遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王慧敏 楊仕勇

(山東省國(guó)土空間數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)中心, 山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

礦產(chǎn)資源是工業(yè)的血液和糧食,是人類(lèi)生產(chǎn)和生活所必需的不可再生的自然資源,是社會(huì)發(fā)展賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用引發(fā)了較多的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,破壞了生態(tài)環(huán)境,影響了人們的生產(chǎn)生活[2-3]。傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)調(diào)查方法主要采用逐級(jí)上報(bào)或者全外業(yè)核實(shí)的方法,經(jīng)濟(jì)效益差,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,調(diào)查過(guò)程中無(wú)法看到礦山全貌,調(diào)查精度低。隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展,其波譜分辨率、空間分辨率和時(shí)間分辨率的日益提高,可全方位地掌握和了解礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì),可為礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的調(diào)查提供新的契機(jī)[4]。

1 監(jiān)測(cè)區(qū)概況

山東省位于黃河下游,華北平原東部,瀕臨黃渤海,地處34°22.9′～38°24.01′N(xiāo)、114°47.5′～122°42.3′E之間。北與河北省接壤,西南與河南省為鄰,南與安徽、江蘇兩省接界,總面積15.71萬(wàn)km2,約占全國(guó)總面積的1.64%。境內(nèi)中部山地突起,西南、西北低洼平坦,東部緩丘起伏,形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯(cuò)環(huán)列其間的地形格局。

山東是礦產(chǎn)資源大省,截至2017年,全省已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)148種,查明資源儲(chǔ)量的有85種。其中包含金、鐵、銅25種金屬礦產(chǎn),崗巖、石膏、石灰?guī)r等50種非金屬礦產(chǎn),地?zé)?、石油、煤?種能源礦產(chǎn)以及地下水、礦泉水等3種水汽礦產(chǎn)。全省開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)60余種(含亞礦種),主要開(kāi)采礦種為花崗巖、石灰?guī)r、煤、石油、鐵、金等。查明資源儲(chǔ)量的礦產(chǎn)地2 560處(不含供伴生礦產(chǎn)地?cái)?shù))。

全省礦產(chǎn)資源分布范圍十分廣泛,受成礦地質(zhì)條件制約,礦產(chǎn)資源在地域組合和礦種配置上呈現(xiàn)明顯差異。魯東地區(qū)是我國(guó)金礦的重要分布區(qū),魯東山地丘陵地也廣泛分布建材(灰?guī)r、花崗巖)等礦產(chǎn);魯中地區(qū)是建材(灰?guī)r、花崗巖)及黑色金屬(鐵)礦產(chǎn)分布區(qū);魯西北及魯西南地區(qū)是煤炭、石油、天然氣及地?zé)豳Y源分布區(qū)[5-6]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方案

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1遙感影像

收集監(jiān)測(cè)區(qū)2020年3～6月高分辨率航空正射影像數(shù)據(jù),空間分辨率為0.5 m。

2.1.2基礎(chǔ)性地理省情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

收集監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的2019年度基礎(chǔ)性地理省情監(jiān)測(cè)成果。其中,監(jiān)測(cè)成果中的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析;行政區(qū)層數(shù)據(jù)用作按行政區(qū)劃裁切和統(tǒng)計(jì)的參考數(shù)據(jù);道路層、水系層等作為外業(yè)核查的參考數(shù)據(jù)。

2.1.3其他專(zhuān)題資料

收集山東省第三輪礦產(chǎn)資源規(guī)劃資料,數(shù)據(jù)庫(kù)成庫(kù)時(shí)間為2015年,包含礦山點(diǎn)狀及礦山注記數(shù)據(jù),用作礦種判斷的參考數(shù)據(jù)。

收集山東省1∶50萬(wàn)地質(zhì)圖,主要使用巖性、地層年代及地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù),用作成果統(tǒng)計(jì)分析的參考資料。

本次監(jiān)測(cè)收集的數(shù)據(jù)資料均來(lái)自權(quán)威主管部門(mén),數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.2 研究方法

2.2.1技術(shù)路線

設(shè)計(jì)采用了以多源遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)性地理省情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及礦山地質(zhì)環(huán)境相關(guān)專(zhuān)題數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,在分析遙感影像特征、山東省礦山地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)及專(zhuān)題數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合外業(yè)采樣,建立礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題遙感解譯標(biāo)志,通過(guò)內(nèi)外業(yè)一體化方法精確提取全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題專(zhuān)題信息,并進(jìn)行多維統(tǒng)計(jì)分析,探索山東省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分布特征,形成面向省域的多源數(shù)據(jù)集成的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題快速遙感監(jiān)測(cè)方法和模式[7-8]?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

