基于遙感技術的礦山地質環境監測實踐

摘要：礦產資源是自然資源的重要組成部分，其開發過程不可避免會對生態環境、地質環境產生擾動，適時對礦山地貌景觀破壞、土地資源損毀進行監測，日趨成為科學推進礦山生態修復的重要任務之一。本文采用遙感技術對湖北省重點礦山地質環境進行調查與監測，探究湖北省礦業開采的地貌景觀破壞和土地資源損毀趨勢，構建面向礦山地質環境問題的快速監測體系和應用模式，為礦產資源合理開發利用、礦山地質環境保護與治理提供數據支撐。

關鍵詞：礦山地質環境；遙感解譯；動態監測；礦山生態修復

中圖分類號：TP79；TD167 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-08

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.034

Practice of Mine Geological Environment Monitoring Based on Remote Sensing Technology

ZENG Wenhao1，2， NING Di1， LIU Guowei1，3

（1. China Institute of Geo-Environment Monitoring， Beijing 100081， China; 2. Emergency Surveying and Mapping Support Center， Hubei Provincial Department of Natural Resources， Wuhan 430074， China; 3. Key Laboratory of Mine Ecological Effects and Systematic Restoration， Ministry of Natural Resources， Beijing 100081， China）

Abstract： Mineral resources are an important component of natural resources， and their development process inevitably causes disturbances to the ecological and geological environment， and timely monitoring of mining landscape damage and land resource damage has become one of the important tasks for scientifically promoting ecological restoration in mines. This paper uses remote sensing technology to investigate and monitor the geological environment of key mines in Hubei Province， and explores the trend of landscape damage and land resource damage caused by mining in Hubei Province， and constructs a rapid monitoring system and application mode for mining geological environment problems， thus providing data support for the rational development and utilization of mineral resources， as well as the protection and treatment of mining geological environment.

Keywords： mine geological environment; remote sensing interpretation; dynamic monitoring; mine ecological restoration

湖北省地處長江經濟帶，位于長江流域的重要位置，是我國中部地區重要的礦產資源開發區，是全國重要的磷化工和鋼鐵基地[1]，擁有3 500多年的采礦史，是華夏青銅文化的重要發祥地之一。湖北省已發現礦產資源150余種，其中已查明資源儲量的礦產有91種，磷、鋰、鹽等56種礦產保有資源儲量居全國前10位。礦產資源開發不可避免地會引發礦山地質環境問題[2-6]。本文利用國產高分辨率衛星數據，以遙感調查和實地調查相結合的方式[7-8]，對湖北省重點礦山進行地質環境監測，進一步掌握全省重點礦山地質環境現狀與動態變化[9-10]，這對礦山恢復和環境治理具有重要意義[11-16]。

1 礦山地質環境問題類型

礦山地質環境問題是指礦產資源開采活動造成的地貌景觀破壞、土地損毀等現象[17]。礦山主要開采方式有3種，即露天開采、井下開采、露天和井下協同開采，礦床規模、賦存形態、地質環境條件決定礦山開采加工方式，不同的采礦方式造成的礦山地質環境問題具有差異性[18-22]。在湖北省重點礦區地質環境問題中，地貌景觀破壞問題主要為露天采場挖損破壞、冶煉廠等占用破壞、廢石渣堆及煤矸石堆等堆積破壞等；土地損毀問題主要為挖損破壞、壓占破壞、地質災害影響及土壤污染等[23-25]。挖損型及壓占型地貌景觀破壞與挖損、壓占型土地資源損毀常常伴

生[26-32]，例如，露天采場、廢石渣堆、煤矸石堆、尾礦庫等既是地貌景觀破壞的表現形式，也是土地資源損毀的表現形式；在進一步劃分上，二者也具有共性，若露天采場為挖損型地貌景觀破壞，則它同時也是挖損型土地資源損毀，廢石渣堆、煤矸石堆、尾礦庫等是堆積型地貌景觀破壞，則它同時也是壓占型土地資源損毀[33-38]。

