管 濤,李聰聰,崔 勝,陳香菱,賀小元,雒 錚,陳瑞莉,范玉海
(1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局,陜西 西安 710199;2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710199)
隨著綠色發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念的深入,綠色礦山建設(shè)成為我國礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢,做好綠色礦山建設(shè)和評估工作是礦業(yè)管理部門和礦山企業(yè)的責(zé)任[1-2]。綠色礦山建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,而我國綠色礦山建設(shè)涉及的礦山數(shù)量眾多,類型也較為復(fù)雜[3-4]。2019年7月,由自然資源部礦產(chǎn)資源保護(hù)監(jiān)督司指導(dǎo)、中國自然資源經(jīng)濟(jì)研究院聯(lián)合有關(guān)單位編制的《綠色礦山建設(shè)評估指導(dǎo)手冊》正式發(fā)布,這是我國第一個(gè)專門服務(wù)于綠色礦山建設(shè)的手冊,其對綠色礦山建設(shè)評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了明確規(guī)定,綠色礦山建設(shè)評估涉及礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式、資源綜合利用、節(jié)能減排、科技創(chuàng)新與數(shù)字化礦山、企業(yè)管理與企業(yè)形象等多個(gè)方面。
傳統(tǒng)綠色礦山建設(shè)評估工作主要是通過查資料和查現(xiàn)場,專家打分取平均值的手段完成[5],存在填報(bào)數(shù)據(jù)偏差較大、野外工作時(shí)間長、調(diào)查精度低等問題。目前,遙感技術(shù)在綠色礦山建設(shè)評估中發(fā)揮著重要作用,利用遙感影像對礦區(qū)環(huán)境與資源開發(fā)方式評估相比現(xiàn)場查證具有費(fèi)用低、效率高的特點(diǎn),在自然資源部對全國綠色礦山批量遴選的過程中,通過高分遙感篩查代替實(shí)地調(diào)查的方式,對礦區(qū)環(huán)境、恢復(fù)治理與復(fù)墾等現(xiàn)狀進(jìn)行快速高效檢查,確定是否符合綠色礦山要求。
遙感在礦山環(huán)境監(jiān)測方面應(yīng)用廣泛,我國礦山資源開發(fā)環(huán)境監(jiān)測和礦山執(zhí)法檢查等均采用高分遙感技術(shù)[6-10],前人對遙感在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[11-13]、礦山地質(zhì)災(zāi)害[14-15]、礦山恢復(fù)治理效果[16-18]等方面進(jìn)行了大量研究,集中在綠色礦山建設(shè)的礦區(qū)環(huán)境等方面,但是未參照新發(fā)布的綠色礦山評估指標(biāo)體系對遙感技術(shù)在綠色礦山建設(shè)中的應(yīng)用做全方位梳理。本文結(jié)合綠色礦山評估指標(biāo)體系對遙感在綠色礦山建設(shè)評估中的應(yīng)用做了系統(tǒng)分析,建立了遙感綠色礦山應(yīng)用的技術(shù)體系,總結(jié)了綠色礦山遙感解譯方法,并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例,對綠色礦山建設(shè)中遙感技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
為推動(dòng)綠色礦山建設(shè),彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)查存在的不足,本文提出以遙感手段參與綠色礦山建設(shè)與評估工作,主要內(nèi)容分為:資料收集、數(shù)據(jù)分類與整理、野外驗(yàn)證、編制解譯成果圖、綠色礦山監(jiān)測與評估、編制綠色礦山遙感圖件、建立綠色礦山遙感監(jiān)測平臺(tái)。資料收集主要包括分析前人研究成果、參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范、收集遙感數(shù)據(jù)、采礦權(quán)、探礦權(quán)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分類與整理主要涉及高分遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)航拍調(diào)查和野外調(diào)查三方面,包括通過輻射校正、圖像融合、勻色與拼接、正射校正、圖像增強(qiáng)處理等進(jìn)行遙感影像預(yù)處理和影像處理工作,以及根據(jù)《綠色礦山建設(shè)評估指導(dǎo)手冊》,借助人機(jī)交互式解譯方法提取綠色礦山專題解譯信息的影像信息提取;再通過野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證信息提取的可靠性,補(bǔ)充遺漏的信息,修改誤提信息。 最后,根據(jù)室內(nèi)解譯和野外調(diào)查的反饋信息,編制解譯成果圖,建立綠色礦山建設(shè)監(jiān)測平臺(tái),針對綠色礦山建設(shè)過程中建設(shè)效果和存在的問題提出意見建議,具體技術(shù)路線圖見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap
