國產GF衛星數據在礦山環境調查中應用潛力分析

李 建

（1.重慶工程職業技術學院地質與測繪工程學院，重慶 402260）

開展礦山地質環境調查工作具有重要的現實意義，其成果可為合理開發利用礦山礦產資源、保護礦山地質環境、礦山生態環境恢復治理、實施礦山地質環境監督管理提供基礎資料和地質依據[1,2]。由于礦山開采活動會產生一系列礦山地質環境問題，因此將國產高分衛星數據應用于地質環境調查具有重要的的意義。

本文以廣東某硫鐵礦山為例，分析國產高分數據在礦山地質環境調查中的應用潛力，這對在拓展國產系列高分衛星數據應用領域，促進國產衛星數據在礦山地質環境調查中的規模化與產業化應用提供了新思路[2,3]，為后續構建“天上看、地上查、網上管”的礦山環境監管體系，實現以圖管礦的礦山環境立體監管系統提供了強大的數據決策支持。

1 研究區概況與數據源

研究區位于廣東省西北，是國內也是亞洲最大的硫鐵礦床，屬正在開采的露天礦山。礦區位于粵桂隆起帶與桂湘贛粵褶皺帶毗鄰處，屬于大紺山背斜北東傾伏部位，區內褶皺及斷裂復雜，褶皺軸及斷層皆向北東突出，向北撒開向南收斂，呈帚狀弧形展布。區內礦山已經開采多年，持久的開采活動勢必會對當地居民的生活環境及礦區環境帶來諸多不利影響，礦山地質環境問題突出。

礦區地勢為西高東低、北高南低，由西北向東南傾斜，平均海拔高度325～350 m。區內氣候特點表現為：氣溫高與降雨多幾乎同時存在，暴雨及臺風也經常出現，高溫與降雨對礦區環境影響至為重要。結合礦山地質環境調查實際需求，本文選取2015-11-28的高分一號衛星數據，影像時相較新，云雪面積小于5%，植被覆蓋率低于40%，影像多光譜波段數據分辨率為8 m，融合全色波段后空間分辨率高達2 m。

2 影像質量評價與數據預處理

本文結合礦山地質環境調查應用的具體需求，主要采用目視判讀和定量評價相結合的方法對影像數據信息量、清晰度與波段相關系數進行分析[4]。影像信息量越大則清晰度越高，地質環境信息也越豐富。分析圖像各波段之間的相關系數對后續影像波段的選擇和數據冗余的消除具有重要作用。由表1可知，本文選取的影像B4波段較之其余3個波段的相關系數較小[4]，故本節選取432波段假彩色合成影像開展礦山地質環境要素信息提取。數據預處理包括大氣校正、輻射校正、正射糾正、圖像融合、圖像鑲嵌、影像配準及影像裁剪等步驟。

表1 高分一號衛星影像各波段間相關系數對比

3 礦山地質環境應用潛力分析

3.1 礦山地質環境信息提取

快速準確地進行礦產資源開發狀況、礦山環境遙感信息提取，前提和關鍵均是解譯標志的建立[2,5]。礦山環境遙感調查提取信息包括礦山開發利用現狀調查和礦山環境調查，主要是查明礦山開發區的采礦場、礦山建筑、中轉場地和固體廢棄物堆場等分布和占地情況[6]。鑒于此，本次對礦山的采礦場、固體廢棄物堆場、尾礦庫、開采面等礦山較易識別地物建立了解譯標志。

本次遙感地質解譯環境要素信息涉及露天采礦場、礦山固體廢棄物堆場、泥石流堆積扇、較大規模的崩塌、滑坡、地面塌陷，地貌景觀、植被破壞等的位置、危及城鎮、重要建筑物、礦山設施、交通等較大的地質災害及其隱患等[7-9]。野外實地檢查與驗證主要目的是對工作區遙感地質解譯初步成果、遙感地物信息提取成果進行野外檢查和修正，驗證圖中地質體及地物體的屬性判定的正確與否，地質及地物界線定位的準確程度。通過對解譯標志的進一步完善，修正和完善遙感解譯提取成果。完成室內初步解譯后，進行野外實地核查驗證，對有疑問的圖斑100%進行驗證和詳解記錄。

