遥感技术在泰山区域矿山环境治理修复工程的监测应用

2019-09-25薛卫宁

山东国土资源 2019年10期

薛卫宁

(山东省遥感技术应用中心，山东济南 250013)

0 引言

山水林田湖草是生命共同体，森林、草原、湿地、河流、山脉等环境要素[1]，既提供了人类生存的物质资源，也是人类赖以生存的生态环境。改革开放以来，随着经济的发展，自然资源开发利用强度大幅度提升，部分地区生态系统退化严重[2]。我国是世界上重要的矿产资源开发国家[3]，在满足社会经济发展对能源、物质需求的同时，也引发了较多的矿山地质环境问题。主要表现在：矿山的露天开采形成了众多露天采坑和破损山体，矿山的地下开采造成矿山地面和采空区塌陷[4]，废弃的工业广场、固体废弃物、尾矿库堆放占压了大量土地资源。随着采矿范围的扩大和采矿工作深入，大量的农田、林地、草地和建设用地都遭到了一定程度的破坏[5]。面对这些问题，各地开展了认真研究和规划，并开展了大规模的生态修复工程，矿山环境治理修复首当其冲。2018年4月，山东省发布了《山东省矿山地质环境保护和治理规划(2018—2025)》，在分析全省矿山地质环境现状及发展趋势的基础上，明确了今后一个时期内矿山地质环境保护与治理修复工作的指导思想、基本原则、目标任务和重点工程，提出了矿山地质环境保护措施与治理方式、规划实施的保障措施。同时，2018—2020年积极开展泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程国家试点建设，构筑“泰山大生态带”。

但是，矿山环境治理修复工程的监管、效果评价，需要以治理修复的现状数据为基础开展。修复治理的项目往往地处偏僻、地形复杂、交通不便。尤其是已经废弃的矿山，道路无人维护，人员、车辆难以抵达。利用传统的外业勘察作为监测的技术手段，修复工程范围内难以全部抵达，难以看到全部地类，无法精确确定修复工程边界。存在工作难度大、监测周期长、费用高的问题，这给修复治理的监管带来了很大困难。遥感技术基于遥感影像，具有监测范围大、获取信息速度快、监测周期短、费用低廉、受地面条件限制少的特点[6-8]。基于以上特点，遥感技术可以作为矿山地质环境监测的有效手段[9]。同时遥感图像为各种地质构造提供了直观的地质概念[10]，可以从宏观的层面认识各种地类和各个地类之间的相互关系。结合矿山的生产流程可以准确勾画出矿山的边界和修复状况。利用多时相的卫星影像反复判读、提取，还可以获得修复治理准确的动态信息。

1 研究区域及研究资料

山东省是矿业大省，矿业总产值居全国第二位，目前已发现的矿产资源有148种，已查明的具有一定资源储量的矿种85种，矿产地2887处，各类生产矿山1661个，闭坑、关闭和废弃矿山7813个[11]。省内矿产资源的大规模开发产生了较多的矿山地质环境问题，尤其是已经关闭和废弃的矿山，不产生任何经济效益，还破坏当地的生态环境，影响了周边群众的生产和生活。2017年，经财政部、国土资源部、环境保护部批复，山东省泰山区域入选国家第二批山水林田湖草生态保护修复工程试点范围。泰山工程区域内矿产资源丰富，关闭和废弃矿山也很多，破损山体与采矿塌陷地等矿山地质环境问题比较突出。这些问题都要在修复工作中逐一解决，以恢复到良好的生态环境。在修复过程中，对修复工程项目中的矿山地质环境治理工程的变化进行监测，对修复工程实施过程、效果等实施监管、评估和分析，可以真实反映工程实施过程中和实施后，监测区域内生态环境变化以及改善情况，为矿山地质环境监督管理提供基础资料和地质依据[12]，为各级政府及主管部门对矿山地质环境修复、治理等方面的管理、决策提供技术支持。监测范围泰安、济南16个县(市、区)，面积约13500km2，监测区域如图1所示。

图1 研究区范围示意图(2018年)

2 技术方法

2.1 总体技术路线

以2018年3—6月，0.5m分辨率卫星遥感影像为主要影像数据源，在2018年度山东省基础性地理省情监测数据成果基础上，依据专题性地理省情监测内容和技术要求，采用人机交互的方式提取监测区域内的地表覆盖信息及专题要素信息；然后，利用2017年度矿山地质环境调查数据、专题性地表覆盖及要素数据，通过影像直接判读的方式，采集矿山地质环境专题要素信息；最后，利用2018年基础性地理省情成果数据、高分辨率遥感影像以及2017年矿山地质环境调查数据，提取2017—2018年度矿山地质环境变化数据。技术流程见图2所示。

