遙感技術在煤礦山環(huán)境監(jiān)測評價中的應用

楊 創(chuàng)， 李聰聰， 萬余慶

(中國煤炭地質總局航測遙感局，西安 710199)

0 引言

遙感技術在我國煤田地質領域應用歷史悠久，自20世紀50年代中期開始，隨著科學技術的發(fā)展，煤田遙感應用技術取得長足的進展，遙感平臺從早期的航空遙感走向高空、中空、低空等多平臺遙感，遙感數(shù)據(jù)源從最初的全色相片發(fā)展為多光譜、高光譜和微波遙感，應用范圍涉及地形圖制作、煤田遙感調查、煤田地質填圖、工程地質和環(huán)境地質調查監(jiān)測等應用領域[1-5]。

進入21世紀以來，隨著計算機和信息化技術的發(fā)展，煤田遙感地質應用的技術和方法逐漸趨于成熟，煤田遙感應用技術不斷開拓新領域并深度發(fā)展，已形成航天高分辨率、航空高光譜、地面精細化探測與GPS和GIS相結合的“3S”技術應用體系，2015年以來，隨著國產高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取、雷達遙感技術和低空無人機技術的發(fā)展，遙感技術在為常規(guī)的煤炭資源領域注入新活力的同時，隨著我國發(fā)展方式的轉變，遙感技術由常規(guī)的煤炭資源勘查向煤炭資源綠色開發(fā)和資源環(huán)境領域轉變，在生態(tài)地質勘查和煤炭礦區(qū)開發(fā)資源環(huán)境領域快速發(fā)展，特別是礦山環(huán)境監(jiān)測[6-10]、礦山地質災害調查[11-14]、礦山環(huán)境恢復治理[15-17]等方面取得了豐富的研究成果，取得了良好的經濟效益、生態(tài)效益和社會效益，近年來，結合溫室氣體的排放引起的全球性氣候問題，遙感在 “雙碳戰(zhàn)略”中對碳源監(jiān)測、碳匯評估等方面逐漸成為研究的熱點。

隨著新時代生態(tài)文明思想的提出，我國新的發(fā)展理念和美麗中國建設的發(fā)展目標，對煤炭行業(yè)發(fā)展提出了新的要求。本文在前人研究基礎上，系統(tǒng)總結了多個煤礦山環(huán)境遙感監(jiān)測評價應用實踐，提出了新時代遙感技術應用于煤礦山環(huán)境監(jiān)測評價的方法體系，旨在推進遙感技術在煤炭資源全生命周期地質保障體系中的深度應用，助力我國煤炭行業(yè)綠色高質量發(fā)展。

1 煤炭遙感技術的發(fā)展

近10年來，遙感技術得到了飛速發(fā)展，進入了能夠快速準確地提供多種對地觀測海量數(shù)據(jù)及應用研究的新階段，特別是新型高分辨率遙感和無人機等技術的發(fā)展，為煤田遙感應用提供了新的數(shù)據(jù)源，同時對傳統(tǒng)的遙感煤田技術和方法也提出了新的要求，主要從遙感數(shù)據(jù)源、遙感數(shù)據(jù)獲取技術和遙感數(shù)據(jù)處理技術三個方面進行論述。

1.1 遙感數(shù)據(jù)源

常規(guī)的煤田遙感多用于大區(qū)域的構造解譯和找煤，主要采用的數(shù)據(jù)源從最早的航空相片到多波段的TM和ETM圖像，以及分辨率較高的SPOT、QuickBird、ALOS等，隨著遙感數(shù)據(jù)多樣化和精細化的發(fā)展，煤田應用方面采用的數(shù)據(jù)源的時空分辨率及光譜分辨率普遍提高。隨著遙感應用領域對高分辨率遙感數(shù)據(jù)需求及遙感數(shù)據(jù)獲取技術不斷的發(fā)展，應用于煤田遙感的各類數(shù)據(jù)分辨率的提高將成為普遍發(fā)展趨勢，為煤田遙感由常規(guī)宏觀的解譯向專題精細的分析發(fā)展奠定基礎。

2010年，我國高分專項自批準實施以來，已成功發(fā)射高分1號高分寬幅、高分2號亞米全色、高分3號1m雷達、高分4號同步凝視、高分5號高光譜觀測、高分6號陸地應急監(jiān)測、高分7號亞米立體測繪等7顆民用高分衛(wèi)星。低軌遙感衛(wèi)星分辨率由2.1m提高到0.65m，靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率由千米級提高到50m，高分專項數(shù)據(jù)已成為我國主體業(yè)務重要的手段，大大提高了中國天基對地觀測水平，已成為國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要信息技術支撐。

