遙感技術在綠色礦山建設與評估中的應用

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研究中心，陜西 西安 710199)

0 引 言

隨著綠色發展和生態環境保護理念的深入，綠色礦山建設成為我國礦業發展的必然趨勢，做好綠色礦山建設和評估工作是礦業管理部門和礦山企業的責任[1-2]。綠色礦山建設是一項復雜的系統工程，而我國綠色礦山建設涉及的礦山數量眾多，類型也較為復雜[3-4]。2019年7月，由自然資源部礦產資源保護監督司指導、中國自然資源經濟研究院聯合有關單位編制的《綠色礦山建設評估指導手冊》正式發布，這是我國第一個專門服務于綠色礦山建設的手冊，其對綠色礦山建設評價指標體系進行了明確規定，綠色礦山建設評估涉及礦區環境、資源開發方式、資源綜合利用、節能減排、科技創新與數字化礦山、企業管理與企業形象等多個方面。

傳統綠色礦山建設評估工作主要是通過查資料和查現場，專家打分取平均值的手段完成[5]，存在填報數據偏差較大、野外工作時間長、調查精度低等問題。目前，遙感技術在綠色礦山建設評估中發揮著重要作用，利用遙感影像對礦區環境與資源開發方式評估相比現場查證具有費用低、效率高的特點，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地調查的方式，對礦區環境、恢復治理與復墾等現狀進行快速高效檢查，確定是否符合綠色礦山要求。

遙感在礦山環境監測方面應用廣泛，我國礦山資源開發環境監測和礦山執法檢查等均采用高分遙感技術[6-10]，前人對遙感在礦區生態環境[11-13]、礦山地質災害[14-15]、礦山恢復治理效果[16-18]等方面進行了大量研究，集中在綠色礦山建設的礦區環境等方面，但是未參照新發布的綠色礦山評估指標體系對遙感技術在綠色礦山建設中的應用做全方位梳理。本文結合綠色礦山評估指標體系對遙感在綠色礦山建設評估中的應用做了系統分析，建立了遙感綠色礦山應用的技術體系，總結了綠色礦山遙感解譯方法，并結合應用實例，對綠色礦山建設中遙感技術的應用前景進行了展望。

1 遙感技術方法

1.1 技術路線

為推動綠色礦山建設，彌補傳統實地調查存在的不足，本文提出以遙感手段參與綠色礦山建設與評估工作，主要內容分為：資料收集、數據分類與整理、野外驗證、編制解譯成果圖、綠色礦山監測與評估、編制綠色礦山遙感圖件、建立綠色礦山遙感監測平臺。資料收集主要包括分析前人研究成果、參考相關技術規范、收集遙感數據、采礦權、探礦權等數據。數據分類與整理主要涉及高分遙感數據、無人機航拍調查和野外調查三方面，包括通過輻射校正、圖像融合、勻色與拼接、正射校正、圖像增強處理等進行遙感影像預處理和影像處理工作，以及根據《綠色礦山建設評估指導手冊》，借助人機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；再通過野外實地調查驗證信息提取的可靠性，補充遺漏的信息，修改誤提信息。 最后，根據室內解譯和野外調查的反饋信息，編制解譯成果圖，建立綠色礦山建設監測平臺，針對綠色礦山建設過程中建設效果和存在的問題提出意見建議，具體技術路線圖見圖1。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology roadmap

1.2 工作方法

1.2.1 遙感影像數據的選取

采用的衛星數據源主要為國產高分衛星數據和無人機遙感數據。衛星遙感技術基于多平臺、多種類、多尺度的遙感數據，鑒于礦山開發利用的動態性，以多源、多時相的高分辨率的數據作為基礎。對礦區生態環境(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、燒結廠)、礦區地質環境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂縫)、礦區綠化和復墾等進行中等比例尺度的調查和監測。

相較于遙感衛星，無人機遙感具有實時性強、機動快速、空間分辨率高、經濟性好等優勢，可以有效地與易受云量干擾的衛星遙感技術形成互補，對指定范圍進行快速精確的監測。通過三維建模，直觀反映礦區地質環境現狀，避免遙感衛星解譯的多解性。低空無人機遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外、LIDAR等傳感器，對礦區生態環境和地質環境進行大比例尺高分辨率的調查和監測，特別是三維傾斜攝影、地質災害調查、煤火區調查等技術在礦區生態修復中優勢明顯。

1.2.2 遙感數據處理及圖像制作

采用圖像處理軟件對原始影像數據進行正射校正、幾何精校正和波段融合、合成、色彩拉伸增強等圖像處理。首先，運用礦區DEM數據對原始影像多光譜和全色數據進行正射校正，將正射后的多光譜和全色數據進行融合處理；其次，根據已有地形或存檔以往影像資料對融合后影像進行幾何精校正，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，進行礦山開發環境信息提取前的數據處理與準備，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、監測與查證

