“空—天—地”一體化的礦山地質環境動態監測研究

［關鍵詞］礦山地質環境；“空—天—地”一體化；動態監測；治理恢復；違法圖斑

隨著我國進入新時代的發展，“生態發展”逐步成為我國經濟社會發展中的基礎，綠色漸漸成為新的發展底色[1]。貴州省作為我國礦產資源大省，礦產資源豐富，礦山的開采項目極多，給政府帶來經濟效益的同時，也對礦山的地質環境造成了巨大的破壞。礦山開采存在如下問題，一是礦山開采后的廢棄地未得到及時的治理和復墾，導致地面沉降和土壤侵蝕；二是開采活動中的大量廢水、廢渣未經處理直接排放，污染了周圍的水資源；三是大量礦山開采導致的森林破壞，破壞了生態平衡，對周邊的生態環境造成不可逆的影響。因此，為實現礦產資源開發利用與礦山地質環境保護修復協調統一的新格局，需構建一個全覆蓋、全時段、全要素的礦山地質環境保護、治理和恢復“空—天—地”一體化的監測體系[2]。本文根據《自然資源部辦公廳關于開展長江經濟帶廢棄露天礦山生態修復工作的通知》（自然資辦發〔2019〕33號）《關于加強有責任主體礦山地質環境治理恢復的通知》等文件，充分利用衛星遙感、無人機航飛、視頻監控等當前先進監測手段，采用“實時監測、動態分析、主動填報”的監測機制，對貴州省的礦山地質環境保護、治理和恢復進行常態化、精準化、智慧化監測，解決傳統礦山地質環境監測難、效率低以及周期長等問題[3]；采用“長、中、短”的監測周期，對全省礦山企業的礦山地質環境進行全域覆蓋、部分覆蓋以及重點覆蓋的動態監測。在此基礎上，設計并開發了礦山地質環境監測平臺，一方面實現對礦山地質環境違法圖斑的采集、處理、核實、展示、查詢、統計和分析；另一方面實現礦產地質環境治理恢復過程的全周期監管，極大提高了地質環境監測水平，全面掌控礦山企業履行礦山地質環境治理恢復的變化情況。

1. 總體設計

1.1 設計思路

礦山地質環境動態監測研究的設計思路有如下幾方面內容：

（1）根據礦山地質環境保護、治理和恢復的文件要求，利用先進的監測手段和技術，構建“空—天—地”一體化的常態化、動態化的監測體系。首先在全省大范圍內對礦山區域采用每3個月一次的衛星遙感影像進行監測，快速獲取礦山地質環境違法圖斑；其次在小范圍內對礦山地質環境違法圖斑的治理恢復過程采用無人機不定期地采集全景影像進行監測；最后對無法識別的、無法核實的礦山地質環境疑似違法圖斑，需人工現場利用移動端App 進行巡查并填報，形成相應的監測數據。

（2）構建礦山地質環境監測數據庫，包括地理信息數據、礦山資源專題數據、礦山地質環境違法圖斑數據、礦山地質環境監測數據以及運維數據等，為平臺的建設提供翔實、準確的數據支撐。

（3）對“空—天—地”一體化的礦山地質環境動態監測流程進行設計，并利用Web GIS軟件系統進行平臺開發，構建礦山地質環境監測平臺，實現礦山地質環境違法圖斑的采集、處理、治理到恢復的全周期管理，并為礦山地質環境治理恢復的監管和評估工作提供科學依據和技術支撐。

1.2“空—天—地”一體化礦山地質環境動態監測工作流程設計

根據礦山地質環境保護、治理和恢復動態監測工作要求，采用先進監測技術，對傳統礦產地質環境監測方式進行優化并對工作流程重新設計。“空—天—地”一體化礦山地質環境治理恢復動態監測工作流程設計如圖1所示。

（1）準備階段。礦產地質環境動態監測工作開展之前，須制定監測方案和數據的收集整理方案。制定監測方案主要包括監測計劃、標準、技術路線的確定。數據收集整理方案是對衛星遙感影像、無人機航飛數據、視頻監控數據、基礎地理信息數據和礦山地質環境數據等。

（2）數據處理階段。第一，數據預處理，主要包括影像數據預處理、地理信息數據預處理、礦山地質環境數據預處理等。其次，根據解譯資料的采集、先驗知識的積累，以礦山地質環境要素的時間、空間、光譜特征為基礎，采用人工交互目視解譯、計算機自動發現等的方法，發現對地質環境變化區域，并對這些變化區域進行甄別和偽變化清除[4]。第三，將據礦山規劃信息、礦山審批信息與變化區域進行套合比較，判斷其是否為違法，如果是，則將該區域繪制成違法圖斑。最后，通過外業核實、內業質量控制的方式，確定為礦山地質環境違法圖斑。

（3）平臺建設階段。對地理信息、礦山資源、礦山地質環境、違法圖斑等數據進行入庫，通過平臺一方面實現違法圖斑數據的展示、查詢、統計、分析；另一方面對違法圖斑治理恢復過程進行全天候、全要素的動態監管。

1.3 框架設計

礦山地質環境監測平臺基于SOA（面向服務）架構，采用分層式架構進行設計，整個平臺架構包括設施層、數據層、服務層、應用層和用戶層。平臺架構設計如圖2所示。

設施層為平臺運行提供基礎設施支撐，包括計算資源、存儲資源、網絡資源等。數據層為平臺運行提供數據支撐，通過數據收集、處理、調用等多種方式，構建礦山地質環境監測數據庫，包括地理信息數據庫、礦山資源專題數據庫、礦山地質環境監測數據庫以及違法圖斑數據庫等。服務層為平臺應用提供通用服務和專題服務，包括資源目錄服務、地圖服務、圖斑提取服務、圖斑監測服務等[5]。應用層為用戶層提供操作窗口，包括違法圖斑展示、采集、查詢、統計和分析，地質環境治理恢復監管等功能模塊。用戶層是平臺應用人員，包括管理人員、監測人員、巡查人員等。