1.2 遙感數(shù)據(jù)獲取技術

隨著無人機和傳感器的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)采集技術取得了進步，可以用攜帶傳感器的微小衛(wèi)星快速獲取高分辨率的成像光譜儀數(shù)據(jù)，除此之外，機載和車載遙感平臺以及超低空無人機載平臺，都為快速獲取遙感數(shù)據(jù)提供了便利，特別是利用無人機作為遙感平臺，集成小型高性能的遙感傳感器和其它輔助設備，形成快速獲取遙感數(shù)據(jù)的模式已成為當前的主要趨勢，在煤田遙感、煤礦區(qū)資源環(huán)境等領域方面廣泛應用。

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理技術

隨著遙感技術的進步，遙感數(shù)據(jù)面向高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率發(fā)展，遙感技術綜合應用的深度和廣度不斷擴展，從單一信息源分析向多源信息的復合分析發(fā)展；從定性判讀向定量分析發(fā)展；從單時相的靜態(tài)研究向多時相的動態(tài)研究發(fā)展。對傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)處理技術提出了新的挑戰(zhàn)，海量的遙感數(shù)據(jù)亟待自動化、智能化的遙感數(shù)據(jù)處理技術，目前多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理趨于高效化和精細化，并已取得初步成效。

近年來，國內外相繼推出了遙感圖像自動化批處理商業(yè)平臺，基于國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)、國產陸地衛(wèi)星(高分系列)、資源衛(wèi)星(資源02C星)、海洋衛(wèi)星和商業(yè)衛(wèi)星(北京二號、高景一號、珠海一號)數(shù)據(jù)的標準化處理，提供多尺度、標準化、有效、多星融合的衛(wèi)星影像產品，可實現(xiàn)以國產衛(wèi)星影像為主，持續(xù)、快速處理。同時GIS技術的發(fā)展為遙感提供了各種有用的輔助信息和分析手段，提高了遙感信息的識別精度，實現(xiàn)從空天地一體化數(shù)據(jù)采集、自動化的幾何處理和智能化的專題信息提取等。

2 煤炭資源開發(fā)利用環(huán)境評價

隨著我國資源開發(fā)程度的提高，煤炭行業(yè)由資源開發(fā)向資源與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的變化，遙感技術在煤炭資源開發(fā)利用環(huán)境監(jiān)測與評價方面取得長足的進展，大量新型的遙感數(shù)據(jù)在煤礦山環(huán)境監(jiān)測領域投入使用，多源、多平臺、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)綜合形成礦山全周期的環(huán)境監(jiān)測技術，從不同的角度反映煤礦山地質環(huán)境問題，為煤礦山環(huán)境修復治理與環(huán)境保護提供了豐富的基礎數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星遙感技術基于多平臺、多種類、多尺度的遙感數(shù)據(jù)，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境(露天采礦場、開采塌陷地、礦山固體廢棄物排棄場、礦區(qū)地質環(huán)境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂縫)進行中等比例尺度的調查和監(jiān)測。低空無人機遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外、LiDAR等傳感器，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行大比例尺高分辨率的調查和監(jiān)測。

2.1 煤礦山環(huán)境監(jiān)測

煤礦山的開發(fā)引發(fā)一系列的礦山環(huán)境問題，以往通常采用衛(wèi)星遙感技術，開展煤礦區(qū)資源開發(fā)狀況和礦山環(huán)境遙感地質解譯、礦山環(huán)境問題區(qū)監(jiān)測，通過實地調查驗證，評價礦山環(huán)境分布狀況。隨著低空無人機技術的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，面向生產的煤礦山，遙感礦山環(huán)境監(jiān)測由單純的遙感解譯提升為“衛(wèi)星遙感+無人機遙感+物聯(lián)網(wǎng)”的礦山環(huán)境監(jiān)測模式(圖1)。

圖1 面向生產煤礦的礦山環(huán)境監(jiān)測模式Figure 1 Mine environmental monitoring modefor operating coalmines

利用衛(wèi)星高分遙感影像對植被類型、植被損毀面積、復墾區(qū)植被面積、植被覆蓋度及土地利用類型圖斑的解譯。采用雷達遙感數(shù)據(jù)，如Sentinel-1、ALOS等，利用InSAR技術通過多期數(shù)據(jù)的疊加分析，獲取煤礦區(qū)地表沉降區(qū)域，圈定沉降中心、沉降范圍及沉降量，評價采煤沉陷區(qū)穩(wěn)定性和趨勢預測，指導礦區(qū)安全生產。

