烏海及周邊地區礦山地質環境空天地一體化監測技術方法研究

張勇　楊春　鮑思宇　賈旭　石偉嘉　趙玉宏

［關鍵詞］烏海及周邊地區；礦山地質環境；空天地一體化監測

烏海及周邊地區地處黃河上游，是“蒙寧陜甘”經濟區的接合部和沿黃經濟帶的重要增長極，是國家“新絲綢之路經濟帶”和呼包銀榆經濟區重要節點。區內煤炭、石灰石、粘土等多種礦產資源富集，是國家重要的煤焦化、氯堿化工基地，密集分布了多個工業園區。區內資源稟賦相近，集群式的企業分布，脆弱的生態環境和干旱少雨風沙大的氣候條件，致使區域性結構性污染突出、交叉污染嚴重、排放疊加效應明顯，一直備受關注。習近平總書記強調：要著力抓好烏海及周邊地區生態環境綜合治理的重要指示，既著眼于黃河流域生態保護和高質量發展，又考慮了內蒙古在國家的生態定位，把烏海及周邊地區生態環境綜合治理上升到了前所未有的高度。為全面掌握礦山地質環境現狀和變化，迫切需要從“空”“天”“地”三個層次開展一體化監測技術方法研究工作。

1. 研究區概況

烏海及周邊地區位于賀蘭山山脈的北端，黃河流域內蒙古段入口處，地處庫布齊沙漠和烏蘭布和沙漠的交匯處。行政區劃分屬烏海市、鄂爾多斯市、阿拉善盟，其中烏海市是主體區域。地區屬于典型的溫帶大陸性氣候，干旱少雨，植被稀疏。

烏海及周邊地區煤炭、石灰巖、耐火粘土、高嶺土礦產資源豐富，集中分布在烏海市與鄂爾多斯市鄂托克旗交界處，總體呈南北向狹長地帶展布。煤炭主要分布在海勃灣區、海南區東部和鄂托克旗棋盤井地區，其中煉焦用煤保有資源儲量占自治區的37%，是全國重要的焦煤主產區。石灰巖主要分布在烏海市西水平臺和呼珠不沁希勒地區以及鄂托克旗和烏海市交界的地區，石灰巖儲量較大、質量好，是全區重要產區之一。截至2020年底，烏海及周邊地區在期礦山共計242家，集中在烏海市和鄂爾多斯市的鄂托克旗，礦山開采規模以小型礦山居多（占比77.69%）；開采方式以露天礦山居多（占比82.23%）；礦種以非金屬礦山居多（占比57.02%），煤礦次之（占比37.60%），金屬礦較少。

煤礦集中區內礦山密度分布，相鄰礦界犬牙交錯，生產布局混亂；露天采坑與滅火工程和采空區治理剝挖坑密集交織分布，采坑不能及時實現內排，造成大量土石方外排壓占土地資源；排土場高陡散亂，存在滑坡、崩塌等地質隱患；相鄰排土場治理模式不一致，整體治理效果不明顯。石灰巖集中區內礦山數量多、規模小，生產布局零亂，礦區環境較差，地形地貌景觀破壞嚴重。

2. 空天地一體化監測技術方法

“空天地一體化”是指基于航天、航空遙感以及地面實時視頻等觀測數據，利用非現場監管方式，應用遙感分析、信息提取、識別監測等技術手段發現目標，達到及時、全面了解目標特征的一種綜合監測方式[1]。

目前，空、天、地獲取數據的方式有很多，但每種手段都有優缺點，如何在礦山監測方面有機高效地集成和利用數據成為一個熱點問題，國內外的很多學者對此做了諸多研究。加拿大研究人員通過地面激光和數字攝影技術獲取阿爾卑斯山露天礦山的高分辨數據，并基于有限差分法模擬評價礦山環境。北京礦山管理部門采用空天地一體化的RTK技術、無人機遙感技術和衛星遙感技術，建立了空天地一體化礦山環境動態監測體系，形成了礦山開采動態監測的相關理論與研究方法，實現了礦山地質災害隱患點三維監測與地質災害演化分析、預防研究。遼寧北票采煤沉陷區采用衛星導航、合成孔徑雷達、無人機攝影測量和地表鉆孔取樣的技術，實現了地表變形多源一體化監測[2]。在江西德興銅礦采用基于物聯網技術和衛星遙感為核心的技術體系監測礦山生態擾動情況，提供了礦區土地利用、植被覆蓋、土地復墾、水土保持等多類數據和多維監控。

3. 監測技術方法的適用性

空天地一體化監測技術方法在獲取本底數據和動態變化數據方面具有較大優勢，尤其是監測目標相對集中的區域。在烏海市與鄂爾多斯鄂托克旗交接處，桌子山和甘德爾山之間南北長約45km、東西平均寬約5km的范圍內密集分布著一百多家礦山企業，礦山地質環境問題極其復雜，傳統單一監測方法遠遠不能滿足礦山地質環境監督管理需求。針對烏海及周邊地區存在的主要地質環境問題，對現有各類技術方法的適用性進行比選和評價，選擇最適合的監測技術方法組合。