2. 關鍵技術

2.1 衛星遙感影像監測技術

對礦山地質環境大范圍、定期監測采用衛星遙感影像監測技術，是利用多源多時相的高分一號、高分二號、Geoeye等衛星遙感影像，通過影像數據的前后時相對比，采集礦山地質環境發生變化的圖斑，并對圖斑進行分析和解譯[6]，一方面用來發現新的礦山地質環境違法圖斑數據，如到期采礦權違規開采違法圖斑、關閉礦山非法開采違法圖斑等，另一方面提取違法圖斑治理恢復區域地表變化，通過治理前后對比，對礦山地質環境治理恢復情況進行核實。衛星遙感影像監測技術具有監測范圍廣、周期長、成果直觀等優點，具體技術流程設計如圖3所示。

2.2 全景影像監測技術

對礦山地質環境小范圍、不定期監測采用全景影像監測技術，是一種全新的實景信息記錄手段技術，是利用無人機掛載云臺相機鏡頭，在50～200 m低開懸停，對礦山小范圍重點區域進行全景照片的采集，能夠快速獲取影像數據，實現對該區域的礦山地質環境治理恢復情況進行精準、動態監測，具有監測周期短、獲取速度快、成本低等優點[7]，具體技術流程設計如圖4所示。

2.3 巡查填報監測技術

對礦山地質環境無法識別、無法核實的變化圖斑采用巡查填報監測技術，是利用移動互聯技術，通過搭建蘋果端和安卓端移動巡查App，到達礦山現場，對變化圖斑空間位置進行現場核實、現場填報巡查記錄表、上傳現場照片和視頻等多媒體數據等，在此基礎上，還可以自動入庫和動態分析[8]。巡查填報監測技術具有實時監測、快速響應、成果豐富等優點，具體技術流程設計如圖5所示。

3. 系統實現

3.1 違法圖斑采集

礦山地質環境違法圖斑采集是利用衛星遙感影像監測技術定期獲取影像數據，并通過多時相影像比對獲取礦山地質環境變化區域，通過計算機自動或人工目視的方法對變化區域進行判讀、提取和驗證，對無法識別的變化區域采用人工巡查進行判讀，當判定為違法區域，則對違法區域四至進行繪制，形成為違法圖斑[9]。

3.2 違法圖斑展示

礦山地質環境違法圖斑展示是基于電子地圖、影像圖以及礦山地質環境專題圖等，疊加違法圖斑數據，實現違法圖斑時間軸展示和圖文展示。時間軸展示是利用多年的影像數據，按照月份制作成時間軸，以動畫的形式直觀展現違法圖斑的礦山地質環境的變化過程；圖文展示是在地圖上點選違法圖斑數據，便可以顯示該圖斑的屬性信息、實地照片信息以及處置的文檔資料等。在此基礎上，還提供展示的輔助工具，如卷簾工具、量算工具、標注工具等。

3.3 違法圖斑查詢、統計分析

礦山地質環境違法圖斑查詢、統計分析是對礦山地質環境違法圖斑的空間分布進行查詢和統計分析，從而發現規律和得出結論，為礦產地質環境保護、治理和恢復工作提供決策。

空間查詢提供行政區劃查詢、勾畫興趣區域查詢以及空間和屬性組合查詢等多種方式，能夠根據用戶查詢的需求，將查詢結果以列表的形式進行展示，點擊列表查詢結果，能夠在地圖上進行定位且高亮顯示。空間統計分析以是GIS空間分析為基礎，實現對違法圖斑的位置、類型、破壞面積、涉事單位等信息進行統計分析，統計分析結果以各種圖表的方式進行展示，還可以根據需要，輸出統計報表[10]。

3.4 地質環境治理恢復監管

地質環境恢復治理監管實現了礦山地質環境違法圖斑從發現、核實、治理到恢復全過程的持續跟蹤和監督管理。平臺在地圖上通過不同顏色來標記違法圖斑治理恢復的階段，如，黃色代表違法圖斑發現；紅色代表違法圖斑核實；藍色代表違法圖斑治理中；綠色代表違法圖斑恢復完畢。同時，處置到每個階段，都需填寫相應的屬性信息和上傳相應的附件信息，如，當違法圖斑的地質環境恢復完畢后，須填寫生態修復結案表以及上傳恢復完畢的影像資料等，確保地質環境治理恢復真實有效。

4. 結論

本文根據礦山地質環境保護、治理和恢復的文件要求，開展了基于“空—天—地”一體化的礦山地質環境動態監測研究，取得了如下成果：一是利用先進的監測手段和技術，構建“空—天—地”一體化的常態化、動態化的監測體系；二是探討了“空—天—地”一體化礦山地質環境動態監測工作流程；三是搭建了礦山地質環境監測平臺，實現了違法圖斑展示、采集、查詢、統計和分析，地質環境治理恢復監管等功能模塊；四是詳細介紹“空—天—地”一體化礦山地質環境動態監測體系的衛星遙感監測技術、全景影像監測技術以及巡查填報監測技術三大關鍵技術。下一步，平臺將豐富數據資源和完善功能模塊，如：增加礦山的BIM模型、完善移動端App功能，全方位提升礦山地質環境治理恢復監管能力和技術水平。