图2 总体技术路线图

2.2 主要技术方法

2.2.1 矿山地质环境遥感解译标志建立

遥感影像解译时，对遥感影像反映的地类和环境的正确认知，是保证解译结果正确率的基本前提。遥感解译标志是指遥感影像上所呈现出的不同地类特有的影像特征，根据这些影像特征可以判读出影像反映的地物类别。影像特征受地类对太阳光的反射、吸收，拍摄时阳光的强度、角度、色温的影响，即使同一地类，不同的季节、不同的气象条件所产生的影像特征也会有所不同。同时影像特征还会受相邻地类的影响，随环境的变化产生相应的变化。因此，需要实地勘察地物类别，分析其在影像上反映的颜色、亮度、形状、纹理、阴影及周边环境的影响和相邻地物类别的相互关系，从而建立地物类别和遥感影像的一一对应关系。以此为基础生成解译样本数据，建立遥感解译标志。遥感解译标志即可以为作业员的正确判读提供帮助，保证分类精度。也可作为检查人员的检查依据，对解译结果的质量进行控制。同时，遥感解译标志的建立，也为长期监测积累实地参考资料[13]。遥感解译标志按特征分为直接解译标志和间接解译标志2种。基于地类自身特征建立的遥感解译标志为直接解译标志，包括地物类别在影像上反映的颜色、亮度、形状、纹理、阴影等。基于环境特征建立的遥感解译标志为间接解译标志，特征包括地物类别周边地形、地貌、气候，其他地物类别及人文活动等。根据山东省矿山地质环境特点，该次监测将矿山地质环境专题要素划分为露天采坑、破损山体、采矿塌陷地、固体废弃物堆放、尾矿库、其他矿料堆放、工业广场、矿山地质环境修复治理区域等类别(表1)[14]。按此分类逐一建立遥感影像解译标志，如果某一类别影像特征相差过大，基于影像特征差异建立子类别遥感影像解译标志。

2.2.2 矿山地质环境信息内外业一体化提取

作业采用内外业一体化技术，按照内业提取信息、外业实地核查、内业编辑、整理的方法实施[15]。采用0.5m分辨率卫星遥感影像作为基础数据，套和专题性地理省情监测地表覆盖及要素等专题矢量数据，以遥感影像解译标志为依据进行内业判读、提取信息。对遥感影像不能确定的要素类别，利用外业核查方式，实地确认类别属性。

2.2.3 外业核查

受遥感影像分辨率、光谱波段数、获取影像时的气候条件及解译人员经验的影响，部分地物类型不能内业精确确定。对于内业不能确定的地类采用外业核查的方式予以确认。外业核查采用数字调查系统，采用GPS确定位置，记录外业工作行进轨迹，作为外业调查工作的追溯依据。在确认属性后，使用外业核查系统拍摄核查图斑的实地照片。对影像特征差异不大，内业未能分别提取的地类，实地采集地类属性、边界。然后导出数据成果，辅助内业编辑和质量检查，实现内外业数据无缝衔接。通过内外业结合的方式，最终获取矿山地质环境位置坐标、属性信息。

2.2.4 矿山地质环境变化信息提取

使用基于2018年遥感影像解译提取的矿山地质环境数据和2017年度矿山地质环境调查数据对比，通过矢量叠加，提取矿山地质环境变化信息。变化信息反映了治理修复前后的地质环境变化和治理修复效果，包括空间边界和属性两部分。

2.2.5 统计分析与成果

专题性统计主要是利用GIS空间分析功能和统计学方法，对监测区域内2018年矿山地质环境问题现状及新占地表覆盖情况、2017—2018年度矿山地质环境问题变化及恢复治理情况进行了统计分析。按照地级市、县(市、区)，分别统计2018年矿山地质环境问题和恢复治理区占地面积、各类矿山地质环境问题构成比、矿山地质环境恢复治理区域占矿山地质环境解译数据比例，以及2017—2018年度矿山地质环境解译数据变化等。形成反映专题变化的监测报告，专题监测报告内容包括统计报表、报告、图件等基本统计成果。