2 礦山地質環境監測內容

本次遙感監測是將地貌景觀破壞及土地資源損毀的遙感監測要素解譯為露天采場（采礦場）、中轉場地（選礦廠、冶煉廠、煤堆、礦石堆等）和固體廢棄物（廢石渣堆、煤矸石堆、排土場、尾礦庫）等（見表1）主要形式[28-35]，比照往年的監測數據和多時相遙感衛星影像，判斷其恢復治理情況和效果[36-38]。

3 遙感技術在礦山地質環境監測中的應用

根據《礦山生態修復技術規范 第1部分：通則》（TD/T 1070.1—2022）、《礦山地質環境監測技術規程》（DZ/T 0287—2015）等相關規范要求，以工作區最新采礦權、土地利用現狀、礦山地質環境、礦山地質環境恢復治理工程及動態監測成果等資料為基礎[39-40]，采用最新時相遙感數據與其他多源數據相結合、人機交互解譯相結合、數據庫建設、實地核查與室內綜合研究相結合的技術方法[41-49]，完成2021年度重點礦區礦山地質環境遙感監測工作。遙感監測技術路線如圖1所示。

3.1 遙感數據獲取

根據監測技術要求，1∶10 000比例尺的礦山地質環境監測需要使用1 m分辨率的衛星影像數據。本次遙感監測以高分二號衛星遙感數據作為主要數據源，輔以高分七號衛星和高分一號衛星等數據作為補充。

3.2 遙感影像預處理

遙感監測需要將高分二號衛星遙感影像數據進行預處理，包括正射校正、投影變換、勻光勻色和裁剪鑲嵌等操作，制作成遙感影像底圖，將搜集的最新礦山點信息及往年遙感監測解譯成果展繪到本年度遙感影像底圖上。由于大氣、光照等因素的影響，遙感原始影像在獲取過程中會產生不同程度的幾何畸變與輻射形變，需要進行預處理，即糾正遙感影像在獲取過程中產生的變形、扭曲模糊和噪聲等。因此，高分辨率影像需要進行輻射定標、大氣校正、正射校正及融合等預處理，如圖2所示。

3.3 建立解譯標志

選取遙感影像解譯有代表性的礦山開采點作為野外踏勘對象，根據影像資料和收集的水域、道路、居民點等地理資料選擇合適的踏勘路線，通過野外踏勘建立各種礦山地質環境問題的解譯標志。其一，地物類型可分為露天采場、中轉場地、固體廢棄物；其二，圖斑類型可分為無明顯恢復治理類圖斑、恢復治理類圖斑。

3.3.1 地物類型

露天采場主要分布在離城鎮較遠的山區，開采礦種主要為鋁土礦、水泥用或建筑用灰巖礦、耐火黏土、金銀鉬礦、鐵礦等?？梢婇_采面或采坑，采場的開采面物質成分以礦產采掘剝離的泥土為主，部分夾雜巖石，因此影像色調以白色或黃色為主，且開采面地表植被一般已被剝離、剔除，影像邊界清晰，如圖3所示。

中轉場地主要作用為礦石精選和中轉礦石、礦采原料加工等，一般分布在有利于礦石原材料加工和成品礦石運輸的交通比較便利的區域，多位于城鎮附近。選礦廠多位于地勢平坦處或沿山坡階梯式排列，多見于露天采場外圍，有小路通往，在影像上可見選礦機械設備、冶煉加工設備、水泥倉、煙囪、礦采物堆積等標識物，形狀不規則，具有灰白色影像特征，如圖4所示。

固體廢棄物包括礦堆、排土場、煤矸石堆、廢石渣堆、尾礦庫等堆積物。存放堆積物的場地屬于礦山活動附屬用地，形狀似長條狀、圓形或半圓形，以錐狀堆積，植被稀少，色調呈灰白色、深灰色以及土黃色等，大部分位于礦采區域附近，識別度較高。固體廢棄物影像特征明顯，頂部或表層常見廢石渣、煤矸石堆放或散落鋪蓋，也可見粒徑較大的碎石土塊，有較規則邊界范圍土地平整、積水跡象，如圖5、圖6所示。