3.2 礦山環境調查結果分析及影響分析

調查發現區內礦山環境主要的占地類型為采礦及生產加工活動產生的大量廢渣、廢土、石等占據了農用地和耕地現象，并存在尾礦庫占用農業用地的現象，各種不同占地方式如圖1所示。本次共解譯與礦山環境相關的尾礦庫、廢石渣、地面塌陷、采場、選礦廠、裸地、礦山相關設施、湖泊及水系與居民地等多種類別的有用圖斑217處，各類別圖斑數量、面積及占比信息如圖2所示。結果表明，礦區主要占地類別為礦山采場、礦山相關設施及生產加工活動產生的大量廢渣、廢土、石等占據了農用地和耕地造成的地表裸露。礦山露天開采對周圍的土地、水文、植被等會造成諸多不利的影響，包括地形地貌破壞、水土流失和生態環境惡化（見圖3），此外開挖出的土石方等大量剝離物存放壓占土地。

圖1 礦山地質環境遙感信息提取結果圖

圖2 調查區信息提取統計

圖3 露天開采形成高陡裸露基巖邊坡

研究區礦山環境以尾礦庫、廢石渣等為代表的固體廢棄物為主，次為中轉場地和礦山建筑用地；水土流失區主要位于礦山活動較為集中的地區及交通用地附近；礦區主要的土地破壞類型為裸地，即為露天開采對地表覆蓋物的剝離，占礦區約41%；區內滑坡和泥石流等地質災害破壞的面積占比較少，但存在崩塌和地裂縫情況；礦區存在地面塌陷災害，其影響面積在礦區占比較大，并對周邊地區農業生產造成一定的影響。

常用的礦山環境影響分區方法有多種，不同的方法各有優劣，適用領域也各不相同。本文選用層次分析法，選取構造復雜程度、地形坡度、工程地質條件、礦山建筑密度、中轉場密度及采礦場密度等6個影響礦山環境的因素作為評價因子，建立數據評價模型，通過加權運算，獲取各因子權重，最后進行數學運算，求得研究區內礦山環境影響指數。

根據礦山環境影響指數結果及礦區的具體特征將礦山環境分為3個等級：影響嚴重區、較嚴重區、較輕區。其中影響嚴重區位于礦區西部的露天采場、排土場及采場區域，較嚴重區位于東部的選冶廠區及礦區生活區，礦區的其他地區為影響較輕區域。礦山環境影響的嚴重程度作為礦山環境治理的直接依據，直接關系到應采取的礦山地質環境治理的相關舉措與建議。

圖4 區內礦山環境影響分區圖

4 結 語

通過利用高分數據開展本次礦山環境調查，探索了國產高分數據在礦山地質環境調查中的應用潛力，得出結論如下：

1）國產衛星數據是國土礦山環境管理不可或缺的重要技術手段[10,11]，對構建“天上看、地上查、網上管”的環境監管新體系，實現“以圖管礦”、“以圖管環境”、“以圖促改進”的立體監管新模式意義重大。隨著國產衛星技術的不斷發展完善，預計我國在5～10 a內，域內重要礦種礦集區的礦山地質環境與地質災害遙感調查與監測等以遙感衛星為技術基礎的各項工作將全面啟動，屆時，國產高分系列衛星將提供更為強大的圖像數據支持。

2）國產高分衛星B4波段與另外3個波段的相關性較小，獨立性更好，可在礦山環境調查影像波段選擇時優先選擇，用于信息增強或圖像合成等處理；高分衛星遙感數據融合后影像清晰，紋理信息豐富，適用于礦山地質環境調查應用。

3）國產高分遙感數據與GIS技術相結合，在一定范圍內對礦業秩序混亂、礦山環境破壞嚴重地區開展大比例尺的遙感調查和監測；也可為實現國土資源立體監測，解決礦產資源無序開發、礦難頻發、土地違法屢禁不止等監管難題，提高資源管理的科技含量，并為礦山環境恢復治理等提供科學的決策支持。

4）現階段研究區內礦山地質環境恢復治理理念還有待提高，建議提高對礦山地質環境保護的認識，有計劃地進行礦山地質環境保護與恢復治理工作。