吉林一號星座數據在內蒙古黃崗梁礦區生態修復遙感監測中的應用

文 | 趙宇恒 王春月 劉思言 徐貴貴 秦磊 于海洋 付璐

長光衛星技術股份有限公司

一、前言

傳統的監督方式以現場調查為主，由于礦區分布廣泛，多在險遠山區，對巡護工作造成了較大困難，消耗了大量人力和物力。隨著遙感技術的發展，礦山監測有了跨時代的進步。目前已有很多工作者基于遙感技術在礦區生態修復監測領域進行了大量研究工作[3-7]。然而現階段遙感監測數據主要為美國陸地衛星系列數據和歐洲哨兵衛星數據，這些數據雖然具有多光譜信息，但是空間分辨率較低，很容易受到混合像元因素的影響，導致結果存在一定誤差。隨著商業遙感衛星的不斷建設，衛星技術蓬勃發展，尤其是吉林一號衛星星座，憑借其高空間分辨率、多光譜觀測能力的優勢廣泛應用于礦區生態各領域遙感監測服務中。

本文基于前人研究基礎，利用亞米級吉林一號星座數據對內蒙古黃崗梁礦區生態修復工作進行監測，同時基于吉林一號星座，多光譜數據對監測區近三年植被覆蓋情況進行統計，用以評估監測區內礦山對植被的破壞程度，為礦山生態修復監測提供數據和精度保障。

二、監測區域與數據源

1．監測區介紹

內蒙古黃崗梁礦區位于黃崗梁國家森林公園內。黃崗梁國家森林公園成立于1996 年8 月，位于內蒙古赤峰市克什克騰旗東北部，公園總規劃面積180 萬平方米。《森林公園管理辦法》明確規定，禁止在森林公園毀林開荒和森林采石、采砂、采土以及其他毀林行為。但是，個別企業在黃崗梁國家森林公園內長期違規開采，大量尾礦和廢石露天堆放，未采取防雨、防揚塵和防流失措施，污染較為突出。礦區四周隨意堆放廢石，未對礦區多處廢石場開展生態修復治理，廢石長期侵占土地，露天堆放，破壞植被，嚴重破壞了森林公園內部生態景觀。

2．數據源介紹

吉林一號星座是長光衛星技術股份有限公司在建的核心工程，工程擬計劃由138 顆涵蓋高分、寬幅和視頻等系列的高性能光學遙感衛星組成。目前，吉林一號在軌衛星數量108 顆，建成了目前全球最大的亞米級商業遙感衛星星座，可對全球任意地點實現每天35 ～37 次重訪，具備全球一年覆蓋3 次、全國一年覆蓋9 次的能力。吉林一號高重訪、分辨率高、幅寬大等優勢可以為礦山開采生態監測提供更加豐富的遙感數據和產品服務。本文使用監測數據為吉林一號星座亞米級空間分辨率的寬幅01A 星數據和吉林一號星座光譜星數據。

吉林一號寬幅01A 星于2020 年1 月15 日發射，該星空間分辨率為0.75m，幅寬136km，具有高空間分辨率、大幅寬的優勢。該數據能夠豐富表達出地物信息，顯著提升礦區地物的解譯精度。

吉林一號光譜星包含光譜01 星和光譜02 星，于2019 年1 月以“一箭雙星”的形式發射，攜帶了多光譜成像儀、短波紅外相機、中波紅外相機、長波紅外相機，可以實現5m 分辨率、110km 幅寬、26 譜段的遙感數據獲取[8]。高空間分辨率多光譜的優勢使其在礦區植被覆蓋度監測中具有較重要的應用價值。

三、監測工作流程與方法

1．技術路線

礦區邊界提取工作中，由于礦區地質環境復雜，地物信息混亂，具有一定的監測難度。目前雖然有較多優秀的礦區提取算法，但其邊界提取效果依然存在較大偏差。考慮礦區邊界分析研究中對邊界的精準性要求較高，因此本文在局部地區礦區生態監測面積分析工作中采用人機交互的解譯方式進行邊界提取。技術路線如圖1 所示。