利用無人機航拍對煤礦地質災害(地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌)發(fā)育情況、地形地貌景觀(包括植被損毀面積、土地壓占規(guī)模)破壞情況、土地損毀情況(損毀的面積、地類、損毀程度)、復墾區(qū)植被狀況進行監(jiān)測，與衛(wèi)星遙感監(jiān)測效果進行互補與驗證。

通過部署地表各類物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測儀器，對地表形變、地下水、降雨量等進行收集，結合實地野外調查及采樣測試，對監(jiān)測區(qū)域的地下水環(huán)境、土壤環(huán)境、各類礦山地質環(huán)境問題的變化趨勢進行預測評價，為進行礦山地質環(huán)境保護與恢復治理提供依據(jù)。

2.2 煤礦綠色礦山建設

礦區(qū)環(huán)境與資源開發(fā)方式是綠色礦山建設的重要評估指標，在綠色礦山建設評估審核中，選取煤礦區(qū)的高分衛(wèi)星影像，按照《綠色礦山評估指導手冊》中綠色礦山評分表，對煤礦區(qū)開發(fā)環(huán)境進行全要素解譯，結合實地調查驗證，編制礦區(qū)綠色礦山遙感圖件，根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境特征和復墾綠化情況，直觀核查綠色礦山主要環(huán)境指標的建設效果和存在的問題(圖2)，指導進一步針對性地修整，從而為綠色礦山建設評估提供基礎依據(jù)。通過一系列的遙感綠色礦山評估實踐，綜合而言，高分辨率遙感技術在綠色礦山基礎可視指標的評估中，具有宏觀、經濟、高效的優(yōu)勢，可進一步推廣使用。

圖2 煤礦山綠色礦山建設遙感核查Figure 2 Coalmine green mine construction remote sensing checking

2.3 煤礦山環(huán)境恢復治理

以多源、多平臺遙感技術(衛(wèi)星、無人機)為主，輔以常規(guī)的地表監(jiān)測、地質調查、物探、鉆探等，構建了礦山環(huán)境恢復治理遙感監(jiān)測體系(圖3)，衛(wèi)星遙感技術基于多平臺、多種類、多尺度的遙感數(shù)據(jù)，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境(露天采礦場、開采塌陷地、礦山固體廢棄物排棄場、礦區(qū)地質環(huán)境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂縫)進行中等比例尺度的調查和監(jiān)測。無人機遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外等傳感器，對礦區(qū)修復治理工程進行大比例尺高分辨率的監(jiān)測，對修復治理工程進展和修復治理效果進行監(jiān)管。

圖3 礦山環(huán)境恢復治理遙感監(jiān)測體系Figure 3 Mine environmental rehabilitation governance remote sensing monitoring system

在我國高原高寒地區(qū)首例礦山環(huán)境修復治理工程-青海木里礦區(qū)礦山環(huán)境修復治理中，面臨礦山環(huán)境背景資料缺乏、工期緊、施工難度大等問題，通過木里礦區(qū)從未開發(fā)至2020年30余年的歷史多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析與信息提取，快速查清了礦山環(huán)境問題，制定了科學合理的修復治理方案，并且對修復治理工程開展了無人機遙感監(jiān)管，高效獲取工程方量，直觀展示修復治理效果，實現(xiàn)礦山修復治理的精準可視化評價(圖4)，為遙感技術有效支撐礦山環(huán)境恢復治理工程化應用提供了新的服務模式和借鑒。

圖4 無人機傾斜攝影展示修復治理效果Figure 4 Drone tilt photos displayed rehabilitation governance effect

2.4 煤火區(qū)評價及碳排放監(jiān)測

煤炭自燃不僅破壞寶貴的煤炭資源，也向大氣中排放大量的CO2，加速全球變暖進程，是碳減排的主要治理目標之一。隨著遙感圖像光譜分辨率、幾何分辨率的提高，并且低空無人機和熱紅外成像儀的技術發(fā)展，遙感煤田火區(qū)技術應用向精細化、定量化發(fā)展。

煤田火區(qū)遙感探測由傳統(tǒng)的低分辨率、大范圍的監(jiān)測到高分辨率、小范圍的精細化調查發(fā)展，由面到點，由煤田到具體的火點，為滅火工程設計提供直接依據(jù)。利用衛(wèi)星遙感、低空無人機遙感和地表調查相結合的技術，面向煤田火區(qū)治理的全流程，構建天空地時煤田火區(qū)遙感監(jiān)測方法體系(圖5)，廣泛應用于火區(qū)調查、治理設計、施工、監(jiān)測等方面，近年來，在陜北侏羅紀煤田淺部煤層自燃綜合治理區(qū)、楊伙盤生產礦井工作面地表火區(qū)和內蒙古古拉本煤田等火區(qū)調查治理中，取得了良好的應用效果。

