基于RS和GIS的浙江省湖州市某区域矿山环境遥感监测

张琳，杨永强，汪洁，杜晓川

（1.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083）

0 引言

浙江省湖州市非金属矿产资源丰富，在历史上也属于矿业大市，矿产建材业为湖州市的支柱产业，矿山开采对湖州市经济的发展产生积极影响（龚西征，2019）。但长期的矿山开采使矿山环境也存在着塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等矿山地质灾害隐患，因而有必要对矿山环境进行动态监测。我国开展了很多矿山环境方面的调查研究，矿山环境遥感监测是重要的研究之一。传统的研究方式周期长、费用高，也有一定的局限性。遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术作为新兴的信息技术之一（Fang，2020；王娟等，2014），可以更加快速了解矿山环境的动态变化情况（Zhou et al.，2011），克服传统方式的局限性。将此技术运用到矿山遥感监测中，能够更好的分析矿山环境状况，进而为更好地制定矿山环境恢复治理方案和措施提供基础资料和科学依据，从而更好的保护矿山生态环境（姚维岭等，2015；陈喜芬等，2019）。

国内诸多学者利用遥感监测手段对矿山环境进行研究，提取了不同时期矿山环境（武强和李学渊，2015）、矿山开发状况（杨金中等，2014；赵玉灵等，2019）和矿山环境恢复治理（王海庆和陈玲，2018；邓锟，2019；汪燕等，2020）信息。前人研究大多只用遥感监测手段对研究区进行监测，对于矿山环境监测工作过程中使用地形地貌与遥感监测相结合进行的研究相对较少，本文鉴于此，在充分利用湖州市2018年和2019年获取的国产高分辨卫星数据和SRTMDEMUTM 90M 分辨率数字高程数据的基础上，将研究区地形坡度与研究区矿山环境矢量结合，总结不同地形坡度下的矿山占地特征，可以更好的与地形、坡度结合全面分析研究区矿山环境状况，再结合浙江省的自然环境、矿产资源分布情况等资料，对湖州市某区域矿山环境情况进行动态监测，旨在掌握湖州市矿山环境现状及其发展趋势。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于北纬30°34’～31°0’、东经119°30’～120°5’之间。位于浙江省北部，湖州市中部，太湖南岸，紧邻安徽、江苏两省；该研究区地形多为平原，分布在北部、西北部和东部；中部多为丘陵；西南部大多为山地，大体上地势由西南向东北倾斜；地处北亚热带季风气候区，总的特点为四季分明、季风显著、气候温和多雨，雨热同期。

1.2 矿产资源

湖州市非金属矿产资源丰富，是浙江省非常主要的建材生产基地（朱仲华，2016）。表现为建筑石料矿产资源丰富（李风和项江鸿，2018），矿山点多面广、燃料矿产短缺、金属矿产匮乏。矿区内主要开采建筑用凝灰岩、建筑用花岗石、建筑用砂岩、建筑石料用灰岩、页岩；已知的其他开采矿种还有砂岩、水泥用灰岩、建筑用安山岩、玻璃用石英岩、水泥配料用页岩、砖瓦用粘土等。

2 遥感监测方法

以ArcGIS 等软件为研究平台，进行数据处理、遥感解译等来完成本次研究。主要的工作流程为收集已有的基础地理、矿山环境等基础的成果资料，对遥感影像进行预处理，通过野外实地调查和影像的对比分析，建立遥感解译标志，完成对于矿山占地、矿山恢复治理等信息提取工作，对比研究区2018 年的矿山环境调查成果，分析矿山环境的更新情况和动态变化，进行坡向分析，结合矿山环境矢量，总结恢复治理模式，技术流程如图1所示。

