基于國產高分遙感數據的礦山環境監測系統研究

張華平，王增輝，謝頌詩，馬麗新，張貴麗，汪潔，馬瑜宏，郝興中，智云寶，曾慶斌

(1．山東省地質調查院，山東 濟南 250014；2．中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

礦產資源是我國經濟和社會發展的重要物質基礎，未來中國經濟將會持續穩定發展，對礦產品需求將保持一定增速，國內礦產品供應壓力增大，礦產資源供需形勢不容樂觀[1]。黨的十九大將生態文明建設提升到前所未有的新高度，其中，礦業開發秩序的維護、礦山環境的保護修復是推進生態文明和美麗中國建設的重要組成部分。堅持節約資源和保護環境的基本國策，建立反映資源消耗、環境損害、環境恢復和生態保護等礦產資源開發環境全流程的監測體系，開展礦產資源開發環境全要素全天候監測，一直是國家礦政管理的重要需求[2-3]。

利用遙感技術可以快速的、大范圍、全面的獲取地表信息。隨著遙感技術全面快速的發展，衛星數據的分辨率越來越高，且獲取同一區域數據的能力越來越強，以國產高分辨率衛星遙感數據為基礎，建立礦產資源開發動態監測系統已經成為一個現實[4]。本文從遙感技術可以監測的礦產資源開發環境問題入手，闡述動態監測的系統結構，著重介紹該系統中幾個重要的環節和一些常用的處理方法，通過該系統的建設可以實現礦產資源開發的主動式管理，推動礦山生態環境保護，促進礦業可持續發展。

1 監測主要內容

利用遙感技術，開展山東省礦產資源開發狀況和礦山環境遙感地質解譯、礦山環境問題地區環境監測，初步查明礦產資源開發狀況及引起的礦山環境問題。

1．1 礦產資源的違規開采

結合實際工作發現實際違規開采的形式主要有無證開采、越界開采、超期開采和采礦與礦權證不一致4種類型[5]，以無證開采最為突出，主要表現在一些小規模的礦山上。例如，砂石料價格居高不下，導致采石、砂等違法較為突出，其特點是采礦進入門檻低，采礦點不固定。

1．2 礦產資源開發產生的生態環境問題

礦產資源開發本身可能產生一系列的生態環境問題。主要有以下幾個方面：首先，露天礦產的開采會破壞地表，礦產品的堆放也會大量占地，地下開采可能會引起地面塌陷、水土流失等[6]；其次，礦山生產過程產生較多污水，未加處理直接排放，可能污染到礦區周邊地表及淺層地下水[7]；最后，礦產開發礦渣、尾礦及生產過程中的污水存儲及處理方式可能存在安全隱患，可能產生次生地質災害，造成泥石流、滑坡和崩塌等。如2010紫金山銅礦濕法廠污水滲漏事故，污染周邊的環境，給當地帶來了重大的經濟損失[8]。

1．3 礦產資源開發規劃執行情況監測

主要包含2個部分，一個是礦產開發規劃執行情況監測，即監測礦產開采情況和礦產開發規劃內容是否一致；另一個是礦山生態環境情況。

總之，地表開展的、地下開采但是在地表有附屬設施能反映地下開采情況的，均能通過衛星數據獲取的相關信息進行監測。

2 礦產資源開發動態監測流程

礦產資源開發動態監測是一個系統的工程。是以初次利用遙感手段進行監測作為起點，建立一個礦產資源基礎信息系統，其中包含礦權信息、礦產規劃信息、礦山開發現狀及環境信息等礦山相關信息，然后每隔一定周期，根據更新的高分辨率遙感影像進行礦山開發動態信息的提取并進行相關調查，最后形成一個動態的監測系統。

按照遙感動態監測的一般工作流程、結合礦產資源開發遙感監測的實際情況并參考了大量礦山資源遙感監測相關研究[9-14]，擬定了礦產資源開發動態監測的流程圖(圖1)，該流程有一定的代表性和可操作性，各個不同的工作區可能會因為具體不同的情況而做適當的調整。流程描述了一次完整的礦產資源開發遙感監測過程，實現動態監測還需要定期在該基礎上更新影像、礦權等資料，重復該過程。

圖1 礦產資源開發環境監測流程圖

3 資料的收集及預處理

3．1 遙感數據空間分辨率與調查精度

遙感影像數據是整個監測工作基礎，其質量的好壞以及空間分辨率的高低直接影響到監測的精度和效果。遙感影像數據空間分辨率越高越有利于監測工作，但其購置費用也高，常態的礦產資源開發動態監測需要在監測質量和監測成本之間找到一個合適的平衡點。因此，首先應該對工作區的礦產開發及分布現狀進行初步的研究，根據礦產分布的密度、礦產的種類和開采的方式等綜合因素確定整個調查區不同區域的遙感監測的調查精度。