根據綠色礦山評估指標體系，以礦區高分影像為信息源，建立各評價要素的遙感影像特征。在GIS軟件支持下，采用人機交互式解譯方法進行綠色礦山遙感解譯，重點對綠色礦山各項評價指標進行識別、圈定和標注。參照綠色礦山建設要求及行業標準，從礦區環境和資源開發方式兩方面逐項進行評估，提出評估意見，并對照綠色礦山建設評分表逐項進行打分。綠色礦山建設所要求礦區環境內容可進行野外查證，其目的在于驗證遙感解譯信息的可靠性。野外查證重點核查遙感解譯中存在的疑問圖斑，從而補充遺漏信息，修改錯誤信息，通過野外實地調查驗證，進一步提高信息提取的準確率。野外查證和修改后，通過質量控制和中間成果的檢查，促進評價成果的準確性與規范性。

2 遙感技術在綠色礦山建設中的應用

綠色礦山建設過程中可以用遙感手段參與綠色礦山建設第三方評估工作，所能參與的主要內容有礦區環境、資源開發方式、科技創新與數字化礦山等三個方面。同時，可選取綠色礦山建設過程中的典型礦山企業，建立綠色礦山監測平臺，并選取典型遙感影像、遙感監測圖等，制作《綠色礦山建設圖集》供礦山企業和管理部門使用，具體所涉及遙感技術方法見表1。

表1 綠色礦山建設遙感技術應用Table 1 Application of remote sensing technologyin green mine construction

2.1 礦區環境

1) 礦容礦貌。礦容礦貌解譯內容包括：礦區是否按生產區、管理區、生活區和生態區等功能區分區；各功能區是否符合相關設計規范；工業場地布局是否合理；廢棄物堆放管理是否符合規定；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養護；生產區、管理區、廠區是否清潔衛生；礦區是否有私搭亂建情況；開采、運輸過程中是否采取有效措施減少粉塵和撒落物，保持礦區環境衛生整潔(圖2)。

圖2 礦容礦貌與礦區綠化Fig.2 Mineral appearance and greening of mining area

2) 礦區綠化。礦區綠化方面遙感解譯內容包括：擾動土地整治率、水土流失總治理度、土壤失控比、攔渣率、林草覆蓋率等各項工作及指標是否符合當地水利部門要求；土地復墾與礦區地質環境綜合治理工程是否達標，即復墾后的地形與周邊環境和小區域地表水系保持協調，地面坡度及水土保持和巖體穩定是否達到要求；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施綠化、美化或復墾；各功能分區及區間是否進行必要的綠化、美化；礦區專用道路兩側是否設置隔離綠化帶等。

3) 礦山環境監測。通過多期遙感影像對比，可及時掌握礦山環境變化情況，有效地進行動態分析與監測。利用遙感手段迅速掌握礦產資源集中開采區位置，該手段在露天礦監測中的作用尤為突出。另外，遙感手段可實現礦山全覆蓋常態化監測(圖3)。

圖3 礦山環境動態監測Fig.3 Dynamic monitoring of mine environment

2.2 資源開發方式

資源開發方式指標中遙感可解決的問題主要有礦山環境恢復治理與土地復墾、環境管理與監測。其中，礦山環境恢復治理與土地復墾指標包括:礦山是否按照《礦山地質環境保護與土地復墾方案》確定的范圍進行治理復墾，即排土場、露天采場、礦區專用道路、礦山工業場地、沉陷區、礦石場、礦山污染場地等被破壞、退化或受污染場地應當治理、恢復而未及時治理、復墾(圖4)；礦山終了平臺留設是否規范;露天采場邊坡是否有局部失穩現象。

圖4 礦山環境恢復治理與土地復墾Fig.4 Mine environment restoration and land reclamation

環境管理與監測指標中，可建立綠色礦山遙感監測體系，在“綠色礦山”建設過程中利用InSAR技術對礦區地下水、地表水、土壤環境、地面形變、地質災害等實行動態監測(圖5)；利用多源、多時相的高分辨率衛星遙感和無人機監測技術對礦區建立綠色礦山遙感監測機制；對復墾責任區土地損毀情況、穩定狀態、復墾質量及影像范圍地質環境穩定性與土壤質量進行動態監測(圖6)。通過對比2016年和2017年礦山地質環境修復治理情況可知，煤礦排土場2017年對排土場頂部平整覆土，種草復綠，長勢情況良好。

圖5 煤礦InSAR技術地面形變監測Fig.5 Ground deformation monitoring with InSAR technology in coal mine

圖6 排土場覆土復綠遙感監測Fig.6 Remote sensing monitoring of green mine construction

2.3 科技創新與數字化礦山

在綠色礦山科技創新與數字化礦山建設方面，利用遙感、GIS、大數據和云平臺等建設綠色礦山生產監測信息系統，推動礦山企業采用信息網絡技術、智能控制技術，建設數字化智能綠色礦山，對礦山生產的各個生產環節進行監測，及時更新遙感影像、地形圖及DEM等地理信息數據，通過地表遙感數據獲取三維地質建模等，實現礦井上下實景對照，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，實現礦山地理信息數據與行業服務數據融為一體的二維和三維分析與應用，基于礦山GIS對礦山信息的統一管理與可視化表達，實現全礦山、全過程、全周期的數字化管理、作業、指揮與調度。