图1 总体技术流程

2.1 遥感数据及其预处理

本次研究是采取了2018年和2019年2年的国产高分辨率卫星数据作为遥感信息源，包括GF1、GF2、GF6、ZY3、BJ2等数据，主要为空间分辨率为1 m的影像，其次是0.5 m和2 m的影像，为了保证2年卫星数据信息提取的准确性，所以对遥感影像进行了预处理。高程DEM数据则是在地理空间数据云官方网站（http://www.gscloud.cn/）下载的SRTMDEMUTM 90M 分辨率数字高程数据产品，下载的数据为.img格式。

先是基于ERDAS软件平台完成对2018年数据的处理，主要包括几何纠正、波段组合、数据融合等，然后以处理好的2018年的影像数据为基准，在误差允许的范围内（0.5～0.75 mm）（汪洁等，2019，2020），对2019年的影像进行几何纠正，对配准之后的影像进行波段组合和数据融合。然后在利用ArcGIS数据管理工具，对下载的DEM数据进行预处理，主要包括镶嵌、提取分析、投影栅格等。最后进行高程分类、坡度分析，得到研究区的高程、坡度数据。

2.2 信息提取

在野外踏勘的基础上，利用ArcGIS软件平台，采用人机交互解译的方法（刘金榜等，2014），在经过正射纠正的2018年和2019年影像上分别提取矿山开发环境的地物信息，主要包括矿山采场、中转场地、固体废弃物、矿山建筑物以及矿山环境恢复治理等信息。依据遥感解译和野外实地验证的成果，将各类主要的矿山地物解译标志（马国胤等，2017）如下列举（表1）：

表1 矿山地物解译标志表

3 结果与分析

3.1 地形地貌特征

根据全国统一的高程划分标准（宋佳，2006；刘思洁，2017），利用湖州市DEM数字高程数据，在ArcGIS软件平台，运用栅格转面工具，提取高程数值、分类，制作地形起伏分级图，将湖州市按地形的起伏程度划分为6个等级：即<30 m平原、30～70 m台地、70～200 m丘陵、200～500 m小起伏山地、500～1000 m中起伏山地、1000～2500 m大起伏山地（图2）。研究区主要以台地和丘陵为主，合计占比69.46%。

图2 浙江省湖州市某区域地形起伏分级图

通过ArcGIS 3D分析中的表面分析工具，对研究区进行坡度划分，将研究区坡度分为6个等级，即0～5°平坡、6～15°缓坡、16～25°斜坡、26～35°陡坡、36～45°急坡和46°以上险坡（图3）。研究区主要以缓坡和斜坡为主，合计占比55.37%。

图3 研究区矿山占地坡度分级图

3.2 矿产开发状况

研究区主要开采非金属矿，均属于建材及其它非金属矿产，对非金属矿的开采正在有序进行；矿业开发秩序良好，新增采场均在矿权范围内，影像及野外调查均未发现越界开采、无证开采、以采代探等疑似违法违规现象。

从地形来看，研究区平原地区主要开采建筑石料用灰岩、台地地区主要开采建筑用花岗石、丘陵和小起伏山地主要开采建筑用凝灰岩；从坡度来看，研究区斜坡、陡坡、急坡、险坡主要开采建筑用凝灰岩；平坡主要开采建筑石料用灰岩；缓坡主要开采建筑用花岗石。

3.3 矿山占损土地

研究区2018年度矿山开发占损面积2587.80 hm2（表2）。从矿山占地看，采场占比81.96%；中转场地占比10.02%，主要类型为选矿厂208.48 hm2；固体废弃物占比0.72%，主要类型为排土场11.45 hm2；矿山建筑占比7.31%，主要类型为生产区118.64 hm2。2018—2019年新增占损土地面积63.91 hm2（表2），且大多数为挖损土地新增，压占土地仅增0.40 hm2，矿山占损土地变化不大。

