(jìn)行管理，對礦山環(huán)境現(xiàn)狀缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控，所采集數(shù)據(jù)的全面性和實(shí)時(shí)性受到制約。礦山環(huán)境的常規(guī)調(diào)查手段以野外調(diào)查分析為主，雖然調(diào)查精度較高，但工作成本高，周期長，覆蓋面較小[2]。

利用遙感技術(shù)（RS）、地理信息技術(shù)（GIS）和GPS技術(shù)，采用多平臺的較高空間分辨率和時(shí)間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合礦山地物目標(biāo)影像特征，能夠?yàn)榈V山環(huán)境狀況提供客觀、實(shí)時(shí)的三維空間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有速度快、成本低、監(jiān)測范圍廣、可反映礦山環(huán)境動態(tài)變化特征等優(yōu)勢[3]。

1 調(diào)查與監(jiān)測內(nèi)容

礦業(yè)活動主要分為礦石采掘、選礦及冶煉三部分。礦業(yè)活動產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題和破壞的種類很多，利用3S技術(shù)進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測的內(nèi)容主要有以下幾類。

1.1 礦業(yè)活動占地狀況

礦產(chǎn)資源開發(fā)要占用和破壞大量土地，露天開采會剝離地表土層和巖層，進(jìn)而破壞地表植被。采礦排出的廢石、廢渣等固體廢棄物的堆放占用大量土地。針對礦業(yè)活動占地狀況主要調(diào)查和監(jiān)測不同礦種和不同開采狀態(tài)的礦山采場，中轉(zhuǎn)場地（堆煤場、堆礦場、洗煤廠、選礦場、選礦池等）、固體廢棄物（排土場、廢石堆、尾礦庫、煤矸石堆等）、礦山建筑等礦業(yè)活動占地范圍、面積及土地利用類型。

1.2 礦區(qū)環(huán)境污染狀況

廢水、尾礦壩和固體廢棄物是礦區(qū)的主要污染物。礦山附近地表水體常被作為廢水、廢渣的排放場所，水質(zhì)受到污染。環(huán)境污染狀況的主要調(diào)查與監(jiān)測內(nèi)容包括水體污染、粉塵污染、煤自燃、煤矸石自燃等境污染情況。

1.3 礦區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理狀況

礦山環(huán)境治理工程主要治理對象為：地面塌陷、尾礦庫、排土場、廢石堆、煤矸石、廢棄采掘場、危房搬遷、土地復(fù)墾、綠化工程、礦山公園等。主要調(diào)查與監(jiān)測內(nèi)容為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理恢復(fù)工程的范圍、類型（工程治理和生態(tài)恢復(fù)）等情況。

1.4 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及隱患

諸多礦山環(huán)境問題發(fā)展到一定程度，便產(chǎn)生礦山地質(zhì)災(zāi)害，構(gòu)成不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)境效應(yīng)并且伴有人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。利用3S技術(shù)主要調(diào)查與監(jiān)測礦業(yè)活動引發(fā)的滑坡、地面塌陷、地裂縫、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的種類、分布、規(guī)模、危害對象等。

2 調(diào)查與監(jiān)測方法

2.1 數(shù)據(jù)源

精確識別和提取礦山環(huán)境信息，需要能夠反映礦業(yè)活動地物要素空間關(guān)系和紋理等微小信息的高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)、高精度DEM數(shù)據(jù)、地形圖、采礦權(quán)、探礦權(quán)、礦產(chǎn)資源規(guī)劃數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地質(zhì)和地理數(shù)據(jù)。

2.2 技術(shù)方法

2.2.1 遙感影像處理

利用遙感圖像處理軟件，按照一定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行圖像正射校正、影像融合、幾何配準(zhǔn)、圖像變換、圖像鑲嵌、圖像增強(qiáng)等信息處理，為專業(yè)人員提供1：10000-1：50000的高質(zhì)量遙感影像數(shù)據(jù)。

2.2.2 建立遙感信息解譯標(biāo)志

1）開采點(diǎn)

采硐口在遙感影像上不易識別，硐口周圍附近有礦石堆積，在礦石堆與硐口之間有一軌道相連接（礦石堆中深色線性紋理的部分），在軌道的末端一般為硐口的位置。

2）露天開采面

在高分辨率影像中，露天采場的紋理、色調(diào)與周邊地區(qū)差異顯著，由于不斷開挖，一般低于周圍地形，開采坑邊坡顯示階梯弧形、環(huán)形紋理。活動的開采面顏色比較新鮮，附近道路也相對清晰，在高分辨率影像上可見機(jī)械；關(guān)停的采面則泛灰、黑色，附近道路不明顯，有的周圍泛綠長草。

