遙感技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部重點礦區(qū)開采監(jiān)測中的應(yīng)用

劉 歡，張 云，黃旭紅，陳東磊，楊俊泉，高學(xué)生

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津，300170）

礦產(chǎn)資源與人類生活息息相關(guān)，是人類經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。和發(fā)達國家相比，我國礦產(chǎn)資源顯示了?。ㄈ司V產(chǎn)平均占有量小）、大（需求和消費量大）、高（對外依存度和安全風(fēng)險高）和降（國內(nèi)資源供應(yīng)能力和資源保障雙下降）的特點[1]。礦產(chǎn)資源開發(fā)利用，極大地促進人類文明和社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，由于粗放型的利用與管理，造成了礦產(chǎn)資源嚴(yán)重浪費，也造成一系列環(huán)境問題，例如水土流失、水系污染、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境擾動以及負(fù)面的環(huán)境效應(yīng)。礦產(chǎn)資源的裸露、開發(fā)、生產(chǎn)、加工和消費對人類賴以生存的地球環(huán)境構(gòu)成了潛在威脅[1-2]。

隨著我國“生態(tài)文明體制改革總體方案”的頒布，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，建立反映資源消耗、環(huán)境損害、環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)保護等礦產(chǎn)資源開發(fā)全流程的監(jiān)測體系，開展礦產(chǎn)資源開發(fā)全天候監(jiān)測，是國家礦政管理工作的必然需求[2]。遙感技術(shù)憑借其遙感影像的宏觀性、真實性、全面性、高速性及準(zhǔn)確性等特點，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測工作中[3-21]。遙感技術(shù)在礦山開采監(jiān)測中，能夠提供客觀、實時的遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對礦區(qū)變化的動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害分析，可以為政府管理決策提供資料和依據(jù)，提高礦業(yè)管理層次、指導(dǎo)和規(guī)范礦業(yè)開發(fā)活動，合理利用自然資源服務(wù)，實現(xiàn)礦業(yè)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展，改善礦山環(huán)境，減少資源浪費[22-24]。

本文利用遙感技術(shù)開展了內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部重點礦區(qū)礦山開采監(jiān)測工作，通過室內(nèi)人機交互解譯建立遙感解譯標(biāo)志，基于ArcGIS空間數(shù)據(jù)處理平臺，結(jié)合野外查證，全面掌握研究區(qū)礦山開采動態(tài)變化信息。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部，主要包括呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏蘭察布市、烏海市、阿拉善盟和錫林郭勒盟，地處東經(jīng)97°12′～119°54′，北緯37°24′～46°46′之間。全區(qū)呈狹長形，由東北向西南斜伸，基本屬一個高原型的地貌區(qū)。全區(qū)涵蓋高原、山地、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊等地貌，氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主，地跨黃河、西遼河兩大水系，具有豐富的森林資源和動植物資源。區(qū)域地域遼闊，巖漿活動頻繁，成礦條件好，礦產(chǎn)資源豐富，存在著兩個中國Ⅱ級成礦帶，即華北地臺北緣金、銅多金屬Ⅱ級成礦帶和大興安嶺Ⅱ級銅多金屬成礦帶，礦產(chǎn)資源豐富，保有資源儲量居全國之首的有17種、居全國前3位的有43種、居全國前10位的有85種，同時也是中國發(fā)現(xiàn)新礦物最多的省區(qū)。稀土查明資源儲量居世界首位，煤炭保有資源儲量居全國首位。研究區(qū)中現(xiàn)有采礦權(quán)（終止時間在2021年1月1日之后）1 933個，礦區(qū)總面積達7 005 km2，包括煤、鐵礦、銅礦、鉛鋅礦等幾十種礦產(chǎn)類型；探礦權(quán)678個，勘探區(qū)總面積16 878 km2，涉及煤、鐵礦、金礦等多種礦產(chǎn)類型。

2 遙感數(shù)據(jù)源及圖像處理

研究區(qū)數(shù)據(jù)源以高分一號（GF1）、高分二號（GF2）、高分六號（GF6）等國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主，對于質(zhì)量不高的遙感影像，采用北京二號及高景一號等高分辨率商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為補充。季度監(jiān)測采用最新遙感影像數(shù)據(jù)，影像質(zhì)量較好，清晰度高，云量少，定位精度高。GF1衛(wèi)星包含有1個全色波段，空間分辨率為2 m，多光譜波段空間分辨率為8 m[25]。GF2衛(wèi)星搭載有兩臺高分辨率1米全色、4米多光譜相機，具有亞米級空間分辨率。GF6衛(wèi)星具有高、中空間分辨率、大寬幅、多譜段成像結(jié)合等優(yōu)點，全色波段空間分辨率優(yōu)于2 m，多光譜空波段間分辨率優(yōu)于8 m[26]。衛(wèi)星數(shù)據(jù)在使用前分別進行了影像輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、影像增強處理等預(yù)處理過程。

