基于遙感技術的礦山生態(tài)修復調查研究—以冀東鐵礦為例

王 娜 田 磊 文可戈 李大猛 彭 楨 劉星興 余 洋，8，9，10

（1.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.自然資源部礦山生態(tài)效應與系統(tǒng)修復重點實驗室，北京 100081；3.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；4.四川省地質礦產勘查開發(fā)局成都水文地質工程地質中心，四川 成都 610081；5.四川省環(huán)境保護地下水污染防治工程技術中心，四川 成都 610081；6.中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120；7.河北地質大學資源學院，河北 石家莊 050031；8.自然資源部礦山時空信息與生態(tài)修復重點實驗室，河南 焦作 454000；9.自然資源部礦區(qū)生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心，北京 100083；10.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理與生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心，山東 濟寧 272100）

礦產資源作為社會經濟發(fā)展的重要物質來源，其開發(fā)過程勢必對礦山地上、地下空間造成劇烈擾動，繼而引發(fā)礦山及其周邊環(huán)境不可逆轉的強烈變化［1-2］。如何借助現有技術手段實現對礦山環(huán)境破壞程度、影響范圍的有效識別與科學研判，完成礦山生態(tài)修復調查、核查［3-7］，不僅是礦山生態(tài)修復業(yè)務支撐部門迫切攻關的技術難題，更是礦山生態(tài)修復業(yè)務主管部門高度關注的行政議題［8-10］。研究表明，涉及礦山生態(tài)修復調查的探索實踐業(yè)已廣泛展開［11-18］，特別是在礦山生態(tài)修復關鍵要素的精準提取［19-20］、系統(tǒng)評價［21-23］、動態(tài)監(jiān)測［24-28］、綜合評估［29］等方向取得了一些切實可行的研究成果與工作成效。

為科學推進國土空間生態(tài)修復，結合礦山生態(tài)修復實際需求，依托高分辨率遙感數據精度優(yōu)勢，融合傳統(tǒng)地質調查工作特點，提出基于遙感技術的礦山生態(tài)修復調查方法協作方式，厘清現有技術方法適用范圍，并以河北省唐山市冀東鐵礦為例，進行礦山生態(tài)修復調查典型案例示范，科學提取礦山露天采場關鍵要素信息，詳細統(tǒng)計不同地物類型現狀面積，系統(tǒng)查明礦山地質安全隱患基本情況，梳理總結礦山生態(tài)修復調查經驗，持續(xù)完善礦山生態(tài)修復調查技術手段，進而為礦山生態(tài)修復調查平臺建設［30-31］、數據更新、技術研發(fā)、標準制定［32］提供重要參考。

1 研究區(qū)概況與數據來源

冀東鐵礦位于河北省唐山市遷安—開灤能源多金屬礦集區(qū)，地處燕山山脈東段南麓低山丘陵地帶，面積130 km2。最大海拔高度為638.7 m（即掛云山區(qū)域），降水多集中于6～8月，全年平均氣溫為10.1℃，多年平均降雨量為662 mm；屬于溫帶、半濕潤季風氣候。研究以2014年5月Quick bird數據及SRTM 90 m高程數據為基礎，通過對遙感圖像進行幾何校正和坐標轉換，使之滿足1∶1萬礦山信息數據采集要求。

2 礦山生態(tài)修復調查

2.1 調查內容

冀東鐵礦開采規(guī)模較大，開采時間長，固體廢棄物堆放占用大量土地資源，廢棄礦山及固廢恢復治理步伐滯后，嚴重影響周邊環(huán)境。通過資料分析、野外踏勘工作，實現對冀東鐵礦山生態(tài)修復調查內容全面梳理，具體內容如下：礦山開發(fā)占用、破壞大量土地資源，礦產資源過度開發(fā)引發(fā)地質安全隱患（如滑坡、崩塌、泥石流等），礦山地貌景觀破壞，水土流失、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，礦產資源的開發(fā)引起地下水系破壞。

2.2 調查方法

根據礦山生態(tài)修復調查對象的光譜特征、幾何特征、空間位置等，采用人機交互解譯、三維景觀模擬技術、面向對象信息提取技術以及野外調查驗證相結合的方式，實現對冀東鐵礦礦山生態(tài)修復調查要素的快速提取。

（1）人機交互解譯方法。根據解譯者經驗積累及總結修改，從顏色豐富、細節(jié)清晰的融合影像中將數量少、解譯標志明顯的地類提取出來，實現對礦山生態(tài)修復要素的快速調查。與傳統(tǒng)基于像素的計算機分類相比，人機交互解譯方法不僅繼承了面向對象分類方法的所有優(yōu)勢，而且兼具快速修正計算機自動分類錯誤的強大功能。

（2）面向對象信息提取技術。作為對高分辨率遙感影像數據進行特征信息提取的重要手段，面向對象信息提取方法，不僅克服了人工目視解譯效率低的缺點，而且破解了計算機自動分類準度低的難題。研究表明［19-20］，面向對象信息提取方法可以用于礦山生態(tài)修復調查過程中所需遙感信息的自動快速提取，為下一步構建同類型礦山生態(tài)修復調查快速遙感解譯與信息提取技術體系提供支撐。以冀東鐵礦濃縮池為例（圖1），濃縮池光譜特征較為均一，其幾何形狀為圓形，影像顏色為褐色。提取參數設置如下：亮度值（80＜Brightness＜150）、面積（8 000＜Area＜10 000），鑒于提取量較小，目視解譯輔助調整。