利用高分辨率衛星遙感的高質量成像和大區域監測、無人機遙感的高靈活性和立體性以及地面監控的實時性和高精度的特點，構建“空天地一體化”的礦山生態修復治理智能化監測監管體系，有效監測和管控礦山地質環境變化情況，掌握礦區開采、地質環境恢復治理等重點工程進度，為解決區域地質災害隱患，重塑地形地貌景觀，形成“協調統一，整齊有序”的礦區新面貌提供數據支撐，為表征區域礦山地質環境治理成效和綠色礦山建設水平提供技術參考。

4 . 關鍵技術

針對監測區域的特點和監測作用，在烏海及周邊地區有差異地開展礦山地質環境空天地一體化監測研究，監測關鍵技術包括高頻度衛星監測、三維實景監測、在線視頻監測技術和大數據集成分析。

4.1 航天衛星遙感大區域監測。

在3月、6月、9月、12月開展全部礦山的高頻次、高分辨率衛星遙感監測，大尺度范圍內精確提取礦區現狀及礦山變化，對土地利用變化進行動態分析，建立多時相、長序列的礦山地質環境土地利用數據庫。

采用分辨率優于1m的國產高分遙感數據，在完成數據正射校正、數據融合、勻色鑲嵌、數據裁切處理后開展礦區地質環境遙感智能分類。通過對高分辨率遙感影像的自適應融合分析和特征分析，開展多層次特征構建技術和深度學習算法模型研究，實現礦區內采坑、排土（矸）場、工業廣場等礦山地物，以及耕地、林地、草地、水體等主要地表覆蓋類型的智能化分類。通過前后兩期影像對比分析，發現礦區新增、礦區擴張、礦坑加深、排土場復墾等變化情況，結合礦權數據分析采礦合法性，及時發現違規越界采礦行為。

4.2 航空無人機礦區實景三維監測。

在駱駝山滴瀝幫礦區、摩爾溝、卡布其、西來峰白云烏素、公烏素、五虎山、黑龍貴、呼珠不沁希勒等煤炭、石灰巖礦區利用傾斜攝影測量技術獲取分辨率優于0.2m為主體的礦區三維模型和三維實景，實現坡度、高程、高差等地形地貌信息的有效監測，監測間隔為半年，監測時間主要為3～4月、9～10月。上述區域均是礦區面積小、分布密集、形狀不對則，碎片化嚴重的區域，尤其“三權不變”政策造成烏海和鄂爾多斯礦山交織、協調管理難度大的礦山。

采用無人機平臺對集中連片治理區內存在地質災害隱患以及礦山生態修復進度監測需求的區域進行數據采集[3]。利用礦山實景三維傾斜立體數據模型，提取重點采場和排土場的立體地形數據，從三維立體角度更直觀地展示排土場、采坑犬牙交錯和排棄標高不統一的現象；提取采坑和排土場的坡度、頂底高差、礦坑面積、體積、表面積以及采場開采方量和排土場相對高差等幾何信息，真實還原礦山地形地貌情況，掌握礦山開采和治理的進度。

4.3 地面物聯網實時智能監測。

在露天煤礦破壞嚴重區、地質災害易發區和生態修復重點區采用地面視頻監控設備實現全天候礦山實時監測，實時展現礦山開采情況進度；利用GNSS位移計監測礦山高陡邊坡穩定性，預測礦山發生地質災害問題。

采用地面實時視頻智能監測技術，基于移動偵測技術和地物自動識別技術自動識別抓拍運礦車輛和采坑開采情況，緊盯鄂爾多斯西自然保護區外、黃河流域10km范圍內的礦山開采和矸石自燃火點情況，實現礦區遠距離控制和管理。在位于礦山生活區、工業園區、鐵路、公路附近的高風險排土場、采坑邊幫重點布設GNSS位移監測站，實時接收位置信息，當實際值達到閾值后發送預警信息。利用長序列歷史觀測數據分析采坑、排土場邊坡穩定性，為制定安全措施、評價邊坡狀態提供基礎數據。

4.4 大數據集成分析。

在自然資源、能源、生態環境等管理部門建立和部署空天地一體化監測平臺，實現安全開采、生態修復、預警處置、污染防治等實時、可視調度和共享管理。在集成多源、多類的礦山地質環境現狀監測和變化監測成果數據、三維模型與實景視頻影像數據的基礎上，建立以多源數據集成為驅動的礦山生產情況異常、生態治理滯后等問題的主動發現機制，有助于實現重點治理問題的事前、事中、事后的全過程監控[4]。

依托大數據、物聯網、云計算、地理信息等新興技術，基于時空演化模型，集成衛星遙感監測、實景三維模型和地面實時智能監控的空天地一體化的礦山監測平臺，通過構建“狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行”的閉環體系，為實現礦山生態恢復治理監管信息化、智能化、自動化和數字化提供支持[5]。

5. 結語

建立衛星、無人機和地面相結合的“空天地一體化”監測系統，采用航空衛星拍攝和記錄礦山地質環境現狀，作為礦山地質環境“底片”；無人機傾斜攝影測量技術則通過分辨率超過20cm的各種相機，在重點監控區域對衛星發現的變化進行核實和確認；最后通過地面實地監控完成對“應治未治”“越界開采”等違法、違規行為的取證[6]。空天地一體化監測技術方法可以建立多樣的觀測網，具有更高效、更高頻、連續性更強、全方位監測的優勢，有效了解決實地測量困難、數據真實性等問題，是烏海及周邊地區礦山地質環境監測和管理工作的新方法和新方向，在未來的實際應用中將發揮更重要作用。