遙感技術在礦區環境調查中的應用

白 璐

（神華地質勘查有限責任公司 北京 102211）

隨著航空航天對地觀測技術、計算機技術和電磁波信息傳輸技術等的深入研究，遙感技術得到了迅猛的發展，在實用化方向上邁出了重要的一步，并被廣泛應用于各種國土資源調查與環境調查與研究中。本次研究選用分辨率為1.5m的神東礦區2014年SPOT6影像數據，采用人機交互與計算機自動信息提取相結合的方法，對礦區的生態環境、地質環境進行遙感解譯與反演，調查發現礦區主要的環境問題并作分析研究。

1 工作區概況

神東礦區位于晉、陜、蒙三省區接壤地區，地處黃土高原丘陵區和毛烏素沙地的過渡地帶,是黃河中上游風蝕沙化和水土流失最為嚴重的地區之一，生態環境十分脆弱。神東礦區總體規劃范圍的地理坐標是：北緯38°52′～39°41′，東經109°51′～110°46′，南北長38km～90km，東西寬35km～55km，面積約3522km2，保有地質儲量3492.03Mt。礦區總體地形呈西北高、東南低，海拔標高一般在1000m～1300m左右，平均海拔1200m左右。屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，其基本特征是冬季寒冷，春季多風、夏短暑熱、秋季涼爽、溫差懸殊；干旱少雨，降水集中，冬春干旱，夏多暴雨；大風頻繁，氣象災害較多。礦區內主要河流為烏蘭木倫河及窟野河，土壤主要有風沙土、栗鈣土等。

在建設初期，神東礦區風蝕區面積占70%，平均植被覆蓋率僅為3%～11%。1985年，礦區開采之初，就提出了“建設一流的能源企業，必須有一流的生態環境”的開發思想，之后又提出“3圈”的防治模式，即采取外圍防護圈、周邊常綠圈和中心美化圈三個空間層次進行綜合防治。30年來，神東礦區堅持資源開發與水土保持并重，不斷創新環保管理與生態修復技術，大力實施水土保持工程，累計投入治理資金13億元，建成了讓世人驚嘆的“綠洲煤都”。地區經濟隨著煤炭開發和煤化工產業建設飛速發展，目前在陜西省、內蒙古自治區均屬經濟發展較快的地區。

2 環境質量因子信息提取與調查驗證

根據礦區實際情況，確定能夠反映礦區環境質量因子的種類，充分利用遙感技術提取不同層面的專題數據，包括：土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕、土地復墾、土地沙漠化、地裂縫、地面塌陷、滑坡等直接影響環境質量的因子，從全空間區域了解這些基本要素的狀況，同時利用野外調查驗證、區域環境地質資料的收集，彌補地質環境信息的不足，利用DEM高程數據，分析地形地貌環境，為環境影響評估與預防治理對策提供依據。

2.1 遙感圖像處理

具體包括影像波段選擇、配準與融合、糾正、勻光與調色、鑲嵌拼接、礦區DOM裁切等。

2.1.1 影像合成

根據所要提取的地物光譜響應特征及SPOT6影像特征，進行對比試驗分析后發現使用SPOT6的3（紅波段）＋4（近紅外波段）＋1（藍波段）波段進行RGB合成，其紋理和色彩效果更有助于解譯。

2.1.2 影像幾何糾正

(1）糾正模型選擇。目前的正射糾正方法主要是利用遙感圖像處理軟件（如PCI、ERDAS等）的正射糾正功能模塊，采用嚴格物理模型或有理函數模型，結合糾正控制資料和DEM來進行正射糾正。根據不同的遙感影像的具體情況，采用不同的模型糾正方法。對于能夠提供衛星嚴格軌道模型的數據，采用嚴格物理模型，例如SPOT6、QB、WV；對于沒有提供衛星嚴格軌道模型數據的影像，采用多項式糾正方法。（2）控制點選取。為保障糾正精度，對控制點選取根據不同糾正模型：衛星提供的輔助數據可建立嚴密的物理模型，該模型只需9個控制點；對于有理多項式模型，一般每景要求不少于30個控制點，困難地區適當增加點位。（3）精度要求。按規范要求，平地、丘陵地配準控制點殘差不大于1個像素，山地、高山地配準控制點殘差不大于2個像素，全色與多光譜影像不同步或不同源時，限差放寬0.5倍。（4）采樣方式。影像的重采樣間隔為原始影像的像元大小，重采樣方法采用雙線性內插或三次卷積內插法，配準后的影像保留原始影像的波段數目及順序。

2.1.3 遙感數據融合

融合影像主要用于信息的提取，因此原始數據的處理不得產生光譜扭曲，以利于建立解譯標志，減少判讀的不確定因素。目前，遙感影像融合的方法有百余種，其中較為常用的融合方法主要包括以下幾種：IHS變換、主成分分析（PCA）、Brovey變換融合、基于小波理論特征的融合（Pansharp融合方法）等。