遙感影像數據的空間分辨率與礦產資源監測精度存在著對應的關系，王曉紅等[6]對高分辨率衛星數據的分辨率與遙感礦山開發狀況及環境監測的調查比例尺的關系做了較為深入的研究(表1)，是現階段礦產資源遙感監測的主流數據源與調查比例尺之間的對應關系。對于其他高分衛星獲取的遙感數據在礦產遙感監測能達到的精度，亦可依據此表進行推斷。

表1 最佳及最大成圖比例尺[15-16]

3．2 非遙感數據預處理及用途

(1)礦權資料。目前礦權資料已經完成80坐標向2000坐標的轉換，但仍然是三度帶，需要將該坐標轉換到遙感監測坐標系統下來，這需要根據實際調查區的范圍來確定。山東省經度在115°～123°之間，跨2個六度帶，最終的全省的監測系統應該統一到經緯度上。礦權資料的主要作用是，將礦權和遙感影像套和，來判斷礦產開發的合法性。

(2)礦產規劃及相關礦山環境綜合治理資料。主要包括調查區最新的礦產規劃資料、礦山環境綜合治理資料、礦山地質背景資料等，資料可能因為提交時間和單位的不同坐標系統可能存在差異，需要統一到監測系統下。規劃資料的作用組要在對比現狀開發，檢查礦產規劃執行的情況，礦山環境綜合治理資料主要作用在于礦山環境治理及恢復情況。

(3)地形圖、DEM數據。一般區域1∶5萬、重點區域1∶1萬地形圖(能收集到精度較高的帶地理坐標的影像或航片更好)以及DEM數據。將地形圖經掃描和幾何糾正后形成柵格數據集(DRG)，主要用于采集地面控制點(GCP)與數字高程模型(DEM)數據配合對高分遙感數據進行幾何精校正。

3．3 遙感數據的預處理

遙感數據的預處理主要包括遙感影像幾何糾正、波段組合、數據融合、鑲嵌以及增強等，處理技術目前已較為成型，不細敘述，注意一下幾個技術要求。幾何糾正中平原、丘陵地區中誤差值不超過0.5mm，山區不超過0.75mm[17]；影像融合采用彩色合成(Pansharp)法和正交化變換(Gram-schmidt)法[18-19]；合理的拼接線也有助于影像鑲嵌的效果，擬合中誤差控制在1個像元左右[20]；可以根據工區的實際情況，利用反差和邊緣增強、彩色增強等方法增強影像上的礦山地物信息。

4 信息提取及驗證

礦產遙感監測的信息提取主要有以下幾個步驟：建立解譯標志、礦產圖斑自動提取、結合相關資料判斷圖斑的屬性、各種信息的輸入及外業圖件的輸出以及圖斑信息的外業驗證。

4．1 礦山解譯標志的建立

不同的礦種因其獨特的屬性以及開采、加工及尾礦處理等方式的差異，在影像上有其獨特的影像特征(圖2)。

圖2 山東省主要礦山解譯標志影像圖

金礦：露天礦色調灰白色，多數可見豎井建筑，礦山建筑、運輸車輛密等與礦規模相對應，少量硐采；周邊一般有選礦廠、選礦池，有少量礦石堆。

飾面用花崗巖：露天開采，開采面色調為灰白色，開采面規則，有階梯狀，局部有陰影或積水，開采面周邊有礦產品；礦區道路清晰，道路連接周邊有加工場、料場及工棚等，一般多個采坑連續分布。

鐵礦：露天采礦色調為灰黑色，顏色采坑部位深周邊淺，呈與礦脈一致條帶狀分布，礦坑影像清晰，呈階梯狀，有大車路進入礦區，連接周邊的選礦場、尾礦庫等。亦有井采，地表建筑物簡單，井一般不大，多為比較孤立的小院。

煤礦：山東境內全部為地下開采，礦井有一定高度，易識別，礦區有規則圍墻和一些辦公樓及相關設施，礦井與煤堆之間一般有運輸軌道連接礦井；礦井附近一般有煤堆(色調為黑色)、煤矸石堆等，部分煤礦采區有連片塌陷。