1.2.1 遙感影像數(shù)據(jù)的選取
采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源主要為國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)和無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)基于多平臺(tái)、多種類、多尺度的遙感數(shù)據(jù),鑒于礦山開發(fā)利用的動(dòng)態(tài)性,以多源、多時(shí)相的高分辨率的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境(露天采礦場、開采塌陷地、礦山固體廢棄物排棄場(如尾礦庫、煤矸石山)和選礦、燒結(jié)廠)、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂縫)、礦區(qū)綠化和復(fù)墾等進(jìn)行中等比例尺度的調(diào)查和監(jiān)測。
相較于遙感衛(wèi)星,無人機(jī)遙感具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)快速、空間分辨率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢,可以有效地與易受云量干擾的衛(wèi)星遙感技術(shù)形成互補(bǔ),對指定范圍進(jìn)行快速精確的監(jiān)測。通過三維建模,直觀反映礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀,避免遙感衛(wèi)星解譯的多解性。低空無人機(jī)遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺(tái),搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外、LIDAR等傳感器,對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行大比例尺高分辨率的調(diào)查和監(jiān)測,特別是三維傾斜攝影、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、煤火區(qū)調(diào)查等技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中優(yōu)勢明顯。
1.2.2 遙感數(shù)據(jù)處理及圖像制作
采用圖像處理軟件對原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正、幾何精校正和波段融合、合成、色彩拉伸增強(qiáng)等圖像處理。首先,運(yùn)用礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)對原始影像多光譜和全色數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正,將正射后的多光譜和全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理;其次,根據(jù)已有地形或存檔以往影像資料對融合后影像進(jìn)行幾何精校正,校正誤差滿足出圖比例要求;最后,開展遙感信息多層次篩選及信息綜合分析等方法,進(jìn)行礦山開發(fā)環(huán)境信息提取前的數(shù)據(jù)處理與準(zhǔn)備,制作地表信息豐富、滿足綠色礦山要素解譯的遙感影像圖。
1.2.3 遙感解譯、監(jiān)測與查證
根據(jù)綠色礦山評估指標(biāo)體系,以礦區(qū)高分影像為信息源,建立各評價(jià)要素的遙感影像特征。在GIS軟件支持下,采用人機(jī)交互式解譯方法進(jìn)行綠色礦山遙感解譯,重點(diǎn)對綠色礦山各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、圈定和標(biāo)注。參照綠色礦山建設(shè)要求及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),從礦區(qū)環(huán)境和資源開發(fā)方式兩方面逐項(xiàng)進(jìn)行評估,提出評估意見,并對照綠色礦山建設(shè)評分表逐項(xiàng)進(jìn)行打分。綠色礦山建設(shè)所要求礦區(qū)環(huán)境內(nèi)容可進(jìn)行野外查證,其目的在于驗(yàn)證遙感解譯信息的可靠性。野外查證重點(diǎn)核查遙感解譯中存在的疑問圖斑,從而補(bǔ)充遺漏信息,修改錯(cuò)誤信息,通過野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證,進(jìn)一步提高信息提取的準(zhǔn)確率。野外查證和修改后,通過質(zhì)量控制和中間成果的檢查,促進(jìn)評價(jià)成果的準(zhǔn)確性與規(guī)范性。
綠色礦山建設(shè)過程中可以用遙感手段參與綠色礦山建設(shè)第三方評估工作,所能參與的主要內(nèi)容有礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式、科技創(chuàng)新與數(shù)字化礦山等三個(gè)方面。同時(shí),可選取綠色礦山建設(shè)過程中的典型礦山企業(yè),建立綠色礦山監(jiān)測平臺(tái),并選取典型遙感影像、遙感監(jiān)測圖等,制作《綠色礦山建設(shè)圖集》供礦山企業(yè)和管理部門使用,具體所涉及遙感技術(shù)方法見表1。