2.1.4 融合后影像勻光與調色

融合后影像亮度偏低、灰階較窄，采用線性拉伸、亮度對比度、色彩平衡、色度、飽和度和明暗度調整等方法進行色調調整。色調調整時保留了多光譜影像的光譜信息和全色影像的紋理細節，有利于變化信息分析。對整個工作區內各景融合影像進行了色調歸一調整，保證整個工作區的影像數據色調協調統一。

2.1.5 鑲嵌拼接

（1）鑲嵌線選取。鑲嵌線盡量選取線狀地物或地塊邊界等明顯分界線，使鑲嵌影像中的拼縫盡可能地消除，不同時相影像鑲嵌時保證同一地塊完整，有利于判讀。鑲嵌后影像避開了云、霧、雪及其他質量相對較差的區域，使鑲嵌處無裂縫、模糊、重影現象。（2）鑲嵌。對重疊精度滿足要求的相同采樣間隔糾正后影像進行鑲嵌。當相鄰兩景影像時相或質量相差不大時，保持影像紋理、色彩自然過渡；時相差距較大、地物特征差異明顯時，保持各自的紋理和色彩，但同一地塊內光譜特征保持一致。

2.1.6 礦區底圖裁切

按礦區范圍界線對鑲嵌后DOM進行裁切，范圍為礦區范圍界線外擴1km范圍，沿最小外接矩形裁切，形成礦區內不同采樣間隔分別鑲嵌后若干獨立的IMG文件。礦區范圍界線外擴1km至最小外接矩形之間的區域填充黑色（RGB值為：0，0，0或全色灰度值0）。

2.2 環境質量因子信息提取

2.2.1 土地利用

對區內土地覆蓋現狀、采礦活動用地等要素進行解譯，建立居民點、工礦建筑用地、林地、耕地、草地、沙地、裸地、河流水面、灘地等類型用地的解譯標志，確定其分布位置、范圍和面積。其中重點解譯由于采礦活動引起的采掘場、堆煤場、煤矸石、棄土棄渣等的堆積位置、堆積范圍和占壓面積。

2.2.2 植被覆蓋

區內植被類型比較單一，生長較差，各地覆蓋度差別較大，主要以沙生植被為主。在對區內典型植被建立解譯標志，包括有林地、灌木林、未成林造林地、疏林地、宜林荒地、農地、草地、無植被。首先將農田植被與其它植被分開，然后再對其它植被進行目視解譯。

植被覆蓋度是指植物群落總體或個體的地上部份的垂直投影面積與樣方面積的百分比。植被覆蓋度的測量可分為地面測量和遙感測算兩種方法。地面測量常用于田間尺度，遙感測算常用于區域尺度。以SPOT6數據為依據，采用歸一化植被指數（NDVI）模型，利用專業圖像處理軟件，對礦區植被覆蓋度進行遙感定量反演。參照“HJ/192-2006生態環境狀況評價技術規范（試行）”行業標準，將礦區植被覆蓋度依據百分比，劃分為高、中高、中、低、極低植被覆蓋度五個等級。

2.2.3 土壤侵蝕

以SPOT6圖像為信息源，解譯地形地貌、土地類型、植被覆蓋度，同時獲取本區的DEM數據，以坡度、非耕地植被覆蓋度和坡耕地三個因子作為評價指標，依托ArcGIS軟件的空間數據處理和分析功能，進行煤礦土壤侵蝕強度的定量評價。按水利部頒發的《土壤侵蝕分類分級標準》中的水力侵蝕和風力侵蝕強度分級指標，將本區土壤侵蝕劃分為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈五個等級。

2.2.4 土地復墾

區內礦方對部分采掘場、排矸場、排土場等完成土地復墾。在遙感影像上，經綠化復墾的排矸場、排土場在色調、影紋結構上與周圍地域有較為明顯的差異。土地復墾主要有兩種方式，包括種樹種草與檸條等灌木壓蓋。從影像解譯可以獲取工業場地、排土（矸）場土地復墾的方式、面積等信息。

2.2.5 土地沙漠化

以2014年1:1萬SPOT6圖像為主要信息源，以2008年ALOS圖像，和2012年航片作為輔助信息，以流沙覆蓋率和植被覆蓋度為直接解譯標志，以水系和影紋特征作為間接解譯標志，對土地沙漠化進行遙感解譯。