受到雙冷源新風機組安裝位置的限制，無法安裝制冷系統室外機，只能考慮將排風作為制冷系統的排熱源，而受到房間正壓控制的需要，排風量只有新風量的80%左右，排風不能完全帶走制冷系統的冷凝熱。因此考慮采用蒸發冷卻的方式，在排風量一定的情況下利用水蒸發吸熱的特性加大排風帶走的熱量，滿足機組制冷系統的需求。同時利用機組除濕過程中產生的冷凝水，利用提升泵送至蒸發冷卻器的補水箱，減少蒸發冷卻器的水的補充量。

圖1 礦區生態修復遙感監測技術路線圖

礦區生態修復工作主要表現在地物變化、地表地形地貌變化以及礦區植被變化。因此本文以采礦區內部礦坑、礦石堆以及尾礦庫的變化情況作為生態修復工作開展的監測指標，以植被覆蓋度作為礦區生態修復進展工作的評價指標。其流程如下：

1）首先基于吉林一號星座寬幅星高空間分辨率遙感數據對監測區域內礦區進行提取；

2）利用提取到的礦區邊界對高空間分辨率和多光譜數據進行裁剪；

3）創建礦區地物解譯標志，對礦區內部尾礦庫、礦坑、礦石堆等地物進行提取；

4）利用吉林一號星座光譜星數據對礦區多年植被覆蓋度進行分析；

5）最后基于礦區地物變化及植被覆蓋度變化情況對礦區生態修復狀況進行評價分析。

2．礦山地表解譯標志

現階段基于高空間分辨率遙感數據進行礦區地物解譯工作已十分成熟，文章基于前人大量研究成果，建立礦區主要監測對象的解譯標志[9-10]。解譯標志及樣例展示如圖2 所示。

圖2 礦區地物解譯標志

3．植被覆蓋度分析

植被覆蓋度即植被的葉、莖、枝等在地面垂直投影面積占研究區總面積的百分比，是衡量地表植被狀況的重要指標之一，也是描述生態系統的重要基礎數據，對區域生態系統環境變化具有重要指示作用。植被覆蓋度基于可見光紅波段和近紅外波段，利用歸一化植被指數和像元二分模型進行植被狀況監測[11]。

植被覆蓋度反演結果可依據各像元植被覆蓋度數值進行植被覆蓋等級劃分，劃分標準如表1 所示。

表1 植被覆蓋度等級劃分標準

四、遙感監測應用結果分析

1．礦區生態治理活動監測

基于吉林一號星座寬幅星亞米級空間分辨率可見光遙感數據，對2019—2022 年礦區范圍內的開采區、礦山建筑區、礦石堆放區、尾礦庫、中轉場等目標進行監測并對各目標變化情況進行分析。

通過高空間分辨率吉林一號衛星影像，發現公園內部礦石堆共計6 處，尾礦庫6 處，采區7 處。各區域隨時間變化情況如下：

1）其中礦石堆占地面積37961m2，最大礦堆占地面積1603m2，最小礦堆占地面積460m2。影像中顯示，2021 年4 月19 日6 處礦堆均處于露天堆放狀態，無防塵防雨遮蓋措施，并且長期占地，沒有及時得到清理，督查組報道過后，6 處礦堆均進行了整改。圖3 為黃崗梁鐵礦區內占地面積最大的礦堆隨時間變化情況監測圖。在督查組報到前，該礦堆一直處于無防雨、防塵、防流失的露天堆放狀態，2022 年4 月28 日影像中看到督查組報道后礦區立即進行了整治措施，2022 年6 月1 日完成礦堆清理工作，并已開展土地生態修復工作。

