遥感技术在矿区环境调查中的应用

白 璐

（神华地质勘查有限责任公司 北京 102211）

随着航空航天对地观测技术、计算机技术和电磁波信息传输技术等的深入研究，遥感技术得到了迅猛的发展，在实用化方向上迈出了重要的一步，并被广泛应用于各种国土资源调查与环境调查与研究中。本次研究选用分辨率为1.5m的神东矿区2014年SPOT6影像数据，采用人机交互与计算机自动信息提取相结合的方法，对矿区的生态环境、地质环境进行遥感解译与反演，调查发现矿区主要的环境问题并作分析研究。

1 工作区概况

神东矿区位于晋、陕、蒙三省区接壤地区，地处黄土高原丘陵区和毛乌素沙地的过渡地带,是黄河中上游风蚀沙化和水土流失最为严重的地区之一，生态环境十分脆弱。神东矿区总体规划范围的地理坐标是：北纬38°52′～39°41′，东经109°51′～110°46′，南北长38km～90km，东西宽35km～55km，面积约3522km2，保有地质储量3492.03Mt。矿区总体地形呈西北高、东南低，海拔标高一般在1000m～1300m左右，平均海拔1200m左右。属温带半干旱大陆性季风气候，其基本特征是冬季寒冷，春季多风、夏短暑热、秋季凉爽、温差悬殊；干旱少雨，降水集中，冬春干旱，夏多暴雨；大风频繁，气象灾害较多。矿区内主要河流为乌兰木伦河及窟野河，土壤主要有风沙土、栗钙土等。

在建设初期，神东矿区风蚀区面积占70%，平均植被覆盖率仅为3%～11%。1985年，矿区开采之初，就提出了“建设一流的能源企业，必须有一流的生态环境”的开发思想，之后又提出“3圈”的防治模式，即采取外围防护圈、周边常绿圈和中心美化圈三个空间层次进行综合防治。30年来，神东矿区坚持资源开发与水土保持并重，不断创新环保管理与生态修复技术，大力实施水土保持工程，累计投入治理资金13亿元，建成了让世人惊叹的“绿洲煤都”。地区经济随着煤炭开发和煤化工产业建设飞速发展，目前在陕西省、内蒙古自治区均属经济发展较快的地区。

2 环境质量因子信息提取与调查验证

根据矿区实际情况，确定能够反映矿区环境质量因子的种类，充分利用遥感技术提取不同层面的专题数据，包括：土地利用、植被覆盖、土壤侵蚀、土地复垦、土地沙漠化、地裂缝、地面塌陷、滑坡等直接影响环境质量的因子，从全空间区域了解这些基本要素的状况，同时利用野外调查验证、区域环境地质资料的收集，弥补地质环境信息的不足，利用DEM高程数据，分析地形地貌环境，为环境影响评估与预防治理对策提供依据。

2.1 遥感图像处理

具体包括影像波段选择、配准与融合、纠正、匀光与调色、镶嵌拼接、矿区DOM裁切等。

2.1.1 影像合成

根据所要提取的地物光谱响应特征及SPOT6影像特征，进行对比试验分析后发现使用SPOT6的3（红波段）＋4（近红外波段）＋1（蓝波段）波段进行RGB合成，其纹理和色彩效果更有助于解译。

2.1.2 影像几何纠正

(1）纠正模型选择。目前的正射纠正方法主要是利用遥感图像处理软件（如PCI、ERDAS等）的正射纠正功能模块，采用严格物理模型或有理函数模型，结合纠正控制资料和DEM来进行正射纠正。根据不同的遥感影像的具体情况，采用不同的模型纠正方法。对于能够提供卫星严格轨道模型的数据，采用严格物理模型，例如SPOT6、QB、WV；对于没有提供卫星严格轨道模型数据的影像，采用多项式纠正方法。（2）控制点选取。为保障纠正精度，对控制点选取根据不同纠正模型：卫星提供的辅助数据可建立严密的物理模型，该模型只需9个控制点；对于有理多项式模型，一般每景要求不少于30个控制点，困难地区适当增加点位。（3）精度要求。按规范要求，平地、丘陵地配准控制点残差不大于1个像素，山地、高山地配准控制点残差不大于2个像素，全色与多光谱影像不同步或不同源时，限差放宽0.5倍。（4）采样方式。影像的重采样间隔为原始影像的像元大小，重采样方法采用双线性内插或三次卷积内插法，配准后的影像保留原始影像的波段数目及顺序。