表2 研究区矿山环境遥感调查统计表/ hm2

矿山占损土地主要以丘陵为主（表3），占比36.12%，其次为台地，占比33.03%；从坡度来看，主要集中于缓坡地区（表4），占比27.30%；其次为斜坡，占比25.31%。据研究区在不同起伏度和坡度下矿山占地面积统计（表3、表4），采场主要在丘陵地区，占总采场面积的39.72%，以缓坡为主；中转场地是主要在平原地区；占比67.44%，以平坡为主；固体废弃物主要在丘陵地区，以缓坡为主；矿山建筑物主要在平原地区，以缓坡为主。研究区开采难度较小，开采边坡较为稳定。

表3 研究区各地形下的挖损土地面积统计表/ hm2

表4 研究区各坡度下的挖损土地面积统计表/ hm2

研究区2018—2019年新增占损土地主要集中分布于平原地区（表5），占比47.36%；其次是台地，占比46.26%；从坡度来看，主要集中在缓坡地区（表6），占比53.09%；其次为斜坡，占比30.29%；可见该地区矿山露天开采边坡较为稳定；新增的主要类型为采场，因该地西南部大多为山地，所以新增采场面积较大（图4）。

图4 研究区西南部某区域新增占损土地情况对比图

表5 研究区各地形下的新增挖损土地面积统计表/ hm2

表6 研究区各坡度下的新增挖损土地面积统计表/ hm2

从矿种来看，研究区2018年度，建材及其它非金属2577.48 hm2、冶金辅助原料非金属0.27 hm2、特种非金属10.05 hm2（表7），对冶金辅助原料非金属的开采远远高于其他矿种。2018—2019年新增面积63.91 hm2，且全部为建材及其它非金属新增，冶金辅助原料非金属和特种非金属均无变化。说明该地区对于建材及其它非金属矿产的开发持续增加，对该矿产的开采正在有序进行。

表7 研究区不同矿种矿山开发占地统计表/ hm2

据不同矿种的地形地貌占地统计（表8、表9），建材及其它非金属主要分布在台地地区，占比35.88%；其次为丘陵地区，占比35.41%；以缓坡和斜坡为主，累计占比60.27%；陡坡地带面积814.10 hm2、急坡443.52 hm2、险坡171.58 hm2，有一半以上区域较易开采，但在陡坡、急坡、险坡地区开采难度较大。

表8 研究区不同地形下不同矿种矿山开发占地面积统计表/ hm2

表9 研究区不同坡度下不同矿种矿山开发占地面积统计表/ hm2

3.4 矿山环境恢复治理

2018年研究区涉矿面积为4434.16 hm2，其中，矿山占损土地2587.80 hm2，恢复治理1846.36 hm2（表10），恢复治理百分比是43.81%，主要进行了矿山土地复垦、植被绿化等治理工程，矿山环境恢复治理程度较高（图5）；研究区位于湖州市中部，地形平坦、四季分明、温和多雨，充足的阳光、适宜的水分和良好的自然环境，非常适合草木的生长。研究区2018年度，矿山环境恢复治理主要为林地（表10），共计完成恢复治理917.12 hm2，占比 49.67%。其中，主要是采场与中转场地，分别转换了822.62 hm2、94.46 hm2；其次为其他用地和草地，分别完成恢复治理578.93 hm2、196.81 hm2，也主要是采场和中转场地转移。

表10 研究区2017—2018年矿山环境恢复治理土地类型转移面积统计表/ hm2

图5 研究区2018年和2019年恢复治理影像对比图

研究区矿山环境恢复治理主要是在台地地区，占比38.66%（表11），以缓坡为主；其次是在丘陵地区，占比31.17%，以斜坡为主，矿山环境恢复治理地带较陡，难度较大。

表11 研究区各地形坡度下恢复治理面积统计表/ hm2

2018—2019年度新增恢复治理263.94 hm2（表12），恢复治理百分比为44.05%。林地呈现平稳增长，耕地和其他用地增幅较大；新增林地恢复治理面积56.24 hm2（表12），上涨6.13%；其他用地新增180.04 hm2，上涨31.10%；新增耕地25.90 hm2，上涨32.99%，是涨幅最大的土地类型；与2018年相比，研究区2019年新增连带治理面积0.66 hm2（表13）。从治理的土地类型上来看，主要的治理类型是林地，其次为其他用地（图6）。

