遙感解譯在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

許冬亮

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心—遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

“國(guó)家主席習(xí)近平2014年11月10日在APEC歡迎宴會(huì)致辭時(shí)表示，希望中國(guó)藍(lán)天常在、青山常在、綠水常在。習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中要求：“改革生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制”。在推進(jìn)全面完成國(guó)家自然資源綜合治理方面，要嚴(yán)厲打擊偷采盜運(yùn)等違法行為，加快采煤沉陷區(qū)、破損礦山地質(zhì)環(huán)境整治，推進(jìn)礦山生態(tài)修復(fù)。因此需要利用遙感解譯技術(shù)，監(jiān)測(cè)礦山及周邊環(huán)境變化，從而提高自然資源利用，為自然資源合法、合理管理提供技術(shù)支撐。

1.總體技術(shù)路線

收集整理監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)多源遙感影像、基礎(chǔ)測(cè)繪成果、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果等資料，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯試驗(yàn)，得到基本解譯尺度，套合多種數(shù)據(jù)成果，首先進(jìn)行自動(dòng)提取，然后進(jìn)行人工判讀，最后進(jìn)行野外核查，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果。對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)體系，制作專題地圖，為土地利用、礦山演變、環(huán)境質(zhì)量定價(jià)提供參考數(shù)據(jù)。利用遙感解譯方法進(jìn)行礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線（如圖1所示）：

圖1 礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)總體技術(shù)路線

2.分類及評(píng)價(jià)方法

2.1 監(jiān)測(cè)分類

通過對(duì)已有資料分析，按照礦山監(jiān)測(cè)總體技術(shù)路線要求，可以將基于遙感解譯的礦山監(jiān)測(cè)分類為土地利用和礦山監(jiān)測(cè)兩大類，其中土地利用可以監(jiān)督農(nóng)田、林地等7個(gè)分類指標(biāo)，礦山監(jiān)測(cè)需要監(jiān)督礦山的破壞區(qū)域和治理區(qū)域的對(duì)比。礦山監(jiān)測(cè)分類（如圖2所示）：

圖2 礦山監(jiān)測(cè)分類

2.2 礦山環(huán)境評(píng)價(jià)方法

2.2.1 環(huán)境評(píng)價(jià)

環(huán)境評(píng)價(jià)是在一個(gè)特定的評(píng)價(jià)范圍內(nèi)，對(duì)某一既定目標(biāo)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如以環(huán)境作為評(píng)價(jià)對(duì)象，在有限程度上預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，綜合評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，最終得出評(píng)價(jià)結(jié)論。我國(guó)從二十世紀(jì)七十年代末開始引入環(huán)境評(píng)價(jià)的相關(guān)機(jī)制，經(jīng)過四十余年的不斷革新，從最初的一個(gè)分類、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、單一體系、普適分析，發(fā)展到如今的多個(gè)分類、多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、層疊體系、廣義分析，并且能夠做到動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)播報(bào)，為環(huán)境評(píng)價(jià)方法的革新作出了重要貢獻(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)、軟件、通信、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)在進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)的應(yīng)用較之前更多、更廣泛，特別是3S技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，給環(huán)境評(píng)價(jià)工作帶來了新的方向。

環(huán)境評(píng)價(jià)一般包含數(shù)量評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)和方法評(píng)價(jià)三個(gè)部分。經(jīng)過多年驗(yàn)證，這樣的分類和評(píng)價(jià)方法是科學(xué)的，環(huán)境評(píng)價(jià)的三個(gè)部分具體要求如下：

（1）數(shù)量評(píng)價(jià)：定義在有效的評(píng)價(jià)方法之上，并與評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)，具備客觀性、可測(cè)性和可比性。

（2）標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)：評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該是客觀的，必須實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)方法和環(huán)境相統(tǒng)一，并且具有一定的包含或交叉領(lǐng)域。

（3）方法評(píng)價(jià)：旨在找到評(píng)價(jià)對(duì)象的內(nèi)在聯(lián)系，并且參照相關(guān)學(xué)科的基本理論，不能脫離自然和社會(huì)，盡量做到簡(jiǎn)單易行，減小誤差。

2.2.2 礦山環(huán)境評(píng)價(jià)

礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，造成非常嚴(yán)重的問題，給人類的生存環(huán)境帶來了非常大的破壞。因此，科學(xué)地評(píng)價(jià)礦山周邊環(huán)境是一個(gè)值得研究的方向。礦山周邊環(huán)境的相關(guān)評(píng)價(jià)是建立在采集、分類、走訪、計(jì)算等步驟之上，將收集到的可靠數(shù)據(jù)導(dǎo)入評(píng)價(jià)模型進(jìn)行模擬分析，在有限范圍內(nèi)預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)礦山周邊環(huán)境可能出現(xiàn)的問題，做到為決策支持提供可靠數(shù)據(jù)。而且在礦山周邊環(huán)境評(píng)價(jià)開始初期，先對(duì)其存在的問題進(jìn)行研究，其次根據(jù)調(diào)查結(jié)果和基礎(chǔ)資料的精度，選擇不同的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后給出解決其存在的問題、保護(hù)和修復(fù)其治理的對(duì)策。

評(píng)價(jià)方法是在礦山環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)一種不可或缺的方式。通過對(duì)各種環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或分析，找出影響環(huán)境質(zhì)量的主要指標(biāo)，從而計(jì)算單指標(biāo)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)值和綜合環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)值。評(píng)價(jià)模型對(duì)比表（如表1所示），礦山周邊環(huán)境評(píng)價(jià)方法（如表2所示）：

表1 評(píng)價(jià)模型對(duì)比表

表2 礦山周邊環(huán)境評(píng)價(jià)方法

2.3 權(quán)重的確定與網(wǎng)格法

監(jiān)測(cè)區(qū)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的目的是通過分析、研究礦山開采活動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)環(huán)境質(zhì)量的影響，從而發(fā)現(xiàn)存在的問題，然后提出環(huán)境治理措施及建議。本文選用層次分析法及粗糙集理論相結(jié)合的方法進(jìn)行礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)研究。

2.3.1 層次分析法

層次分析法的相關(guān)計(jì)算步驟：首先是建立層次結(jié)構(gòu)，其次是代入判斷矩陣。根據(jù)兩個(gè)評(píng)價(jià)指數(shù)之間的重要性關(guān)系，構(gòu)建判斷矩陣如式（1）所示：

式中表示元素i與j的相對(duì)重要性，得出的結(jié)果可以用標(biāo)準(zhǔn)度方法來表示（如表3所示）：

表3 矩陣標(biāo)準(zhǔn)度及其含義

2.3.2 計(jì)算權(quán)向量

計(jì)算每行矩陣元素的乘積mi如式（2）所示：

其中i，j＝（1，2，．．．．．．，n）。

計(jì)算mi的n次方根如式（3）所示：

對(duì)特征向量W＝［W1，W2，……，Wn］T進(jìn)行歸一化如式（4）所示：

求矩陣P的最大特征值如式（5）所示：

2.3.3 求一致性指標(biāo)C.I.如式（6）所示：

2.3.4 判斷矩陣合理性檢驗(yàn)如式（7）所示：

其中，R.I.為一致性隨機(jī)指數(shù)，其值（如表4所示）：

當(dāng)C.R.＜0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有合理性，當(dāng)C.R.≥0.10時(shí)，說明判斷矩陣不滿足要求，需要進(jìn)行修改。

表4 一致性隨機(jī)指數(shù)

2.3.5 粗糙集相關(guān)理論

粗糙集相關(guān)理論提供了一種數(shù)據(jù)挖掘方法，這種方法構(gòu)建在自然語言基礎(chǔ)上，一般的分析對(duì)象基于對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理。它不僅是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，而且為信息科學(xué)研究提供了一種新的思路。粗糙集理論定義：

定義1：S＝（U，A，V，f）是一個(gè)決策系統(tǒng)。其中U≠Φ為論域；A＝C∪D，C和D分別為條件和決策屬性集，且C∪D≠Φ；V為屬性的值域集，Va為屬性a的值域；f：U×A→V為一個(gè)信息函數(shù)，對(duì)?x∈U，a∈A，存在f（x，a）∈Va。每一個(gè)屬性子集P?A存在一個(gè)二元不可區(qū)分關(guān)系如式（8）所示：