2.1.3 遥感数据融合

融合影像主要用于信息的提取，因此原始数据的处理不得产生光谱扭曲，以利于建立解译标志，减少判读的不确定因素。目前，遥感影像融合的方法有百余种，其中较为常用的融合方法主要包括以下几种：IHS变换、主成分分析（PCA）、Brovey变换融合、基于小波理论特征的融合（Pansharp融合方法）等。

2.1.4 融合后影像匀光与调色

融合后影像亮度偏低、灰阶较窄，采用线性拉伸、亮度对比度、色彩平衡、色度、饱和度和明暗度调整等方法进行色调调整。色调调整时保留了多光谱影像的光谱信息和全色影像的纹理细节，有利于变化信息分析。对整个工作区内各景融合影像进行了色调归一调整，保证整个工作区的影像数据色调协调统一。

2.1.5 镶嵌拼接

（1）镶嵌线选取。镶嵌线尽量选取线状地物或地块边界等明显分界线，使镶嵌影像中的拼缝尽可能地消除，不同时相影像镶嵌时保证同一地块完整，有利于判读。镶嵌后影像避开了云、雾、雪及其他质量相对较差的区域，使镶嵌处无裂缝、模糊、重影现象。（2）镶嵌。对重叠精度满足要求的相同采样间隔纠正后影像进行镶嵌。当相邻两景影像时相或质量相差不大时，保持影像纹理、色彩自然过渡；时相差距较大、地物特征差异明显时，保持各自的纹理和色彩，但同一地块内光谱特征保持一致。

2.1.6 矿区底图裁切

按矿区范围界线对镶嵌后DOM进行裁切，范围为矿区范围界线外扩1km范围，沿最小外接矩形裁切，形成矿区内不同采样间隔分别镶嵌后若干独立的IMG文件。矿区范围界线外扩1km至最小外接矩形之间的区域填充黑色（RGB值为：0，0，0或全色灰度值0）。

2.2 环境质量因子信息提取

2.2.1 土地利用

对区内土地覆盖现状、采矿活动用地等要素进行解译，建立居民点、工矿建筑用地、林地、耕地、草地、沙地、裸地、河流水面、滩地等类型用地的解译标志，确定其分布位置、范围和面积。其中重点解译由于采矿活动引起的采掘场、堆煤场、煤矸石、弃土弃渣等的堆积位置、堆积范围和占压面积。

2.2.2 植被覆盖

区内植被类型比较单一，生长较差，各地覆盖度差别较大，主要以沙生植被为主。在对区内典型植被建立解译标志，包括有林地、灌木林、未成林造林地、疏林地、宜林荒地、农地、草地、无植被。首先将农田植被与其它植被分开，然后再对其它植被进行目视解译。

植被覆盖度是指植物群落总体或个体的地上部份的垂直投影面积与样方面积的百分比。植被覆盖度的测量可分为地面测量和遥感测算两种方法。地面测量常用于田间尺度，遥感测算常用于区域尺度。以SPOT6数据为依据，采用归一化植被指数（NDVI）模型，利用专业图像处理软件，对矿区植被覆盖度进行遥感定量反演。参照“HJ/192-2006生态环境状况评价技术规范（试行）”行业标准，将矿区植被覆盖度依据百分比，划分为高、中高、中、低、极低植被覆盖度五个等级。

2.2.3 土壤侵蚀

以SPOT6图像为信息源，解译地形地貌、土地类型、植被覆盖度，同时获取本区的DEM数据，以坡度、非耕地植被覆盖度和坡耕地三个因子作为评价指标，依托ArcGIS软件的空间数据处理和分析功能，进行煤矿土壤侵蚀强度的定量评价。按水利部颁发的《土壤侵蚀分类分级标准》中的水力侵蚀和风力侵蚀强度分级指标，将本区土壤侵蚀划分为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈五个等级。

2.2.4 土地复垦

区内矿方对部分采掘场、排矸场、排土场等完成土地复垦。在遥感影像上，经绿化复垦的排矸场、排土场在色调、影纹结构上与周围地域有较为明显的差异。土地复垦主要有两种方式，包括种树种草与柠条等灌木压盖。从影像解译可以获取工业场地、排土（矸）场土地复垦的方式、面积等信息。

2.2.5 土地沙漠化

以2014年1:1万SPOT6图像为主要信息源，以2008年ALOS图像，和2012年航片作为辅助信息，以流沙覆盖率和植被覆盖度为直接解译标志，以水系和影纹特征作为间接解译标志，对土地沙漠化进行遥感解译。