2.2.2技術(shù)方法

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

主要包含2020年0.5 m分辨率航空正射影像的鑲嵌裁剪及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,礦山地質(zhì)環(huán)境專(zhuān)題資料的格式轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)異常點(diǎn)處理等。

(2)建立山東省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題解譯標(biāo)志

根據(jù)山東省礦山地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn),將礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題專(zhuān)題要素劃分為破損山體、露天采坑、尾礦庫(kù)、采礦塌陷地、固體廢棄物堆放、其他礦料堆放、工業(yè)廣場(chǎng)7類(lèi),通過(guò)前期外業(yè)采樣,結(jié)合影像特征建立全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題解譯標(biāo)志。各類(lèi)型定義及在影像上的特征具體見(jiàn)表1。

續(xù)表

(3)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題專(zhuān)題信息提取

首先根據(jù)建立的遙感解譯標(biāo)志,結(jié)合收集的專(zhuān)題資料,提取全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題專(zhuān)題信息[9-10],最小采集圖斑為100 m2,錄入屬性,標(biāo)注需要外業(yè)核實(shí)的疑問(wèn)圖斑。信息提取原則為:水泥廠、攪拌站以及無(wú)取土坑的磚窯廠等加工企業(yè),經(jīng)營(yíng)性質(zhì)的沙石料、煤等固體堆積,以及因建設(shè)項(xiàng)目(鐵路、高速等)造成的臨時(shí)性取土坑或固體堆積不屬于礦管范疇,若能確認(rèn)則不需提取;風(fēng)力發(fā)電建設(shè)的風(fēng)機(jī)區(qū)域只是破壞了植被,沒(méi)有破壞山體,此類(lèi)圖斑不需提取;石油生產(chǎn)地,不需提取;早期的礦山已停工多年,現(xiàn)增改廠房變?yōu)楣S、飼養(yǎng)場(chǎng)等,土地類(lèi)型仍為采礦用地,并有采礦遺跡,提取圖斑為工業(yè)廣場(chǎng);工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)若包含固體廢棄物堆放、其他礦料堆放等,需分別圈定;采礦塌陷地解譯時(shí),根據(jù)影像只準(zhǔn)擴(kuò)大或保持不變,不能刪除及縮小;圖斑中有多種類(lèi)型時(shí),以生產(chǎn)型為主;跨越公路的圖斑,在公路兩側(cè)分別圈出。

(4)外業(yè)核查

采用野外移動(dòng)核查采集系統(tǒng),對(duì)信息提取過(guò)程中標(biāo)注的疑問(wèn)圖斑進(jìn)行外業(yè)實(shí)地核查,填寫(xiě)外業(yè)核查記錄表。同時(shí),對(duì)非疑問(wèn)圖斑以縣為單位采集各類(lèi)別樣本點(diǎn),便于后續(xù)建立樣本集及核查內(nèi)業(yè)提取圖斑精度,以提高解譯的準(zhǔn)確性。

(5)內(nèi)業(yè)編輯與整理

根據(jù)外業(yè)核查結(jié)果對(duì)疑問(wèn)圖斑進(jìn)行編輯和屬性修改,對(duì)非疑問(wèn)圖斑通過(guò)抽樣進(jìn)行精度評(píng)估,質(zhì)檢完成后生成全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題數(shù)據(jù)集。對(duì)外業(yè)樣本點(diǎn)進(jìn)行編輯整理,生成以縣為單位的樣本集。

(6)多維統(tǒng)計(jì)分析與表達(dá)

將監(jiān)測(cè)結(jié)果與多種數(shù)據(jù)做疊加分析,基于行政區(qū)劃、不同地形分區(qū)、不同巖性、斷裂帶、水系5個(gè)角度分析了全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的空間分布特點(diǎn),并對(duì)全省的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑進(jìn)行了熱點(diǎn)分析,制作了相應(yīng)的專(zhuān)題圖件進(jìn)行直觀表達(dá)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

本次研究共提取了全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑12 937個(gè),面積共計(jì)826.30 km2。全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。山東省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題最突出的是露天開(kāi)采礦山導(dǎo)致的破損山體和隨礦業(yè)活動(dòng)伴生的用于礦料加工的工業(yè)廣場(chǎng),數(shù)量和面積均占前兩位;其次依次為露天采坑、采礦塌陷地、其他礦料堆放、尾礦庫(kù)和固體廢棄物堆放。