3.3.2 圖斑類型

無明顯恢復治理類圖斑在影像上主要表現為圖斑范圍內露天采場邊界清晰，可見明顯的廠房和生產設備，同時未發現明顯的植被恢復或人工治理跡象，如圖7所示。

恢復治理類圖斑在影像上主要表現為圖斑邊界清晰，在圖斑范圍內可見明顯的自然植被恢復（見圖8）、人工植被恢復（見圖9）等跡象，也可見紋理清晰的土地平整工程（見圖10）。此類圖斑表示圖斑范圍內已經完成或正在進行恢復治理。

3.4 監測分析

經統計分析，2017—2021年，湖北省重點礦區地貌景觀破壞及土地資源損毀的遙感解譯結果變化如圖11所示。統計表明，2017—2019年，湖北省重點礦區地貌景觀破壞及土地資源損毀面積從15 713.09 hm2增加至20 162.61 hm2；2020—2021年，它從19 512.59 hm2減少至14 792.50 hm2，其中，相較于2020年，2021年地貌景觀破壞及土地資源損毀面積減少4 720.09 hm2，植被恢復、土地利用類型發生改變，這在一定程度上反映出礦山恢復治理效果。

經統計分析，2021年度重點礦區內地貌景觀破壞及土地資源損毀的遙感解譯圖斑成果如圖12所示。統計表明，2021年，湖北省130個重點礦區合計解譯圖斑2 068個，總面積為20 112.48 hm2。其中，露天采場圖斑有1 202個，圖斑面積共計14 697.93 hm2；中轉場地圖斑有478個，圖斑面積共計4 178.02 hm2；固體廢棄物圖斑有388個，圖斑面積共計1 236.52 hm2。

分析發現，2021年度22個礦區無明顯恢復類圖斑面積有所增加，最大增加面積為116.7 hm2，主要原因是露天采場范圍有所增加，其他108個礦區無明顯恢復類圖斑面積均有所減少或無明顯變化。

3.5 成果評估

為評估礦區圖斑恢復治理程度，選取礦區恢復治理圖斑數量占比與礦區恢復治理圖斑面積占比作為參考指標，二者數值越高，其恢復治理程度越高。其計算公式分別為

（1）

（2）

式中：K為礦區恢復治理圖斑數量占比；M為恢復治理圖斑數量；N為總圖斑數量；T為礦區恢復治理圖斑面積占比；P為恢復治理圖斑面積；Q為總圖斑面積。

統計表明，2021年，湖北省130個重點礦區中，存在恢復治理類圖斑的礦區有84個。其中，存在恢復治理類圖斑礦區的圖斑數量為1 691個，恢復治理類圖斑數量為517個，礦區恢復治理圖斑數量占比為30.57%；存在恢復治理類圖斑礦區的圖斑面積為16 798.03 hm2，恢復治理類圖斑面積為5 319.98 hm2，礦區恢復治理圖斑面積占比為31.67%。

分析發現，湖北銀礦，宜昌金昌石墨礦，建始縣柳林、銹水溝煤礦，秭歸縣天星眼、胡家嶺、四方山煤礦，巴東縣麂子巖、野三關煤礦，英山縣溫泉鎮采石廠的礦區恢復治理圖斑數量占比與礦區恢復治理圖斑面積占比均為100%。同時，部分湖北省內恢復治理礦區典型示范如圖13所示，其礦區恢復治理圖斑數量占比與礦區恢復治理圖斑面積占比均位于前列。

4 結論

近年來，湖北省礦區地貌景觀破壞、土地資源損毀趨勢明顯放緩。2019年，地貌景觀破壞和土地資源損毀圖斑面積達到峰值，之后開始減少。2021年，少數礦區內無明顯恢復類圖斑面積有所增加，其他礦區內此類圖斑面積均出現明顯減少或無明顯變化。同時，礦山恢復治理面積增加明顯。2021年遙感影像已難以分辨圖斑邊界，表現為植被覆蓋良好、土地平整和土地利用類型改變等。2021年遙感影像顯示，新增大面積的恢復治理礦山區域，主要表現為成片露天采場開展大范圍的土地平整，部分區域已開展人工植被恢復，可對此類礦山進行持續監測，評估其恢復治理效果。未來，可利用無人機攝影測量、高光譜遙感等技術手段對湖北省地質環境影響較大的重點礦山進行重點監測，并結合早期監測成果，適時調整工作區范圍，通過持續動態監測和數據分析，開展監測對象動態化管理，為科學推進湖北省礦山地質環境治理提供有力的數據支撐。

參考文獻

1 張進德，郗富瑞.我國廢棄礦山生態修復研究[J].生態學報，2020（21）：7921-7930.