另外，可以基于綠色礦山的多時相動態監測，建立綠色礦山地質環境常態化動態監測體系。以GIS為軟件平臺，利用航空影像、衛星數據、數字高程模型、礦山環境專題數據和其他基礎地理數據，集成傾斜攝影構建的三維動態可視化交互式應用軟件系統。建立綠色礦山大數據管理平臺，監測全區綠色礦山的地質環境狀況，形成遙感成果的集中管理和集成應用，將現有業務中的采礦權數據，解譯數據與礦區掛接，統一調用、統籌應用，掌握綠色礦山地質環境治理現狀，通過互聯網+遙感模式，實時發布綠色礦山監測成果，及時為綠色礦山地質環境治理和保護工作提供基礎資料和科學依據。

在綠色礦山建設成果的展示方面，可選取礦山建設不同階段的圖像數據，涵蓋礦區環境、資源開發方式、資源綜合利用等綠色礦山評價指標，編制形成綠色礦山建設圖集(圖7)，直觀展示綠色礦山建設的變化過程，供礦山企業和規劃管理部門參考使用。

3 應用實例

在綠色礦山建設評估中，不同類型的遙感數據解決綠色礦山建設的各類問題，并作為主要手段檢查綠色礦山的合規性。以下簡要介紹遙感技術在露天煤礦、煤田火區、地表沉降等方面的應用。

3.1 露天煤礦綠色礦山審核

陜西神延煤炭有限責任公司神木縣西灣露天煤礦是2019年神木市申報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，根據遙感影像圈出礦區范圍，劃分生產區、生活區。對照綠色礦山評估指導手冊中綠色礦山評分表，從遙感影像中發現該礦區在礦區環境和資源開發方式兩項不符合綠色礦山要求(圖8)，其中，礦區環境中礦區綠化方面具體表現為：①儲煤場所未遮蓋，沒有做到開采、運輸過程中保持礦區環境衛生整潔，減少粉塵和撒落物；②排土場邊坡未做穩定性處理，沒有達到地面坡度及水土保持和掩體穩定性的要求；③排土場綠化不達標，礦區內可綠化面積綠化率遠不及100%；④礦區專用道路兩側綠化隔離帶設置不達標，很多地方從影像上可明顯看到沒有綠化隔離帶。

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

3.2 煤田火區調查監測

我國北方露天煤層自燃區分布較多，針對涉及自燃區的煤礦綠色礦山建設，進行火區的調查和治理是重要任務，通過高分辨率的熱紅外影像進行地表溫度的反演工作，精準確定煤火引起的溫度異常分布區(圖9)，為礦區災害的治理和環境的恢復提供了依據，助力綠色礦山建設。

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監測Fig.10 InSAR monitoring for mining subsidence

3.3 地表沉降監測

合成孔徑雷達(SAR)具有穿透云霧、全天時、全天候的特征，在陜北榆神礦區榆樹灣煤礦開展了InSAR地表形變監測試點項目，通過InSAR監測沉降區變化情況，精度可達到厘米級，地表形變的監測與下伏采煤工作面的掘進吻合程度高。

3.4 礦區三維地質模擬

在我國北方煤礦區礦山環境恢復治理工作中，利用無人機傾斜攝影技術全程監測了治理工程建設情況和恢復治理情況，建立了礦區現場的三維地質模型，達到了直觀的展示效果(圖11)。

圖11 礦區恢復治理三維模擬Fig.11 3D simulation of mining area restoration and management

4 應用前景展望

綠色礦山是經濟可持續發展的新動力，是改善人文環境的必然途徑，同時也是規范礦業經濟市場秩序的重要手段。利用遙感手段對綠色礦山礦區環境、資源開發方式、資源綜合利用和節能減排等各項評價指標進行識別、圈定、標注和分析評價。同時，結合地理信息技術對綠色礦山各種空間信息進行綜合分析和處理，建立綠色礦山遙感監測平臺，通過遙感技術參與綠色礦山礦山建設、礦山環境恢復治理過程中對礦山地質環境監測預警、檢查評估工作，必將對綠色礦山建設起到推動作用。

通過遙感技術從宏觀角度獲取礦山企業礦區環境、資源開發方式、資源綜合利用、節能減排等評價指標數據，可實現快速高效、經濟地開展綠色礦山建設評估工作，我國綠色礦山建設從目前的試點探索到全面遴選還有很長的路要走，隨著高分遙感技術、低空無人機技術的發展，遙感技術在綠色礦山建設評估及國土規劃領域中將發揮更大的作用。

5 結 論

1) 遙感技術在綠色礦山建設與評估可以發揮良好的作用，主要是提高礦區環境、資源開發方式和科技創新與數字化礦山的應用效果。

2) 參照綠色礦山建設規范和評估指標體系，建立了遙感綠色礦山建設應用的技術體系，總結了綠色礦山遙感應用技術方法。

3) 通過多個應用實例的綜合分析說明，遙感技術在綠色礦山評估方面具有高效、經濟的優勢，可進一步推廣使用。