表2 全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合礦產(chǎn)資源分布情況來(lái)看,魯東招遠(yuǎn)-萊州和牟平-乳山兩個(gè)金礦分布區(qū)分布有較多的尾礦庫(kù),魯東山地丘陵區(qū)開(kāi)采建材產(chǎn)生了大量破損山體和加工石材的工業(yè)廣場(chǎng)。魯中的淄博、萊蕪等地市分布有較多黑色金屬礦山,對(duì)金屬礦的開(kāi)采形成大量尾礦庫(kù)和固體廢棄物堆放區(qū),同時(shí)魯中山區(qū)開(kāi)采建材等也形成面積較小但數(shù)量較多的破損山體。魯西北及魯西南地區(qū)大量的煤炭開(kāi)采導(dǎo)致了大面積的采礦塌陷。

3.1 基于行政區(qū)劃的統(tǒng)計(jì)分析

礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題在全省16地市均有分布,其中,煙臺(tái)市礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積最大,共146.48 km2,占全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題總面積的17.73%;濟(jì)寧市、臨沂市次之,面積分別為127.16、90.90 km2,分別占全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題總面積的15.39%和11.00%。濟(jì)寧市、煙臺(tái)市、臨沂市三個(gè)市礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積之和可達(dá)全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積的44.12%,具體如圖2所示。

圖2 全省各地市礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑占全省問(wèn)題圖斑總面積比例圖

3.2 基于地形的統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)地形數(shù)據(jù)與礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行疊加分析發(fā)現(xiàn)(表3)。山東省平原、山地、丘陵、臺(tái)地四種不同地形分區(qū)中,丘陵地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題最大,面積共計(jì)302.25 km2,占全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑總面積的36.59%。其次為平原和山地地區(qū),分別為274.44 km2和221.14 km2,分別占全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑總面積的33.22%和26.77%。臺(tái)地地區(qū)分布著極少數(shù)的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑,僅占總圖斑面積的3.42%。山地和丘陵地區(qū)以破損山體為主,平原地區(qū)以采礦塌陷地與工業(yè)廣場(chǎng)為主,臺(tái)地區(qū)域以露天采坑為主。由于破損山體的災(zāi)害威脅較大,因此，對(duì)于山地及丘陵地區(qū)的恢復(fù)治理應(yīng)引起重視,并加大恢復(fù)治理力度。

表3 不同地形分區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題面積統(tǒng)計(jì)表

3.3 基于巖性的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分析

本次監(jiān)測(cè)分析以巖石性狀為切入點(diǎn),分析山東省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的分布與巖性的關(guān)系,從而為更好地進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)提供有關(guān)建議,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑在各類(lèi)巖石類(lèi)型中的分布情況

魯中南地區(qū)基巖出露,主要為古生代寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)石灰?guī)r、白云巖;前寒武紀(jì)花崗巖質(zhì)編制侵入巖和片巖、片麻巖等變質(zhì)巖;臨沂地區(qū)沭河兩岸附近發(fā)育膨脹土。魯西北、魯西南地區(qū)因沖積、湖積、海積及沼澤沉積分布著大面積的新生代第四系松散沉積物,且覆蓋厚度大,主要沉積物為泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土、砂巖和鹽漬土等。魯東地區(qū)中生代花崗巖侵入體十分發(fā)育,其次發(fā)育前寒武紀(jì)古老的變質(zhì)巖,如片巖、片麻巖、大理巖等;萊陽(yáng)盆地一帶發(fā)育白堊紀(jì)火山巖;在盆地、河谷及坡麓分布第四系松散沉積物。

全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑在第四系松散沉積物中分布最為廣泛,占全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積的42.65%。沉積物主要為泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土、砂巖和鹽漬土等,主要分布于魯西北、魯西南地區(qū),該地區(qū)主要以磚瓦窯場(chǎng)為主,取土量較大。其次,石炭—二疊紀(jì)是山東省主要含煤層系,集中分布于魯西隆起區(qū),因此,該地區(qū)分布著大量的煤炭資源,全省大部分的采礦塌陷地也分布于此。全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑在花崗巖及水泥灰?guī)r兩種巖石類(lèi)型范圍內(nèi)也分布較多,面積分別占全部圖斑面積的17.29%、14.62%。花崗巖主要分布于魯中山區(qū)及魯東地區(qū),主要用于生產(chǎn)建筑石材。水泥灰?guī)r主要分布于魯南及魯西南地區(qū),主要用于生產(chǎn)石灰、水泥及石膏等。

破損山體多分布于水泥灰?guī)r、花崗巖、第四系松散沉積物分布的區(qū)域。水泥灰?guī)r巖體破碎,由該巖石組成的地表極易引起滑坡的發(fā)生,破損山體位于此,裸露的巖石加之風(fēng)化作用的影響,極易引發(fā)滑坡、崩塌的發(fā)生。

