基于3S技術的礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測

聶俊兵 謝迎春

【摘 要】我國是礦業(yè)大國，近年來礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴重。本文論述了利用3S技術進行礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的目的、內容和技術方法。通過融合、校正、圖像處理，得到高清晰度正射遙感圖像；建立遙感解譯標志，通過人機交互解譯進行信息提取；運用GIS軟件建立空間數(shù)據庫，對礦山環(huán)境圖斑及其變化信息分層矢量化提取，結合野外調查對礦山環(huán)境圖元進行分類統(tǒng)計分析，為各級國土資源管理部門提供及時、準確、全面的信息，有效地提高了礦山環(huán)境監(jiān)管效果。

【關鍵詞】礦山環(huán)境；遙感；GIS；GPS；動態(tài)監(jiān)測

0 引言

作為世界上重要的礦產資源大國和礦業(yè)大國，目前我國的礦產開發(fā)總體規(guī)模已躍居世界第三位[1]。由于長期以來，我國礦產資源開發(fā)利用較粗放，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，礦山環(huán)境問題日益突出。以往主要采用逐級統(tǒng)計上報、群眾舉報和定期巡查的模式進行管理，對礦山環(huán)境現(xiàn)狀缺乏實時監(jiān)控，所采集數(shù)據的全面性和實時性受到制約。礦山環(huán)境的常規(guī)調查手段以野外調查分析為主，雖然調查精度較高，但工作成本高，周期長，覆蓋面較小[2]。

利用遙感技術（RS）、地理信息技術（GIS）和GPS技術，采用多平臺的較高空間分辨率和時間分辨率的遙感數(shù)據，結合礦山地物目標影像特征，能夠為礦山環(huán)境狀況提供客觀、實時的三維空間的基礎數(shù)據，具有速度快、成本低、監(jiān)測范圍廣、可反映礦山環(huán)境動態(tài)變化特征等優(yōu)勢[3]。

1 調查與監(jiān)測內容

礦業(yè)活動主要分為礦石采掘、選礦及冶煉三部分。礦業(yè)活動產生的生態(tài)環(huán)境問題和破壞的種類很多，利用3S技術進行調查與監(jiān)測的內容主要有以下幾類。

1.1 礦業(yè)活動占地狀況

礦產資源開發(fā)要占用和破壞大量土地，露天開采會剝離地表土層和巖層，進而破壞地表植被。采礦排出的廢石、廢渣等固體廢棄物的堆放占用大量土地。針對礦業(yè)活動占地狀況主要調查和監(jiān)測不同礦種和不同開采狀態(tài)的礦山采場，中轉場地（堆煤場、堆礦場、洗煤廠、選礦場、選礦池等）、固體廢棄物（排土場、廢石堆、尾礦庫、煤矸石堆等）、礦山建筑等礦業(yè)活動占地范圍、面積及土地利用類型。

1.2 礦區(qū)環(huán)境污染狀況

廢水、尾礦壩和固體廢棄物是礦區(qū)的主要污染物。礦山附近地表水體常被作為廢水、廢渣的排放場所，水質受到污染。環(huán)境污染狀況的主要調查與監(jiān)測內容包括水體污染、粉塵污染、煤自燃、煤矸石自燃等境污染情況。

1.3 礦區(qū)環(huán)境恢復治理狀況

礦山環(huán)境治理工程主要治理對象為：地面塌陷、尾礦庫、排土場、廢石堆、煤矸石、廢棄采掘場、危房搬遷、土地復墾、綠化工程、礦山公園等。主要調查與監(jiān)測內容為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理恢復工程的范圍、類型（工程治理和生態(tài)恢復）等情況。

1.4 礦區(qū)地質災害及隱患

諸多礦山環(huán)境問題發(fā)展到一定程度，便產生礦山地質災害，構成不可逆轉的環(huán)境效應并且伴有人員傷亡和重大財產損失。利用3S技術主要調查與監(jiān)測礦業(yè)活動引發(fā)的滑坡、地面塌陷、地裂縫、崩塌、泥石流等地質災害的種類、分布、規(guī)模、危害對象等。

2 調查與監(jiān)測方法

2.1 數(shù)據源

精確識別和提取礦山環(huán)境信息，需要能夠反映礦業(yè)活動地物要素空間關系和紋理等微小信息的高空間分辨率遙感數(shù)據、高精度DEM數(shù)據、地形圖、采礦權、探礦權、礦產資源規(guī)劃數(shù)據以及基礎地質和地理數(shù)據。

2.2 技術方法

2.2.1 遙感影像處理

利用遙感圖像處理軟件，按照一定的數(shù)學模型，進行圖像正射校正、影像融合、幾何配準、圖像變換、圖像鑲嵌、圖像增強等信息處理，為專業(yè)人員提供1：10000-1：50000的高質量遙感影像數(shù)據。