2 胡海軍，余 洋，韓 笑，等.“兩案”合并背景下的土地復墾研究回顧與展望：基于1996—2016年期刊文獻數據[J].金屬礦山，2017（12）：147-152.

3 李建中.經濟下行壓力下的生態修復產業化問題研究[J].水文地質工程地質，2020（1）：

181-184.

4 付 英.建設人與自然和諧共生的現代化礦業[J].中國國土資源經濟，2021（7）：9-13.

5 于輝勝.區域性廢棄礦山生態修復實踐與思考[J].中國國土資源經濟，2021（6）：84-89.

6 郭冬艷，楊 繁，高 兵，等.礦山生態修復助力碳中和的政策建議[J].中國國土資源經濟，2021（10）：50-54.

7 李 麗，楊金中，陳 棟，等.長江經濟帶江蘇段廢棄露天礦山分布與生態修復遙感調查研究[J].水文地質工程地質，2022（1）：183-190.

8 殷亞秋，楊金中，汪 潔，等.長江經濟帶廢棄礦山占損土地遙感調查與生態修復對策[J].國土資源遙感，2020（2）：170-176.

9 王 娜，田 磊，文可戈，等.基于遙感技術的礦山生態修復調查研究：以冀東鐵礦為例[J].金屬礦山，2021（10）：192-198.

10 張成業，李 軍，雷少剛，等.礦區生態環境定量遙感監測研究進展與展望[J].金屬礦山，2022（3）：1-27.

11 王雁林，劉 強，張 輝，等.關于構建陜西省國土空間生態修復工作體系的思考[J].國土資源情報，2021（7）：3-6.

12 杜越天.基于宜興經驗的礦山生態修復問題探析與啟示[J].中國國土資源經濟，2021（6）：

78-83.

13 劉向敏，余振國.礦山地質環境治理恢復基金制度研究[J].中國國土資源經濟，2022（1）：35-42.

14 強海洋，吳鐘匯.礦山關閉的國際經驗：基本目標和政策保障[J].中國國土資源經濟，2021（7）：85-89.

15 劉育平，關鳳峻.論礦山生態修復的投融資模式[J].水文地質工程地質，2020（3）：194-197.

16 余 洋，張進德，潘 莉.土地整治綜合研究進展評述[J].國土資源科技管理，2018（5）：34-48.

17 張進德，田 磊，裴圣良.礦山水土污染與防治對策研究[J].水文地質工程地質，2021（2）：157-163.

18 李向陽，壽立永，張晨招，等.渭河平原露天礦山生態修復面臨問題與思考[J].中國國土資源經濟，2021（10）：55-59.

19 于輝勝，翟世斌，王 力，等.廢棄露天礦山生態保護修復實踐研究：以卡頂山礦區生態修復工程為例[J].國土資源情報，2021（8）：50-56.

20 王旭東，尹 峰.廢棄礦山市場化生態修復實踐與探索：以安徽省為例[J].中國國土資源經濟，2021（8）：57-63.

21 陳 毓.撫順西露天礦采空區北部區域地質災害風險評估與適應性評價研究[J].礦業安全與環保，2021（3）：106-111.

22 崔 瀟，周妍如，劉孝陽，等.平朔露天煤礦復墾區不同地質層組巖土質量綜合評價[J].水文地質工程地質，2021（2）：164-173.

23 王 華，肖啟才，邢昌寶，等.四川光霧山-諾水河世界地質公園光霧山園區旅游環線礦山地質環境治理恢復措施[J].四川地質學報，2020（3）：459-462.

24 李 飛，吳翌碩，肖 軍，等.達州市礦山地質環境問題現狀及綜合防治分區[J].四川地質學報，2020（2）：263-268.