3.4 基于斷裂帶的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分析

基于斷裂帶的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題統(tǒng)計(jì)分析表明如圖4所示,全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑中,距離斷裂帶10 km以內(nèi)的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積527.46 km2,占全部圖斑面積的63.87%,說(shuō)明大部分圖斑位于受斷裂帶影響較大的區(qū)域范圍內(nèi)。

圖4 礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑隨斷裂帶的距離分布情況圖

其中破損山體有72.51%,露天采坑有66.62%位于距離斷裂帶10 km以內(nèi)的區(qū)域內(nèi)。礦山開(kāi)采活動(dòng)使得地表內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,容易引起崩落、坍塌等危險(xiǎn)的發(fā)生,加之?dāng)嗔褞Щ顒?dòng)的影響,增加了次生災(zāi)害發(fā)生的概率,容易引發(fā)更大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害。

值得注意的是,有面積占比28.13%的露天采坑和占比25.84%的破損山體位于距離斷裂帶不足4 km的區(qū)域內(nèi)。此類(lèi)距離斷裂帶較近區(qū)域的破損山體及露天采坑需及時(shí)處理,進(jìn)行危巖體清理、護(hù)坡等修復(fù)工作。

3.5 基于水系的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分析

基于水系的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題分析表明(圖5),距離水系1 km的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑總面積共計(jì)31.78 km2,占全部礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑的3.85%。距離水系1 km范圍內(nèi)的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑中50%以上為采礦塌陷地及工業(yè)廣場(chǎng)。

圖5 距離水系1km以內(nèi)各礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑統(tǒng)計(jì)圖

需要引起注意的是其他礦料堆放、固體廢棄物堆放及尾礦庫(kù),若保存不當(dāng),其中的有害物質(zhì)會(huì)隨地表深入地下,從而影響地表水地下水循環(huán)系統(tǒng),對(duì)水資源造成污染。

另外,水系1 km以內(nèi)分布著些許露天采坑及破損山體,共計(jì)9.88 km2,地表水滲透會(huì)侵蝕露天采坑及破損山體內(nèi)部結(jié)構(gòu),破壞原本就被開(kāi)采而不穩(wěn)定的地表內(nèi)部,從而引起滑坡、崩塌、泥石流等次生災(zāi)害。

3.6 熱點(diǎn)分析

基于全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑分布及面積數(shù)據(jù),進(jìn)行全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題熱點(diǎn)與冷點(diǎn)區(qū)域分析,并探索整體及各個(gè)區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題空間分布差異特征。在熱點(diǎn)分析結(jié)果圖中,黑色區(qū)域?yàn)闊狳c(diǎn)區(qū)域,代表礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑空間連接性強(qiáng),密度大,單個(gè)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積大的區(qū)域;白色區(qū)域?yàn)槔潼c(diǎn)區(qū)域,代表礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑空間連接性弱,分布分散,單個(gè)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖斑面積小的區(qū)域。山東省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題空間分布差異顯著,總體表現(xiàn)為中部和南部突起的魯中南山地丘陵區(qū)以及東部起伏和緩的波狀丘陵區(qū)為礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的熱點(diǎn)區(qū)域,魯西和魯北平原區(qū)為冷點(diǎn)區(qū),這個(gè)結(jié)果也與山東省礦產(chǎn)資源的分布呈現(xiàn)出較高的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以山東省礦山地質(zhì)活動(dòng)影響區(qū)內(nèi)的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題為監(jiān)測(cè)對(duì)象,以高分辨率航空正射影像為主要數(shù)據(jù)源,通過(guò)內(nèi)業(yè)解譯與外業(yè)核查相結(jié)合的方式,開(kāi)展了全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題遙感監(jiān)測(cè),總結(jié)如下:

(1)基于基礎(chǔ)性地理省情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及專(zhuān)題數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)整合與處理,高精度遙感影像內(nèi)業(yè)判讀與外業(yè)核查相結(jié)合的內(nèi)外業(yè)一體化精確提取、多維度多視角的統(tǒng)計(jì)分析等,形成了面向礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的快速監(jiān)測(cè)體系和應(yīng)用模式,經(jīng)驗(yàn)證,監(jiān)測(cè)效率高、監(jiān)測(cè)成果可靠。

(2)全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析成果可以直觀地展示全省各個(gè)地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的空間分布情況,基本摸清了全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的家底,可為礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)及監(jiān)管提供參考。

(3)通過(guò)后續(xù)持續(xù)的監(jiān)測(cè)可以看出全省礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的變化,進(jìn)一步為礦山地質(zhì)環(huán)態(tài)保護(hù)及礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理效果的監(jiān)督和管理提供數(shù)據(jù)支撐。