2）黃崗梁礦區內，6 處尾礦庫占地面積1.74×106m2，根據遙感監測圖像可見各尾礦庫隨時間變化情況。編號1、2 區域尾礦庫特征明顯變化，有明顯治理痕跡：2022 年6 月1 日影像顯示，1 號尾礦庫進行土地復墾工作，對原尾礦區進行土地翻新用于后續生態植被恢復工作（圖4），2 號礦區大量施工車輛進行礦堆清理（圖5）。其余尾礦庫以儲水坑塘形式存在，沒有明顯的變化痕跡，其中4 號尾礦庫坑塘有向東北擴張趨勢。

圖3 礦石堆變化情況

圖5 2 號尾礦庫變化情況

3）截至2022 年4 月，黃崗梁國家森林公園內共分布7 處露天采區，總占地面積為8.5×105m2，根據遙感監測圖像可見各采區隨時間變化情況。其中7 號采區已完成回填和土地復墾工作，目前處于植被恢復階段。1—6 號采區為長期開采遺留的礦坑區域，2022 年4 月28 日影像顯示，這些礦區未采取回填治理，由6月1 日影像中可看出，大部分礦坑均已經完成回填工作（圖6），6 號礦坑治理速度較慢，并有開采跡象。

圖6 1 號采區變化情況

2．礦區植被覆蓋度監測

為評估黃崗梁礦區周邊生態狀況，對礦區建立1000m 緩沖區，并基于2019 年、2021 年以及2022 年6 月的吉林一號星座多光譜遙感數據對緩沖區范圍內植被覆蓋情況進行評價分析。各年植被覆蓋度分級如圖7 所示。圖中紅色區域表示裸土區域、綠色區域表示高植被覆蓋區域。

圖7 黃崗梁礦區植被覆蓋度分級圖

由植被覆蓋度數均值和標準差變化曲線（圖8）可知，2019—2022 年礦區植被覆蓋度均值由0.5 下降為0.3，標準差值基本維持在0.3，整個區域植被覆蓋度分布穩定，但是整體呈現覆蓋度降低趨勢。

圖8 2019、2021、2022 年植被覆蓋度均值和標準差變化曲線

針對礦區植被覆蓋度均值逐年降低的現象，對各等級植被覆蓋度區域進行面積統計，結果如表2 所示。

表2 各年份植被覆蓋度面積變化情況km2

從表中數據可知，2022 年裸土區域、低植被覆蓋區域以及高植被覆蓋區域面積數值較2019 年變動較大：裸土面增長8.25km2；低植被覆蓋區域減少2.77km2；高植被覆蓋區域減少4.46km2。中植被覆蓋區域面積變化相對較小，較2019 年減少1.02km2。2019—2022 年礦區周邊植被覆蓋情況呈現下降趨勢，裸土面積不斷上漲，主要因素包含以下兩點：1）礦區長期暴露，無防護措施，導致周邊水土持續流失。土壤營養成分遭到破壞，土壤荒漠化嚴重，進一步阻礙了植被恢復。2）2022年6 月礦區治理工作力度加大，大量的施工車輛和設施用于礦區回填治理工作中，勢必對草原造成一定程度破壞，也會造成礦區周邊植被覆蓋情況變差。

五、結論與展望

本文基于三期吉林一號星座寬幅01 星和光譜星遙感影像對黃崗梁公園內部歷史遺留礦區生態修復工作進行監測分析，結果表明，具有高空間分辨率、多光譜信息的吉林一號星座數據在礦區生態修復監測分析應用服務中有較大優勢，能夠為礦區生態修復監測提供數據保障和分析依據。

吉林一號星座憑借高空間分辨率、多光譜、大幅寬以及高重訪次數等優勢，為礦區生態遙感監測服務領域提供了更高質量的數據保障，但由于礦區環境的復雜性和特殊性，目前礦區生態監測服務還需要人工介入，后續會進一步加強相關智能解譯算法建設。此外為滿足各地方監管需求，會加強智能監管平臺建設，提升礦區生態修復監管的智能化和便捷度。