3）固體廢棄物

尾礦庫、排土場、煤矸石堆等一般在礦山附近就近堆放。尾礦庫形狀一般不規(guī)則，建有攔截大壩和選礦廠，有道路與外界相通，尾礦庫水體色彩比自然水體亮，分帶特征明顯；正在開采礦山的排土場，由于多次排放，顯示出比較明顯的螺旋形狀和扇形紋理特征；煤矸石堆在影像上呈錐形，黑、黑灰色；廢石堆在影像上大多就地堆放，色彩比矸石淺。

4）地質(zhì)災(zāi)害及隱患

與礦山開采有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害主要包括地面塌陷、地面沉降、地裂縫、崩塌、滑坡、河道堵塞等。地面沉降、地面塌陷通常表現(xiàn)出比周圍地形低的負(fù)地形；地裂縫一般長幾米到幾百米，呈不規(guī)則條帶狀錯(cuò)落分布；崩塌災(zāi)害通常發(fā)生在開采面周圍，附近經(jīng)常有廢石堆或礦石堆；滑坡在影像上一般呈舌形、梨形，通常具有陡峭的滑坡壁；河道堵塞通常發(fā)生在古河道中，由礦山開采排放的廢石堆或尾礦堆積形成，一般影像上呈現(xiàn)河道雜亂，有廢石堆放。

5）礦山環(huán)境污染信息

大氣污染在影像使得圖像有霧霾的特征，較容易識別提取。水體污染主要是由選礦時(shí)的廢水不經(jīng)過處理就直接排放到河流中形成的，在影像上較明顯，水體顏色發(fā)暗黑，周圍植被顏色也會發(fā)生改變。煤田（煤矸石）自燃在遙感影像上較易識別，從燃燒點(diǎn)向周邊有煙形成，在影像上表現(xiàn)為高亮度，并且距離自燃點(diǎn)越遠(yuǎn)，煙濃度越低。

6）礦山環(huán)境恢復(fù)治理

主要是針對礦山開采引起的環(huán)境污染所作的治理恢復(fù)活動，包括采坑回填，排土場綠化等，影像上主要顯示為排土場或采坑有排列規(guī)則的植被覆蓋或者是規(guī)范的固坡工程，與周圍景觀明顯不同

2.2.3 信息提取

信息提取主要采用人機(jī)交互解譯的方法，在ARCGIS平臺上，基于礦山相關(guān)信息遙感影像特征，并充分利用遙感信息處理軟件監(jiān)督分類、分監(jiān)督分類的結(jié)果，結(jié)合收集的相關(guān)地形圖及DEM數(shù)據(jù)、采礦權(quán)、探礦權(quán)、礦產(chǎn)資源規(guī)劃數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)、地理資料等，進(jìn)行信息提取。信息提取后以矢量SHAPE格式存儲，并對所提取的信息賦予相應(yīng)屬性。

2.2.4 野外驗(yàn)證

采取點(diǎn)、線、面相結(jié)合的方法進(jìn)行解譯信息的野外驗(yàn)證，對于解譯效果較好的地段以點(diǎn)驗(yàn)證為主；對于解譯效果中等的地段應(yīng)布置一定代表性路線跟蹤驗(yàn)證；對于解譯效果較差的地段，則以面驗(yàn)證為主。

2.2.5 礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)

在考慮多要素綜合和不同要素自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用專家打分與層次分析法（AHP）相結(jié)合的方式，確定評價(jià)單元，建立評價(jià)指標(biāo)體系，確立各指標(biāo)的權(quán)重以及評價(jià)工作采用的數(shù)據(jù)模型，以科學(xué)、簡明的方式對礦山環(huán)境和礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全面的綜合評價(jià)。

3 結(jié)語

3S技術(shù)是礦山開發(fā)動態(tài)監(jiān)測管理的一項(xiàng)重要手段，將遙感數(shù)據(jù)與采礦權(quán)、探礦權(quán)、礦產(chǎn)規(guī)劃等非遙感數(shù)據(jù)相接合，能全面、準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測礦山環(huán)境，確定地質(zhì)災(zāi)害的隱患點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)的動態(tài)巡視礦山的調(diào)查模式，可對長效動態(tài)的礦山環(huán)境監(jiān)測機(jī)制提供有力的技術(shù)支撐。

【參考文獻(xiàn)】

[1]武強(qiáng)，劉伏昌，李鐸.礦山環(huán)境研究理論與實(shí)踐[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[2]聶洪峰，楊金中，王曉紅，等.礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測技術(shù)問題與對策研究[J].國土資源遙感，2007（4）：11-13.

[3]陳偉濤，張志，王焰新.礦山開發(fā)及礦山環(huán)境遙感探測研究進(jìn)展[J].國土資源遙感，2009（2）：1-8.

[責(zé)任編輯：周娜]