2.2.6 地裂縫

以SPOT6圖像為信息源，可以發現區內較大的地裂縫，確定其位置、范圍與走向。對于區內較小裂縫，通過影像不能識別，需要野外調查補充測量。

2.2.7 地面塌陷

區內地面塌陷往往與地裂縫相伴而生。以SPOT6圖像為信息源，可以發現區內較大的漏斗型塌陷坑，它是井下發生突水潰沙或井下煤層自燃后在地面形成的凹形坑。地面漏斗在SPOT6遙感影像上顯示為較圓的負地形，多數情況下為成群體分布。對于區內由于采礦引起的地面沉降等大面積地面變形，通過影像無法識別，需要現場補充測量。

2.2.8 滑坡

礦區屬于黃土高原丘陵地貌，區內滑坡較為發育。通過對SPOT6影像的解譯，可以發現區內大中型滑坡，可以確定其位置、范圍，估算出滑坡體體積。對于小型滑坡，SPOT6影像無法識別，需要現場調查測量。

2.3 野外調查驗證

為保證室內遙感解譯成果的可靠性和準確性，對于室內遙感解譯工作中無法解決的或存在疑問的問題，需要有重點地安排野外實地調查驗證工作。外業觀測點和觀測路線的布置視室內遙感解譯情況來確定。

野外驗證工作中，使用1:50000地形圖和遙感影像作為工作手圖，利用GPS定位技術進行，采取點、線、面相結合，一般性觀察與重點剖析相結合，專題調查與走訪相結合的方式方法，爭取吸收礦區相關技術人員參與調查工作。

對每一觀測點要認真詳實填寫外業觀測記錄表格，對實地情況做出詳細描述，并配以現場照相記錄，建立完整的外業觀測數據檔案。

同時對遙感影像解譯當中需要采集的有關參數進行實地補充測量。

2.3.1 驗證內容

外業調查的主要內容包括補充收集各類短缺資料、修正圖面上有關界線和注記、核實內業提取信息和補充可能遺漏信息等，具體內容如下：（1）核實室內解譯圖斑屬性與實際的一致性；（2）驗證室內解譯不確定其屬性的圖斑；（3）觀測重要地質災害現象的具體數據；（4）核查前人資料的現實性；（5）其他地質環境相關資料。

2.3.2 驗證方法

（1）補充收集前期可能遺漏的有關資料；（2）外業實地觀測；（3）詢問。對于個別由于交通不便等原因而無法觀測的解譯圖斑，通過與煤礦相關技術人員采取面對面交流和咨詢等方式進行核實，這一過程非常重要。

2.3.3 驗證精度

野外實地調查圖斑量不小于解譯圖斑總量的5%；有疑問的圖斑應100%進行檢查。野外檢查驗證工作完成后在室內及時做好野外數據資料的整理工作，按照要求填寫野外調查表，內容規范齊全，圖表內容一致。

2.4 室內解譯成果修正及統計分析

為進一步保證提交成果的精度和準確度，野外檢查驗證后，需要結合野外資料和影像特征修正解譯成果，把解譯有誤的圖斑一一改正。在此基礎上進一步完成遙感調查統計分析，編制1:10000比例尺的土地利用現狀圖，植被覆蓋分布圖，環境地質現狀圖，土地沙漠化及土壤侵蝕等專題圖件。

3 礦區環境治理綜合研究

根據本次遙感調查成果，結合野外調查資料，按照《全國礦山地質環境調查技術要求實施細則》與《礦山地質環境保護與恢復治理方案編制規范》的技術要求，對神東礦區進行環境影響程度現狀的評估，結合礦區開采現狀，對現存和潛在的礦區環境主要影響因素進行相應的影響程度評估。根據《礦山地質環境保護與治理恢復方案編制規范》中的細則，神東礦區為大型建設規模、地質條件復雜的評估重要區，確定神東礦區的環境影響評估為一級評估。在評估基礎上對礦區環境現狀進行綜合分區，將工作區劃分為環境影響嚴重區、較嚴重區、較輕區，針對不同程度的影響區域提出相應的預防措施和綜合治理工作建議。

4 數據庫建設

從資料的有效保存和可持續利用為目的，建立神東礦區調查及綜合治理數據庫；將調查研究所取得的各類數據、信息、圖表等入庫。數據格式與圖例參照有關規范執行。

5 結語

基于遙感技術宏觀性強、時效性好、信息量豐富、全天候，投入少、收益大、節約成本等特點，并且遙感影像能夠客觀、快速、準確反映情況，提供良好的時效性的特點，遙感技術應用到礦區環境地質調查和研究具有得天獨厚的優勢。本次調查工作技術方法具有一定的開創性，值得在神華礦區范圍內推廣。

利用法國SPOT6衛星影像數據進行礦區環境地質問題調查，1.5m的地面分辨率完全滿足礦區生態環境、土地利用現狀、礦區剝挖情況以及土地壓占與破壞等方面的調查與監測，而在礦區地質災害的調查和監測工作中，應該選擇分辨率優于1m的高精度的遙感衛星數據。

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