2.2.2 建立遙感信息解譯標志

1）開采點

采硐口在遙感影像上不易識別，硐口周圍附近有礦石堆積，在礦石堆與硐口之間有一軌道相連接（礦石堆中深色線性紋理的部分），在軌道的末端一般為硐口的位置。

2）露天開采面

在高分辨率影像中，露天采場的紋理、色調與周邊地區(qū)差異顯著，由于不斷開挖，一般低于周圍地形，開采坑邊坡顯示階梯弧形、環(huán)形紋理?；顒拥拈_采面顏色比較新鮮，附近道路也相對清晰，在高分辨率影像上可見機械；關停的采面則泛灰、黑色，附近道路不明顯，有的周圍泛綠長草。

3）固體廢棄物

尾礦庫、排土場、煤矸石堆等一般在礦山附近就近堆放。尾礦庫形狀一般不規(guī)則，建有攔截大壩和選礦廠，有道路與外界相通，尾礦庫水體色彩比自然水體亮，分帶特征明顯；正在開采礦山的排土場，由于多次排放，顯示出比較明顯的螺旋形狀和扇形紋理特征；煤矸石堆在影像上呈錐形，黑、黑灰色；廢石堆在影像上大多就地堆放，色彩比矸石淺。

4）地質災害及隱患

與礦山開采有關的地質災害主要包括地面塌陷、地面沉降、地裂縫、崩塌、滑坡、河道堵塞等。地面沉降、地面塌陷通常表現(xiàn)出比周圍地形低的負地形；地裂縫一般長幾米到幾百米，呈不規(guī)則條帶狀錯落分布；崩塌災害通常發(fā)生在開采面周圍，附近經常有廢石堆或礦石堆；滑坡在影像上一般呈舌形、梨形，通常具有陡峭的滑坡壁；河道堵塞通常發(fā)生在古河道中，由礦山開采排放的廢石堆或尾礦堆積形成，一般影像上呈現(xiàn)河道雜亂，有廢石堆放。

5）礦山環(huán)境污染信息

大氣污染在影像使得圖像有霧霾的特征，較容易識別提取。水體污染主要是由選礦時的廢水不經過處理就直接排放到河流中形成的，在影像上較明顯，水體顏色發(fā)暗黑，周圍植被顏色也會發(fā)生改變。煤田（煤矸石）自燃在遙感影像上較易識別，從燃燒點向周邊有煙形成，在影像上表現(xiàn)為高亮度，并且距離自燃點越遠，煙濃度越低。

6）礦山環(huán)境恢復治理

主要是針對礦山開采引起的環(huán)境污染所作的治理恢復活動，包括采坑回填，排土場綠化等，影像上主要顯示為排土場或采坑有排列規(guī)則的植被覆蓋或者是規(guī)范的固坡工程，與周圍景觀明顯不同

2.2.3 信息提取

信息提取主要采用人機交互解譯的方法，在ARCGIS平臺上，基于礦山相關信息遙感影像特征，并充分利用遙感信息處理軟件監(jiān)督分類、分監(jiān)督分類的結果，結合收集的相關地形圖及DEM數(shù)據、采礦權、探礦權、礦產資源規(guī)劃數(shù)據、基礎地質、地理資料等，進行信息提取。信息提取后以矢量SHAPE格式存儲，并對所提取的信息賦予相應屬性。

2.2.4 野外驗證

采取點、線、面相結合的方法進行解譯信息的野外驗證，對于解譯效果較好的地段以點驗證為主；對于解譯效果中等的地段應布置一定代表性路線跟蹤驗證；對于解譯效果較差的地段，則以面驗證為主。

2.2.5 礦山地質環(huán)境評價

在考慮多要素綜合和不同要素自身特點的基礎上，采用專家打分與層次分析法（AHP）相結合的方式，確定評價單元，建立評價指標體系，確立各指標的權重以及評價工作采用的數(shù)據模型，以科學、簡明的方式對礦山環(huán)境和礦山地質環(huán)境質量進行全面的綜合評價。

3 結語

3S技術是礦山開發(fā)動態(tài)監(jiān)測管理的一項重要手段，將遙感數(shù)據與采礦權、探礦權、礦產規(guī)劃等非遙感數(shù)據相接合，能全面、準確、快速地監(jiān)測礦山環(huán)境，確定地質災害的隱患點，改變了傳統(tǒng)的動態(tài)巡視礦山的調查模式，可對長效動態(tài)的礦山環(huán)境監(jiān)測機制提供有力的技術支撐。

【參考文獻】

[1]武強，劉伏昌，李鐸.礦山環(huán)境研究理論與實踐[M].北京：地質出版社，2005.

[2]聶洪峰，楊金中，王曉紅，等.礦產資源開發(fā)遙感監(jiān)測技術問題與對策研究[J].國土資源遙感，2007（4）：11-13.

[3]陳偉濤，張志，王焰新.礦山開發(fā)及礦山環(huán)境遙感探測研究進展[J].國土資源遙感，2009（2）：1-8.

[責任編輯：周娜]