關(guān)系IND（P），P∈A表示U的一個(gè)等價(jià)劃分，記作U/IND（P），U／/ND（P）中的任意元素[X]p稱為等價(jià)類。

定義2：設(shè)X∈U，R為U上的等價(jià)關(guān)系，U/R為R對(duì)U的劃分，則如式（9）和式（10）所示：

分別稱為X關(guān)于R的下近似和上近似。

定義3：令P和Q為U中的等價(jià)關(guān)系，Q的P正域記為POSP(Q)，Q和P之間的依賴程度記為其中0≤γ（Q）≤1，屬性的差異帶來的直接影響就是導(dǎo)致決策結(jié)論不一致，因此需要逐一排查特定的屬性，經(jīng)過迭代后找到變化趨勢(shì)最大的屬性，確定該屬性為對(duì)決策結(jié)論影響最大的屬性。屬性變化的幅度直接影響到?jīng)Q策結(jié)論變化的幅度。

定義4：在定義1中的決策支持關(guān)系中，屬性子集C'∈C關(guān)于D的重要定義如式（11）所示：

若C={a1，a2，......，an}，則屬性ai的權(quán)重如式（12）所示：

3.遙感監(jiān)測(cè)

3.1 研究區(qū)概況

以遼東半島南部作為研究區(qū)域，面積約157300.34公頃。該區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均降雨量約為610-720毫米。研究區(qū)域影像（如圖3所示）：

圖3 研究區(qū)域影像圖

3.2 數(shù)據(jù)來源

本論文選擇了高分一號(hào)、高分二號(hào)及資源三號(hào)衛(wèi)星遙感影像，基礎(chǔ)測(cè)繪DLG成果，2018年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)影像分類成果，另外還收集了地區(qū)行政區(qū)劃、研究區(qū)域內(nèi)礦權(quán)文本數(shù)據(jù)等資料。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理一般包括影像融合和幾何校正。其中影像融合通過融合算法，對(duì)影像進(jìn)行處理，避免畸變，融合后地物更加清晰，提高人工判讀準(zhǔn)確性。幾何校正的目的是糾正影像的幾何變化，便于影像配準(zhǔn)，幾何校正是必須的，這樣做可以消除地物變形問題。

3.4 遙感解譯

首先將融合、幾何校正后的影像進(jìn)行多尺度分割，通過試驗(yàn)對(duì)比，得出適合試驗(yàn)區(qū)域的分割尺度，采集特征點(diǎn)，自動(dòng)解譯土地利用中農(nóng)田、林地、草地、水庫等類別，通過基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)自動(dòng)提取建設(shè)用地、道路和礦區(qū)，通過人工判讀進(jìn)行修正，并人工解譯歷史影像中礦山破壞區(qū)域和礦山治理區(qū)域。礦區(qū)恢復(fù)治理前后對(duì)比影像（如圖4所示）：

圖4 礦區(qū)恢復(fù)治理前后對(duì)比影像

4.監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，較為嚴(yán)重影響的礦區(qū)面積約為6338.17公頃，占試驗(yàn)區(qū)域面積的4.03%，次一級(jí)嚴(yán)重影響區(qū)域面積約為21961.28公頃，占試驗(yàn)區(qū)面積的13.96%，較輕影響區(qū)域面積約為129000.89公頃，占試驗(yàn)區(qū)面積82.01%。研究試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆诘V區(qū)治理輕度影響區(qū)域，與研究區(qū)域?qū)嶋H情況相符，說明試驗(yàn)區(qū)域影像解譯尺度合理，特征點(diǎn)采集準(zhǔn)確，可以作為研究區(qū)域礦山演變、環(huán)境保護(hù)等自然資源管理的決策依據(jù)。

5.結(jié)束語

通過對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)多源遙感影像進(jìn)行解譯試驗(yàn)，我們不難發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)域開發(fā)進(jìn)程加快，采礦用地在逐年增大。礦山恢復(fù)治理速度跟不上開發(fā)進(jìn)程。通過遙感解釋，直觀體現(xiàn)出礦山恢復(fù)治理率的大幅下降。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有關(guān)部門應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)礦山監(jiān)管和治理。

遙感解譯監(jiān)測(cè)在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)中，是獲得礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為直觀且精準(zhǔn)的技術(shù)路線，可以作為大范圍推廣的礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)手段。為生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、治理提供了重要的數(shù)據(jù)支持及治理依據(jù)，對(duì)我國(guó)環(huán)境生態(tài)保護(hù)具有重要的意義。