3 技術(shù)路線

在對研究區(qū)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，根據(jù)解譯內(nèi)容，建立遙感解譯標(biāo)志，利用ArcGIS平臺開展遙感信息提取與對比，通過人機交互解譯，在明確區(qū)內(nèi)礦權(quán)信息前提下，依據(jù)圖斑定性標(biāo)準(zhǔn)，進行礦產(chǎn)疑似違法圖斑提取，經(jīng)后期野外實地調(diào)查取證，確定違法事實。

3.1 解譯內(nèi)容

礦山開采監(jiān)測解譯的主要內(nèi)容為礦產(chǎn)勘查或開采圖斑（井口、硐口、露天采場）的位置、開采方式（露天、地下、聯(lián)合）、礦山開采狀態(tài)（正在開采、停產(chǎn)或關(guān)閉）；礦產(chǎn)疑似違法圖斑的分布。

3.2 礦山開采信息提取與對比

礦山開采信息提取主要采用人機交互解譯的方法，以ArcGIS為主要平臺，依據(jù)建立的各類解譯標(biāo)志，進行全分辨率解譯；提取后的信息以矢量格式存儲，并對所提取信息賦予屬性。變化信息提取以人機交互解譯為基礎(chǔ)，通過空間分析手段，對不同時相的解譯成果進行對比分析，從而獲取增加和減少兩種變化信息。對變化信息提取完畢后，需對提取結(jié)果進行驗證，并根據(jù)驗證結(jié)果進行相應(yīng)的修正。

3.3 礦產(chǎn)疑似違法開采行為遙感信息提取

礦產(chǎn)疑似違法圖斑是指由勘查、采礦活動引起、且該活動不符合礦產(chǎn)資源管理法律法規(guī)、規(guī)范性文件和政策要求的圖斑。在遙感影像上一般指開采面和開采點。通過礦產(chǎn)疑似開采違法行為的界定及解譯標(biāo)志的建立，以ArcGIS為平臺，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合區(qū)域礦權(quán)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地判斷和界定疑似違法圖斑[27]。

礦產(chǎn)疑似違法開采行為的界定主要有以下八種：（1）無證勘查:未取得勘查許可證卻進行礦產(chǎn)資源勘查的行為。（2）越界勘查:超過勘查許可證規(guī)定的范圍進行礦產(chǎn)資源勘查的行為。（3）擅自改變勘查對象:勘查礦產(chǎn)資源的種類與勘查許可證規(guī)定的礦種不符的行為。（4）以采代探:取得探礦權(quán)后并非進行礦產(chǎn)資源勘查，實際上進行礦產(chǎn)資源開采的行為。（5）無證開采:未取得采礦許可證卻進行礦產(chǎn)資源開采的行為。（6）越界開采:礦產(chǎn)資源實際開采范圍超越采礦許可證規(guī)定范圍的行為。（7）擅自改變開采礦種:開采礦產(chǎn)資源的種類與采礦許可證規(guī)定的礦種不符的行為。（8）擅自改變開采方式:開采礦產(chǎn)資源的方式（露天開采、地下開采、聯(lián)合開采）與采礦許可證規(guī)定的方式不符的行為。

根據(jù)遙感影像目視解譯的直接標(biāo)志，確定目標(biāo)地物屬性與范圍，判斷是否違法；根據(jù)對不同礦山占地類型、道路、廠房設(shè)備等進行的對比分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖及斷頭路、排土場等采礦行跡，提取井口的位置，圈定露天采場、活動采區(qū)范圍，判斷其開采狀態(tài)，結(jié)合礦權(quán)判斷是否違法。必要時對提取結(jié)果進行實地調(diào)查有助于提高圖斑提取準(zhǔn)確率。