圖5 天空地時煤田火區(qū)遙感監(jiān)測方法體系Figure 5 Spatiotemporal coalfield burning area remote sensing monitoring system

在煤田火區(qū)碳監(jiān)測方面，通過綜合遙感圈定出的火區(qū)面積、監(jiān)測火區(qū)地表出口處的CO2濃度，從排放通量、時間和面積等多個因素考慮，開展煤田火區(qū)碳排放通量計算模型構建，實現(xiàn)煤田火區(qū)碳排放通量的動態(tài)計算。針對煤矸石山，應用遙感技術監(jiān)測煤礦矸石山的分布、恢復治理及再生利用情況，結合熱紅外遙感，調查矸石山的自燃情況，為掌握煤炭矸石山碳排放情況提供基礎數(shù)據(jù)。

2.5 遙感煤礦山環(huán)境監(jiān)測

面向礦山開采與恢復的全生命周期，以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、遙感等新技術和新方法為手段，整合礦山地質環(huán)境調查、動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)修復與治理工程監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，針對性開展礦山地質環(huán)境監(jiān)測工作。從礦山環(huán)境問題評價、治理工程的監(jiān)管和生態(tài)環(huán)境常態(tài)化監(jiān)測等方面，展示礦山環(huán)境變化與修復治理效果，建設礦山地質環(huán)境監(jiān)測平臺，為礦山地質環(huán)境修復治理和生態(tài)環(huán)境保護提供依據(jù)。

同時基于云平臺，開發(fā)礦山環(huán)境保護與生態(tài)修復監(jiān)管“一張圖”系統(tǒng)，全面掌握礦山地質環(huán)境破壞、治理的現(xiàn)狀和動態(tài)變化，分析其原因和發(fā)展趨勢，客觀、準確、及時的為礦山地質環(huán)境保護和生態(tài)修復工作提供基礎資料和科學依據(jù)。主要包含地質環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、生態(tài)修復治理監(jiān)管系統(tǒng)、生態(tài)修復數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、礦山地質環(huán)境“一張圖”應用系統(tǒng)。

3 遙感礦山環(huán)境監(jiān)測評價應用展望

新時代，生態(tài)文明建設和“雙碳”戰(zhàn)略的實施，煤炭行業(yè)將向清潔綠色高質量發(fā)展轉變，煤炭遙感應用由服務于煤炭勘查大幅度向煤礦區(qū)環(huán)境保護發(fā)展。隨著科技的進步，多平臺、多傳感器、多時相、多光譜以及多空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)綜合應用，已成為目前遙感技術的重要發(fā)展方向，同時人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展又促進了遙感數(shù)據(jù)與地學數(shù)據(jù)的有機融合，高光譜遙感、定量遙感的不斷創(chuàng)新，為煤炭遙感深度發(fā)展提供了保障。

遙感時空大數(shù)據(jù)將進一步精準高效服務于煤礦山環(huán)境監(jiān)測評價，未來需加強煤礦山環(huán)境遙感應用與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術的交叉融合，促進煤炭遙感向自動化、規(guī)模化、定量化、智能化方向轉型。

4 結論

1)從煤炭遙感數(shù)據(jù)源、遙感數(shù)據(jù)獲取技術和數(shù)據(jù)處理技術總結了煤炭遙感技術的發(fā)展，多源、高分辨率、高光譜的數(shù)據(jù)源，快速高效經濟的低空遙感數(shù)據(jù)獲取和高效精細化的數(shù)據(jù)處理技術已是目前煤炭遙感的深度發(fā)展的引擎。

2)遙感技術在煤炭資源開發(fā)利用環(huán)境監(jiān)測與評價方面取得了快速發(fā)展，多源、多平臺、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)綜合形成礦山全周期的環(huán)境監(jiān)測技術，為煤礦山開發(fā)、綠色礦山建設、礦山環(huán)境恢復治理和碳排放監(jiān)測等提供了豐富的監(jiān)測手段。

3)多源、多平臺遙感時空大數(shù)據(jù)將精準高效服務于煤炭全生命周期環(huán)境監(jiān)測是必然趨勢，未來煤礦山環(huán)境遙感應用將與大數(shù)據(jù)、云計算融合，向定量化、智能化發(fā)展。