（3）三維景觀模擬技術。通過遙感方式獲取礦山三維數據，建立礦山實景模型，借助三維景觀模擬圖實現對排土場和采石場景象再現（圖2），其中，利用坡度信息可以快速完成對開采面和排土場的區(qū)分、利用變坡點信息可以精確實現對固體廢棄物邊界線的判讀。三維景觀模擬技術［17］不僅提升了礦山生態(tài)修復調查過程中地物研判、識別精準度，還降低了調查期間所需的人力、時間、資金成本，大大提高礦山生態(tài)修復調查工作效率。

綜上，基于礦山生態(tài)修復調查工作的現實需求，系統(tǒng)梳理人機交互解譯技術、面向對象信息提取技術及基于DEM與DOM的三維景觀模擬技術（表1）等方法的工作特點，進一步明確不同調查方法適用地物類型及特征，從而為冀東鐵礦礦山生態(tài)修復調查提供指南。

（4）野外調查驗證。為了進一步補充遙感調查遺漏圖斑、核實解譯標志、檢驗遙感數據信息提取結果可靠性，需要對冀東鐵礦進行野外調查加以驗證。一方面，驗證室內解譯過程中不確定的礦山地物（包括礦山巷道開采面、礦山建筑區(qū)域、固體廢棄物及礦山中轉場地等）分布范圍、具體面積及壓占毀壞的土地類型等。另一方面，驗證室內解譯過程中不確定的地質安全隱患（包括崩塌、滑坡、泥石流）具體位置、分布范圍、規(guī)模、發(fā)育特征、誘發(fā)因素、危害對象。

2.3 調查成果

2.3.1 礦山要素信息提取

根據《礦山生態(tài)修復技術規(guī)范：通則》等有關標準要求，開展冀東鐵礦礦山生態(tài)修復調查，重點對礦山要素進行信息提取，共提取了6種地物類型（圖3），其中，開采面積886 ha、尾礦庫814 ha、排土場1 781 ha、中轉場地506 ha、礦山建筑180 ha、恢復治理區(qū)303 ha，共計4 470 ha，約占工作區(qū)總面積的32.13%，如圖4所示。

2.3.2 礦山地質安全隱患

（1）崩塌。調查發(fā)現，冀東礦山露天采場內共有崩塌6處。其中，西峽口鐵礦露天采場崩塌（圖5）對周邊道路以及工作人員人身安全威脅較大，通過削坡、噴錨、錨桿、錨索等治理方式進行修復（圖6），基本消除原有地質安全隱患，并將其危害程度、影響范圍降至最小。

（2）滑坡。調查發(fā)現，冀東礦山露天采場內共有滑坡5處。受地形地貌、地質構造、地質巖性、水文地質及人類活動綜合因素影響，礦山露天采場內松散堆積物在強降雨的氣候條件下極易引發(fā)滑坡、泥石流等地質災害（圖7）。同時，部分礦山企業(yè)未嚴格按照礦山開采設計與開發(fā)利用方案進行施工，礦山開采技術、生產設備陳舊，無法達到技術、生產設施的建設水平和質量要求，排土場、尾礦庫亂堆、濫放，極易誘發(fā)礦山采場內次生地質災害。

新增地質災害點分布見圖8。

3 結論與討論

基于遙感技術的礦山生態(tài)修復調查，根據調查對象的光譜特征、幾何特征、空間位置等，明確了不同調查方法適用地物類型及特征，實現了對河北省唐山市冀東鐵礦露天采場關鍵要素信息提取，通過野外實地調查驗證，詳細統(tǒng)計了開采面、尾礦庫、排土場、中轉場地、礦山建筑、恢復治理區(qū)等不同地物類型的現狀面積，系統(tǒng)查明了崩塌、滑坡等礦山地質安全隱患的基本情況，調查結果既可作為生產礦山“邊開采、邊治理”的工作依據，也可作為閉坑礦山生態(tài)修復的重要參考。

作為一項以“人機交互解譯技術”“面向對象信息提取技術”“三維景觀模擬技術”等方法手段為主體、以野外調查驗證為輔助的工作協作方式，基于遙感技術的礦山生態(tài)修復調查，不僅兼顧了傳統(tǒng)礦山地質環(huán)境調查的工作特性，而且吸納了礦山環(huán)境遙感監(jiān)測的技術優(yōu)勢；同時，依托遙感技術精度高、速度快的特點，在短時間內即可實現對礦山露天采場內獨立地物與關鍵要素的精準識別、快速提取，輔之野外調查驗證，進而完成對礦山地質安全隱患、土地損毀、生態(tài)退化等現狀摸底。

根據《礦山生態(tài)修復技術規(guī)范第一部分：通則》（報批稿）與《礦山環(huán)境遙感監(jiān)測監(jiān)測規(guī)范》（報批稿）相關要求，以現存調查資料與已有工作成效為基礎，充分發(fā)揮礦山生態(tài)修復調查成果前置作用，合理拓展礦山生態(tài)修復調查成果應用范圍；利用高光譜遙感等高新技術手段，進一步明確礦山亟需破解的地質、生態(tài)問題，完善礦山生態(tài)修復調查監(jiān)測方式，構建礦山生態(tài)修復信息監(jiān)管平臺；結合礦山生態(tài)修復核查結果，科學推進礦山生態(tài)修復工作，分區(qū)分類部署礦山生態(tài)修復項目，有序完成“十四五”歷史遺留礦山生態(tài)修復目標任務。

致 謝感謝中化地質礦山總局地質研究院劉軍省、山東省魯南地質工程勘察院（山東省地勘局第二地質大隊）陳洪年、湖南省核工業(yè)地質局三〇三大隊于輝勝、四川省煤田地質工程勘察設計研究院陳文軍在寫作過程中給予的技術指導。