表1 綠色礦山建設(shè)遙感技術(shù)應(yīng)用Table 1 Application of remote sensing technologyin green mine construction
1) 礦容礦貌。礦容礦貌解譯內(nèi)容包括:礦區(qū)是否按生產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)、生活區(qū)和生態(tài)區(qū)等功能區(qū)分區(qū);各功能區(qū)是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范;工業(yè)場地布局是否合理;廢棄物堆放管理是否符合規(guī)定;廢棄物堆放是否符合綠色礦山要求;主干道路面是否硬化并及時(shí)養(yǎng)護(hù);生產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)、廠區(qū)是否清潔衛(wèi)生;礦區(qū)是否有私搭亂建情況;開采、運(yùn)輸過程中是否采取有效措施減少粉塵和撒落物,保持礦區(qū)環(huán)境衛(wèi)生整潔(圖2)。

圖2 礦容礦貌與礦區(qū)綠化Fig.2 Mineral appearance and greening of mining area
2) 礦區(qū)綠化。礦區(qū)綠化方面遙感解譯內(nèi)容包括:擾動(dòng)土地整治率、水土流失總治理度、土壤失控比、攔渣率、林草覆蓋率等各項(xiàng)工作及指標(biāo)是否符合當(dāng)?shù)厮块T要求;土地復(fù)墾與礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合治理工程是否達(dá)標(biāo),即復(fù)墾后的地形與周邊環(huán)境和小區(qū)域地表水系保持協(xié)調(diào),地面坡度及水土保持和巖體穩(wěn)定是否達(dá)到要求;綠化植物長勢是否良好;露天開采礦山的排土場、廢石場是否按方案實(shí)施綠化、美化或復(fù)墾;各功能分區(qū)及區(qū)間是否進(jìn)行必要的綠化、美化;礦區(qū)專用道路兩側(cè)是否設(shè)置隔離綠化帶等。
3) 礦山環(huán)境監(jiān)測。通過多期遙感影像對比,可及時(shí)掌握礦山環(huán)境變化情況,有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與監(jiān)測。利用遙感手段迅速掌握礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)位置,該手段在露天礦監(jiān)測中的作用尤為突出。另外,遙感手段可實(shí)現(xiàn)礦山全覆蓋常態(tài)化監(jiān)測(圖3)。

圖3 礦山環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測Fig.3 Dynamic monitoring of mine environment
資源開發(fā)方式指標(biāo)中遙感可解決的問題主要有礦山環(huán)境恢復(fù)治理與土地復(fù)墾、環(huán)境管理與監(jiān)測。其中,礦山環(huán)境恢復(fù)治理與土地復(fù)墾指標(biāo)包括:礦山是否按照《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案》確定的范圍進(jìn)行治理復(fù)墾,即排土場、露天采場、礦區(qū)專用道路、礦山工業(yè)場地、沉陷區(qū)、礦石場、礦山污染場地等被破壞、退化或受污染場地應(yīng)當(dāng)治理、恢復(fù)而未及時(shí)治理、復(fù)墾(圖4);礦山終了平臺(tái)留設(shè)是否規(guī)范;露天采場邊坡是否有局部失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖4 礦山環(huán)境恢復(fù)治理與土地復(fù)墾Fig.4 Mine environment restoration and land reclamation
環(huán)境管理與監(jiān)測指標(biāo)中,可建立綠色礦山遙感監(jiān)測體系,在“綠色礦山”建設(shè)過程中利用InSAR技術(shù)對礦區(qū)地下水、地表水、土壤環(huán)境、地面形變、地質(zhì)災(zāi)害等實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(圖5);利用多源、多時(shí)相的高分辨率衛(wèi)星遙感和無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)對礦區(qū)建立綠色礦山遙感監(jiān)測機(jī)制;對復(fù)墾責(zé)任區(qū)土地?fù)p毀情況、穩(wěn)定狀態(tài)、復(fù)墾質(zhì)量及影像范圍地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性與土壤質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(圖6)。通過對比2016年和2017年礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理情況可知,煤礦排土場2017年對排土場頂部平整覆土,種草復(fù)綠,長勢情況良好。