25 穆嘉琳，趙 健，高 琦.京張高鐵昌平段廢棄石灰礦礦山生態修復治理技術實踐[J].現代礦業，2021（2）：161-166.

26 李 旭，于慶磊，楊天鴻，等.基于加權信息法的大孤山露天礦滑坡風險分析[J].金屬礦山，2021（2）：186-193.

27 史帥航，白甲林，余 洋.西南地區某礦產集采區土壤重金屬遷移規律及生態風險評價[J].金屬礦山，2022（2）：194-200.

28 顧一芳，馮啟言，孟 磊，等.河北省關閉煤礦地質環境影響評價[J].礦業安全與環保，2021

（5）：118-121.

29 王宇飛，李定華，鄭 翔.廢棄采石場礦山地質環境問題及恢復治理方案[J].現代礦業，2021

（4）：204-208.

30 鄭荏元.礦區國土空間生態保護修復管控機制探索[J].中國國土資源經濟，2022（1）：63-70.

31 薛云峰.廣西灌陽縣某石英礦山地質災害特征及防治措施[J].四川地質學報，2021（4）：626-632.

32 郭學飛，王志一，焦潤成，等.基于層次分析法的北京市地質環境質量綜合評價[J].中國地質災害與防治學報，2021（1）：70-76.

33 馬丙太，王 穎，周錦華，等.唐山市馬家溝礦開采沉陷損壞特征研究[J].金屬礦山，2021（11）：204-210.

34 張沛沛，余 洋.采煤沉陷對土壤團聚體及其有機碳的影響[J].金屬礦山，2020（12）：203-209.

35 李富平，賈淯斐，夏 冬，等.石礦跡地生態修復技術研究現狀與發展趨勢[J].金屬礦山，2021（1）：168-184.

36 葉珊珊，張進德，潘 莉，等.基于“綠色礦山”的礦區生態環境成本核算：以華北平原某礦區為例[J].金屬礦山，2019（4）：168-174.

37 劉德成，李玉倩，劉學賢，等.廢棄礦山生態環境修復技術研究：以唐山市玉田縣為例[J].四川地質學報，2021（1）：98-102.

38 劉 哲，陳娟濃.靈山礦區露天礦山地質環境治理方案[J].現代礦業，2021（12）：249-251.

39 李 甜，謝 川，王大國，等.四川省礦山土地復墾方案編制存在問題與要點分析[J].金屬礦山，2021（11）：188-196.

40 杜越天，余振國，孫貴尚.礦山地質環境保護與土地復墾方案編制審查問題分析及建議[J].國土資源情報，2021（7）：35-40.

41 黃 超，姜 楷，李 亮，等.礦山三維地質建模研究進展[J].四川地質學報，2020（2）：323-326.

42 戴 嵩，魏冠軍，梁 斌.控制點布設方案對無人機精度測量的影響及其應用：以西北地區某尾礦壩地表沉降監測為例[J].中國地質災害與防治學報，2021（5）：113-120.

43 王 穎，王 力，王志一，等.城市工程地質勘查多源遙感數據技術應用研究[J].國土資源信息化，2021（3）：7-14.

44 黃宣東.無人機傾斜攝影技術在礦山生態修復的應用[J].現代礦業，2021（4）：219-222.

45 徐志文，王思遠.基于遙感影像的礦區水環境狀態識別與檢測：以珠江流域部分河段為例[J].礦業安全與環保，2021（2）：107-111.

46 成少平，谷海紅，宋 文，等.基于遙感信息的礦區生態擾動監測研究：以遷安市為例[J].金屬礦山，2021（5）：182-189.

47 杜江麗，岳軍紅，陳建平，等.基于三維激光掃描儀的礦區邊坡變形監測數據的分析處理[J].礦業安全與環保，2021（1）：75-79.

48 劉 虎，姜 岳，夏明宇，等.基于30年遙感監測的礦區生態環境變化：以南四湖周邊礦區為例[J].金屬礦山，2021（4）：197-206.

49 王春光，彭景頌，李婉瑩，等.黃河中游重要生產煤礦山土壤重金屬特征分析與評價[J].礦業安全與環保，2022（5）：1-7.