2.2.6 地裂缝

以SPOT6图像为信息源，可以发现区内较大的地裂缝，确定其位置、范围与走向。对于区内较小裂缝，通过影像不能识别，需要野外调查补充测量。

2.2.7 地面塌陷

区内地面塌陷往往与地裂缝相伴而生。以SPOT6图像为信息源，可以发现区内较大的漏斗型塌陷坑，它是井下发生突水溃沙或井下煤层自燃后在地面形成的凹形坑。地面漏斗在SPOT6遥感影像上显示为较圆的负地形，多数情况下为成群体分布。对于区内由于采矿引起的地面沉降等大面积地面变形，通过影像无法识别，需要现场补充测量。

2.2.8 滑坡

矿区属于黄土高原丘陵地貌，区内滑坡较为发育。通过对SPOT6影像的解译，可以发现区内大中型滑坡，可以确定其位置、范围，估算出滑坡体体积。对于小型滑坡，SPOT6影像无法识别，需要现场调查测量。

2.3 野外调查验证

为保证室内遥感解译成果的可靠性和准确性，对于室内遥感解译工作中无法解决的或存在疑问的问题，需要有重点地安排野外实地调查验证工作。外业观测点和观测路线的布置视室内遥感解译情况来确定。

野外验证工作中，使用1:50000地形图和遥感影像作为工作手图，利用GPS定位技术进行，采取点、线、面相结合，一般性观察与重点剖析相结合，专题调查与走访相结合的方式方法，争取吸收矿区相关技术人员参与调查工作。

对每一观测点要认真详实填写外业观测记录表格，对实地情况做出详细描述，并配以现场照相记录，建立完整的外业观测数据档案。

同时对遥感影像解译当中需要采集的有关参数进行实地补充测量。

2.3.1 验证内容

外业调查的主要内容包括补充收集各类短缺资料、修正图面上有关界线和注记、核实内业提取信息和补充可能遗漏信息等，具体内容如下：（1）核实室内解译图斑属性与实际的一致性；（2）验证室内解译不确定其属性的图斑；（3）观测重要地质灾害现象的具体数据；（4）核查前人资料的现实性；（5）其他地质环境相关资料。

2.3.2 验证方法

（1）补充收集前期可能遗漏的有关资料；（2）外业实地观测；（3）询问。对于个别由于交通不便等原因而无法观测的解译图斑，通过与煤矿相关技术人员采取面对面交流和咨询等方式进行核实，这一过程非常重要。

2.3.3 验证精度

野外实地调查图斑量不小于解译图斑总量的5%；有疑问的图斑应100%进行检查。野外检查验证工作完成后在室内及时做好野外数据资料的整理工作，按照要求填写野外调查表，内容规范齐全，图表内容一致。

2.4 室内解译成果修正及统计分析

为进一步保证提交成果的精度和准确度，野外检查验证后，需要结合野外资料和影像特征修正解译成果，把解译有误的图斑一一改正。在此基础上进一步完成遥感调查统计分析，编制1:10000比例尺的土地利用现状图，植被覆盖分布图，环境地质现状图，土地沙漠化及土壤侵蚀等专题图件。

3 矿区环境治理综合研究

根据本次遥感调查成果，结合野外调查资料，按照《全国矿山地质环境调查技术要求实施细则》与《矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范》的技术要求，对神东矿区进行环境影响程度现状的评估，结合矿区开采现状，对现存和潜在的矿区环境主要影响因素进行相应的影响程度评估。根据《矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范》中的细则，神东矿区为大型建设规模、地质条件复杂的评估重要区，确定神东矿区的环境影响评估为一级评估。在评估基础上对矿区环境现状进行综合分区，将工作区划分为环境影响严重区、较严重区、较轻区，针对不同程度的影响区域提出相应的预防措施和综合治理工作建议。

4 数据库建设

从资料的有效保存和可持续利用为目的，建立神东矿区调查及综合治理数据库；将调查研究所取得的各类数据、信息、图表等入库。数据格式与图例参照有关规范执行。

5 结语

基于遥感技术宏观性强、时效性好、信息量丰富、全天候，投入少、收益大、节约成本等特点，并且遥感影像能够客观、快速、准确反映情况，提供良好的时效性的特点，遥感技术应用到矿区环境地质调查和研究具有得天独厚的优势。本次调查工作技术方法具有一定的开创性，值得在神华矿区范围内推广。

利用法国SPOT6卫星影像数据进行矿区环境地质问题调查，1.5m的地面分辨率完全满足矿区生态环境、土地利用现状、矿区剥挖情况以及土地压占与破坏等方面的调查与监测，而在矿区地质灾害的调查和监测工作中，应该选择分辨率优于1m的高精度的遥感卫星数据。

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