圖5 煤礦InSAR技術(shù)地面形變監(jiān)測Fig.5 Ground deformation monitoring with InSAR technology in coal mine

圖6 排土場覆土復(fù)綠遙感監(jiān)測Fig.6 Remote sensing monitoring of green mine construction
在綠色礦山科技創(chuàng)新與數(shù)字化礦山建設(shè)方面,利用遙感、GIS、大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)等建設(shè)綠色礦山生產(chǎn)監(jiān)測信息系統(tǒng),推動(dòng)礦山企業(yè)采用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù),建設(shè)數(shù)字化智能綠色礦山,對礦山生產(chǎn)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測,及時(shí)更新遙感影像、地形圖及DEM等地理信息數(shù)據(jù),通過地表遙感數(shù)據(jù)獲取三維地質(zhì)建模等,實(shí)現(xiàn)礦井上下實(shí)景對照,對礦山地理空間信息提供可視化管理,井上、井下一體化快速展現(xiàn),實(shí)現(xiàn)礦山地理信息數(shù)據(jù)與行業(yè)服務(wù)數(shù)據(jù)融為一體的二維和三維分析與應(yīng)用,基于礦山GIS對礦山信息的統(tǒng)一管理與可視化表達(dá),實(shí)現(xiàn)全礦山、全過程、全周期的數(shù)字化管理、作業(yè)、指揮與調(diào)度。
另外,可以基于綠色礦山的多時(shí)相動(dòng)態(tài)監(jiān)測,建立綠色礦山地質(zhì)環(huán)境常態(tài)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系。以GIS為軟件平臺(tái),利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、礦山環(huán)境專題數(shù)據(jù)和其他基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),集成傾斜攝影構(gòu)建的三維動(dòng)態(tài)可視化交互式應(yīng)用軟件系統(tǒng)。建立綠色礦山大數(shù)據(jù)管理平臺(tái),監(jiān)測全區(qū)綠色礦山的地質(zhì)環(huán)境狀況,形成遙感成果的集中管理和集成應(yīng)用,將現(xiàn)有業(yè)務(wù)中的采礦權(quán)數(shù)據(jù),解譯數(shù)據(jù)與礦區(qū)掛接,統(tǒng)一調(diào)用、統(tǒng)籌應(yīng)用,掌握綠色礦山地質(zhì)環(huán)境治理現(xiàn)狀,通過互聯(lián)網(wǎng)+遙感模式,實(shí)時(shí)發(fā)布綠色礦山監(jiān)測成果,及時(shí)為綠色礦山地質(zhì)環(huán)境治理和保護(hù)工作提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。
在綠色礦山建設(shè)成果的展示方面,可選取礦山建設(shè)不同階段的圖像數(shù)據(jù),涵蓋礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式、資源綜合利用等綠色礦山評價(jià)指標(biāo),編制形成綠色礦山建設(shè)圖集(圖7),直觀展示綠色礦山建設(shè)的變化過程,供礦山企業(yè)和規(guī)劃管理部門參考使用。
在綠色礦山建設(shè)評估中,不同類型的遙感數(shù)據(jù)解決綠色礦山建設(shè)的各類問題,并作為主要手段檢查綠色礦山的合規(guī)性。以下簡要介紹遙感技術(shù)在露天煤礦、煤田火區(qū)、地表沉降等方面的應(yīng)用。
陜西神延煤炭有限責(zé)任公司神木縣西灣露天煤礦是2019年神木市申報(bào)第二批遴選綠色礦山名單中陜西省典型的露天開采礦山。首先選取2019年7月高分影像,根據(jù)遙感影像圈出礦區(qū)范圍,劃分生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)。對照綠色礦山評估指導(dǎo)手冊中綠色礦山評分表,從遙感影像中發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)在礦區(qū)環(huán)境和資源開發(fā)方式兩項(xiàng)不符合綠色礦山要求(圖8),其中,礦區(qū)環(huán)境中礦區(qū)綠化方面具體表現(xiàn)為:①儲(chǔ)煤場所未遮蓋,沒有做到開采、運(yùn)輸過程中保持礦區(qū)環(huán)境衛(wèi)生整潔,減少粉塵和撒落物;②排土場邊坡未做穩(wěn)定性處理,沒有達(dá)到地面坡度及水土保持和掩體穩(wěn)定性的要求;③排土場綠化不達(dá)標(biāo),礦區(qū)內(nèi)可綠化面積綠化率遠(yuǎn)不及100%;④礦區(qū)專用道路兩側(cè)綠化隔離帶設(shè)置不達(dá)標(biāo),很多地方從影像上可明顯看到?jīng)]有綠化隔離帶。