4 研究區(qū)礦山開采遙感監(jiān)測解譯標(biāo)志

采用內(nèi)業(yè)遙感信息提取與野外實地驗證相結(jié)合的方式，利用不同地物在遙感影像上所呈現(xiàn)的差異性地物特征（紋理、亮度、粗糙度、顏色、形狀），建立了內(nèi)蒙古中西部不同礦種和不同開采狀態(tài)的開采點、開采面等的解譯標(biāo)志。

硐口與井口：開采硐口是指地面直達礦脈的巷道的出口。硐口附近一般植被較為茂密，在影像上難以直接觀察。但開采硐口一般分布在斷頭路的盡頭，附近有出礦通道或運礦鐵軌，周圍有少量礦山建筑與固體廢棄物堆積。圖1（A）顯示煤礦井口，在影像圖中不易識別，通常分布于其他礦山建筑周圍，可通過煤礦礦山整體進行識別。圖1（B）為井口野外驗證實景照片，井口上方有建筑物。

圖1 井口解譯標(biāo)志Fig.1 The image interpretation key of pit head

金屬礦采場指開采金屬礦石的場地，呈不規(guī)則形狀，色調(diào)明顯區(qū)別于周圍自然地表，紋理明顯，有道路相通，呈負(fù)地形，易識別。非金屬礦采場指開采非金屬礦石的場地，邊界清晰，顏色較亮，受機械外力作用，紋理較粗糙雜亂，呈負(fù)地形，其上可看到顆粒狀礦石和開礦活動痕跡，該類痕跡有別于農(nóng)田，較易識別。圖2（A）為鐵礦露天開采面，新鮮開采面在影像上整體呈現(xiàn)出灰黑色，有臺階式的明顯紋理，采場內(nèi)部道路密集；圖2（B）為鐵礦開采面野外驗證實景照片，采坑內(nèi)有挖掘機和鑿巖機正在作業(yè)，也可見清晰的運輸車道，該開采面為正在開采狀態(tài)。圖2（C）為煤礦露天開采面，新鮮開采面呈黑色，圍巖為灰色，具臺階紋理，采場與周圍植被界限明顯，周圍廢棄采坑已回填復(fù)綠，呈土黃色；圖2（D）為廢棄煤礦采面野外驗證照片，長滿雜草或被浮土覆蓋，風(fēng)化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，周邊運輸通道車輪痕跡不明顯。圖2（E）為白云巖開采面，采面十分新鮮，呈灰白色，有明顯的臺階式紋理，礦山道路明顯；圖2（F）為白云巖開采面野外驗證實景照片，現(xiàn)場有工人及挖掘機作業(yè)，為正在開采狀態(tài)。

圖2 露天開采面解譯標(biāo)志Fig.2 The image interpretation keys of opencast mining

5 監(jiān)測結(jié)果與討論

收集內(nèi)蒙古中西部地區(qū)近幾年的礦權(quán)信息及2021年重點礦區(qū)第一、二季度高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后，建立遙感解譯標(biāo)志，開展遙感信息提取工作，圈定出重點礦區(qū)礦山開采圖斑，同時通過季度對比，進行遙感動態(tài)變化監(jiān)測，識別出疑似違法圖斑信息。以西部某煤礦為例（圖3），通過2021年第一季度和第二季度兩期影響對比，礦山開采面存在變化，尤其圖中紅色圈內(nèi)，開采面積明顯擴大，表明該礦山在監(jiān)測時間段內(nèi)存在開采行為。

圖3 內(nèi)蒙古自治區(qū)西部某煤礦2021年第一、二季度開采面變化（藍色實線為礦權(quán)范圍）Fig.3 Mining surface changes of a coal mine in western Inner Mongolia in the first and second quarters of 2021(The solid blue line is the scope of mine rights)