塌陷：顏色較周邊深，土地利用類型異于周邊，影文模糊與周邊影像有明顯的過渡區；常伴積水或深坑，常分布在煤礦采礦區。

建筑石料用灰巖：露天開采，色調較淺，呈灰白色，形狀不規則，比較集中，內部通達的道路亮度明顯高于周邊，道路連接開采面、加工場和石料堆。

4．2 影像的解譯

自動解譯：以建立的解譯標志為基礎，通過遙感軟件自動解譯，可以快速地找到礦區位置，提高工作效率，對于大范圍的礦山開發動態監測是一種有效的工作手段。但是自動解譯也存在一些問題，比如不能自動確定細的礦種，因為有些礦有著相似的影像特征；不能明確開發狀態，可能會將一些廢棄的圈出來；還可能將一些非礦山活動圈出，如建筑工地、農田整理等。

人工判讀：在自動解譯的基礎上，根據圖斑地物的綜合影像特征，并結合相關資料如礦權資料、以往調查資料、歷年遙感圖像，對圖斑的礦種、開發狀態、礦山環境問題等進行判斷，并形成解譯成果。

4．3 信息的錄入輸出及外業圖件的制作

通過GIS軟件定義適當的屬性結構，將信息輸入其中。具體信息包括各種收集的資料(礦權資料、規劃資料、以往的監測成果等等)、解譯成果(礦山的開發狀況、礦種、開發規模等)、收集的相關礦權、規劃等資料綜合分析，并形成“遙感影像-解譯圖斑-信息庫”一體的礦山環境監測系統。通過系統輸出解譯圖、表，備野外調查驗證使用。

4．4 實地調查及信息的完善

實地調查目的是驗證室內解譯信息的正確性，確保解譯成果正確。實地調查原則是對解譯有疑問的圖斑，做到100%實地調查；疑似違法圖斑100%檢查；其他解譯圖斑按照解譯種類分類，各種類型按照不低于總量5%的圖斑進行抽查。調查時對每個觀察點均應按照解譯圖斑編號，并進行拍照，填寫野外記錄表。調查后應及時完善解譯數據庫。

5 動態監測系統建設與利用

5．1 GCPs及對應遙感圖像庫的建立

遙感圖像的糾正是整個工作的基礎，十分重要，工作量也較大。地面控制點的采集主要有3個途徑：一是地形圖；二是有地理坐標的遙感圖像；三是明顯地物實地測繪，以有地理坐標的遙感圖像進行校正是最簡單易行的。動態監測持續的過程，為了減輕后期處理數據重復的工作，同時減少影像局部相對形變，建立GCPs庫、利用同一套控制系統來糾正多期影像，就顯得十分的必要[20]。

GCPs庫有以下幾個特點：能夠滿足糾正精度要求；控制點明顯，容易找到；控制點地物相對固定，且受外界干擾變化小；分布相對均勻、全面；個別控制點不能利用后及時補充。建立好GCPs庫后只需要打開控制點文件更新實際值即可，理論坐標不需要重新采集，可以大大降低工作的強度，提高工作效率。

5．2 解譯信息庫向智能發展

監測系統后期的解譯圖斑繼承前一期次解譯成果的屬性，變化部分繼承相關圖斑屬性，及時對該實施人工判讀完善新期次監測成果。

監測系統逐步實現大數據分析功能和預警功能。實現疑似違規礦山開發信息智能報告，對地質環境變化進行預警等。

5．3 綜合分析

以縣、市為單位，進行監測結果的分析。分析的主要內容包括礦產資源開發狀況、礦產資源規劃執行和礦山環境評價3個方面：一是礦產資源的開采是否合法，包括是否有證開采、是否越界等；二是礦產資源活動是否符合礦產資源規劃，禁采區、生態保護紅線內是否有礦業活動；三是礦山環境分析，礦山開采是否符合綠色礦山要求，是否造成塌陷、滑坡等災害，尾礦庫是否存在安全隱患等。

5．4 技術成果推廣利用

一輪監測完成后在第一時間將整理好成果向主管部門匯報，監測成果包括監測的時間、地點、存在的問題及解決問題的建議4個要素。時間主要指過去違法違規發生的時間或潛在危害將要發生的時間，地點指的是具體坐標位置，存在的問題指市違法違規采礦、潛在地質危害等，建議是指研究如違規開采現象、礦山開發引起環境問題等發展的趨勢和規律后提出相關整治建議。

6 結語

基于國產高分遙感數據的礦山環境監測系統已經初步建立，礦山遙感監測標準化技術方法體系已形成，根據多時相影像的對比，掌握礦山開發狀況、礦山環境現狀及動態變化，為礦業開發秩序的維護、礦山環境的保護修復提供了有力的技術支撐。

隨著國產高分衛星、遙感技術和計算機技術發展，統籌運用人工智能、物聯感知等，未來礦山環境監測系統將提升“視覺”和“觸覺”，實現動態監測、智能分析、及時預警等一體化智能監測系統，在推進生態文明建設發揮出更大作用。