圖8 西灣露天煤礦綠色礦山示范解譯Fig.8 Green mine demonstration interpretation of Xiwan open-pit coal mine
我國北方露天煤層自燃區(qū)分布較多,針對涉及自燃區(qū)的煤礦綠色礦山建設(shè),進(jìn)行火區(qū)的調(diào)查和治理是重要任務(wù),通過高分辨率的熱紅外影像進(jìn)行地表溫度的反演工作,精準(zhǔn)確定煤火引起的溫度異常分布區(qū)(圖9),為礦區(qū)災(zāi)害的治理和環(huán)境的恢復(fù)提供了依據(jù),助力綠色礦山建設(shè)。

圖9 煤火熱紅外遙感處理Fig.9 Remote sensing thermal infrared processing for coalfield fire area

圖10 采礦沉降InSAR監(jiān)測Fig.10 InSAR monitoring for mining subsidence
合成孔徑雷達(dá)(SAR)具有穿透云霧、全天時(shí)、全天候的特征,在陜北榆神礦區(qū)榆樹灣煤礦開展了InSAR地表形變監(jiān)測試點(diǎn)項(xiàng)目,通過InSAR監(jiān)測沉降區(qū)變化情況,精度可達(dá)到厘米級,地表形變的監(jiān)測與下伏采煤工作面的掘進(jìn)吻合程度高。
在我國北方煤礦區(qū)礦山環(huán)境恢復(fù)治理工作中,利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)全程監(jiān)測了治理工程建設(shè)情況和恢復(fù)治理情況,建立了礦區(qū)現(xiàn)場的三維地質(zhì)模型,達(dá)到了直觀的展示效果(圖11)。

圖11 礦區(qū)恢復(fù)治理三維模擬Fig.11 3D simulation of mining area restoration and management
綠色礦山是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新動(dòng)力,是改善人文環(huán)境的必然途徑,同時(shí)也是規(guī)范礦業(yè)經(jīng)濟(jì)市場秩序的重要手段。利用遙感手段對綠色礦山礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式、資源綜合利用和節(jié)能減排等各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、圈定、標(biāo)注和分析評價(jià)。同時(shí),結(jié)合地理信息技術(shù)對綠色礦山各種空間信息進(jìn)行綜合分析和處理,建立綠色礦山遙感監(jiān)測平臺(tái),通過遙感技術(shù)參與綠色礦山礦山建設(shè)、礦山環(huán)境恢復(fù)治理過程中對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、檢查評估工作,必將對綠色礦山建設(shè)起到推動(dòng)作用。
通過遙感技術(shù)從宏觀角度獲取礦山企業(yè)礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式、資源綜合利用、節(jié)能減排等評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)快速高效、經(jīng)濟(jì)地開展綠色礦山建設(shè)評估工作,我國綠色礦山建設(shè)從目前的試點(diǎn)探索到全面遴選還有很長的路要走,隨著高分遙感技術(shù)、低空無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,遙感技術(shù)在綠色礦山建設(shè)評估及國土規(guī)劃領(lǐng)域中將發(fā)揮更大的作用。
1) 遙感技術(shù)在綠色礦山建設(shè)與評估可以發(fā)揮良好的作用,主要是提高礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式和科技創(chuàng)新與數(shù)字化礦山的應(yīng)用效果。
2) 參照綠色礦山建設(shè)規(guī)范和評估指標(biāo)體系,建立了遙感綠色礦山建設(shè)應(yīng)用的技術(shù)體系,總結(jié)了綠色礦山遙感應(yīng)用技術(shù)方法。
3) 通過多個(gè)應(yīng)用實(shí)例的綜合分析說明,遙感技術(shù)在綠色礦山評估方面具有高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢,可進(jìn)一步推廣使用。