內(nèi)蒙古中西部重點礦區(qū)總面積達47 998 km2，涉及狼山成礦帶西段、敖倫布拉格、小佘太、固陽-石拐、東升廟、東勝、白云、烏海、集寧南、準(zhǔn)格爾和包頭工作區(qū)、錫林浩特煤礦、烏力雅斯太煤礦區(qū)，吉爾嘎郎圖煤礦區(qū)以及蘇尼特左旗鐵礦區(qū)等，重點礦區(qū)面積最小的為1 454 km2，最大的可達6 145 km2。經(jīng)過目視解譯，2021年第一季度圈定圖斑1 659個，圖斑總面積達130.5 km2，分露天和聯(lián)合兩種開采方式，礦種包括煤、鉬礦、鉛礦、鐵礦、銅礦、建筑用花崗巖、石英巖等多種。正在開采圖斑216個，占地76.4 km2，停產(chǎn)圖斑514個，占地24.7 km2，關(guān)閉圖斑929個，占地29.4 km2（圖4）。礦山疑似違法開采圖斑66處，為總圖斑數(shù)的4.0%，疑似違法圖斑總面積達1 329萬平方米，涉及違法礦種為建筑用砂、煤、石英巖、鐵礦、制灰用灰?guī)r5類，其中，無證開采型違法60處，越界開采型違法2處，擅自改變開采方式型違法4處（表1）。2021年第二季度圈定圖斑1 659個，圖斑總面積達132 km2，亦分露天和聯(lián)合兩種開采方式，礦種包括煤、鐵礦、銅礦、石英巖等。正在開采圖斑192個，占地74.1 km2，停產(chǎn)圖斑538個，占地29.4 km2，關(guān)閉圖斑929個，占地28.5 km2（圖4）。疑似違法開采圖斑15處，為總圖斑數(shù)的0.9%，較第一季度數(shù)量明顯減少，疑似違法圖斑總面積為597萬km，違法礦種類型為煤、鐵礦和水泥用灰?guī)r。其中，無證開采型違法7處，擅自改變開采方式型違法7處，以采代探違法1處（表1）。經(jīng)過兩期遙感影像對比，存在兩處疑似持續(xù)違法圖斑。

表1 內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部重點礦區(qū)2021年第一、二季度圈定疑似違法圖斑類型Table 1 Types of suspected illegal figure spots in major mining areas of central and western Inner Mongolia in the first and second quarters of 2021

經(jīng)統(tǒng)計分析，研究區(qū)違法行為主要存在以下幾方面問題：（1）多處煤礦開采方式由井采改為露天開采。眾所周知，露天開采不僅使周邊大量土地受到破壞，且排出的廢土和廢渣含有不良物質(zhì)對土壤造成破壞，另外開采過程中引起的粉塵使周圍環(huán)境的空氣也受到一定污染，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境[28-30]。應(yīng)加大對該違法行為的監(jiān)督和處罰力度。另外，由于近期煤炭價格開啟連漲模式，今年漲幅已經(jīng)超過60%，以往關(guān)停的煤礦廠可能會重操舊業(yè)，建議作為重點督查內(nèi)容之一。（2）多年來，內(nèi)蒙古自治區(qū)鐵礦違法開采的行為屢見不鮮，隨著國際鐵礦價格下跌以及礦山執(zhí)法活動的開展，鐵礦違法行為得到了控制，本研究區(qū)鐵礦疑似違法行為集中為無證開采，具體原因為礦權(quán)過期，可能因為礦權(quán)辦理周期過長等造成[31]。（3）近幾年，隨著城市建設(shè)、各類工程推進、房地產(chǎn)開發(fā)等相關(guān)基建的高速發(fā)展，建筑用砂、灰?guī)r等礦種需求量增大，受經(jīng)濟利益的驅(qū)使，礦產(chǎn)資源違法活動屢禁不止，建議加強對該類資源集中分布地區(qū)進行重點監(jiān)測。針對內(nèi)蒙古自治區(qū)各類礦產(chǎn)違法開采行為，政府各級管理部門也組織開展了執(zhí)法檢查活動，采取了種種措施，嚴(yán)重打擊了違法開采行為，隨著遙感技術(shù)在礦山開發(fā)監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣，經(jīng)驗越來越成熟，各類違法行為也及時受到遏制，提高了執(zhí)法的效率和精準(zhǔn)度。

6 結(jié)論

利用遙感衛(wèi)星影像，對內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部重點礦區(qū)進行了礦山開采監(jiān)測，通過遙感信息提取，圈定出礦山開采圖斑，同時對其各類屬性（開采方式、開采狀態(tài)，開采面積等）進行統(tǒng)計，依據(jù)礦權(quán)信息，以及多期次影像對比，識別出疑似違法信息。通過動態(tài)監(jiān)測，圈定出研究區(qū)2021年疑似違法圖斑79個；涉及疑似違法的礦種主要為煤、建筑用砂、石英巖、鐵礦、制灰用灰?guī)r和水泥用灰?guī)r等6類；疑似違法類型以無證開采和擅自改變開采方式為主。該項工作為后期礦山執(zhí)法、維護礦業(yè)秩序等提供了依據(jù)。