图6 研究区2018年和2019年恢复治理土地类型情况对比柱状图

表13 研究区2018—2019年矿山环境恢复治理土地类型转移面积统计表/ hm2

根据研究区新增恢复治理土地类型所对应的坡度情况（表12），总结出一套适合湖州市的矿山环境恢复治理模式。在平坡地区恢复治理面积最大，为84.54 hm2，占比32.03%。研究区地处北亚热带季风气候区，气候温和多雨，环境适宜，部分采场自然复绿；区内大部分为露天采场，交通便捷，对矿山原占地进行改造，树木种植、植被绿化，对压占的土地进行回填、平整和复垦，铺设防护网，进行复绿工程；缓坡地区恢复治理面积56.67 hm2，占比 21.47%。坡度较小，治理难度较小，一边开采、一边复绿；在斜坡地区恢复治理面积79.01 hm2，占比 29.93%。需先将坡面进行边坡稳定性处理，在陡坡、急坡、险坡地区，需先进行削坡、降坡，进行坡面的清理和整修，在坡体顶部加盖固定等。

表12 研究区各坡度下的新增恢复治理土地利用类型统计表/ hm2

综上所述，研究区主要的恢复治理类型可以概括为生态自然复绿型、矿山占地改造型、边开采边治理型等治理模式。主要的恢复治理措施是植被绿化、削坡、降坡、对压占的土地进行回填、平整和复垦、树木种植等。

据遥感调查成果，研究区不同起伏度下的面积，平原面积1474.58 hm2、台地1869.64 hm2、丘陵1783.60 hm2、小起伏山地131.96 hm2；研究区不同坡度下的面积，平坡面积831.29 hm2、缓坡1530.94 hm2、斜坡 1381.55 hm2、陡坡 886.84 hm2、急坡 456.03 hm2、险坡173.13 hm2。研究区地形主要以台地和丘陵为主，坡度以缓坡和斜坡为主，有一半以上区域较易开采，边坡稳定。矿山环境的恢复治理情况良好，证明了湖州市矿山环境恢复治理取得了较好的结果，治理前主要为采场，恢复治理后主要为林地，从遥感影像上看，大部分地区植被长势良好。十多年来，湖州树立践行“绿水青山就是金山银山”理念，让山川披上绿衣。

3.5 地质灾害或潜在地质灾害

该研究区无地质灾害发生，主要开采方式为露天开采，未发现塌陷坑，但还存在潜在地质灾害威胁，如在急坡、险坡地区采场存在不稳定斜坡，以及随着开采深度的不断加深，容易引发崩塌、山体滑坡等地质灾害；固体废弃物的不合理堆放存在潜在泥石流；分布于山区附近的农村人民居住地在强降雨等自然因素的诱发下可能发生崩塌、滑坡等。当地居民还是要提高警惕，扎实做好地质灾害防治工作。

4 结论

（1）通过使用2018年和2019年获取的浙江省湖州市某区域国产高分辨率卫星数据，建立了矿山遥感解译标志；矿山占地类型主要有矿山采场、中转场地、固体废弃物、矿山建筑以及矿山恢复治理；通过DEM数字高程数据，划分高程标准，判断地形起伏；用研究区坡度数据，结合矿山环境矢量，再结合浙江省的自然环境、矿产资源分布情况等资料，对湖州市某区域矿山环境情况进行遥感监测。两年内，研究区矿山开发状况良好，未发现塌陷坑、崩塌、滑坡、泥石流等矿山地质灾害，也未监测到疑似违法违规开采迹象，矿区开采稳定。

（2）研究区主要的恢复治理模式主要概括为生态自然复绿型、矿山占地改造型和边开采边治理型。主要的恢复治理措施是植被绿化等工程治理，削坡、降坡，土地的平整复垦，树木种植等。植被长势良好，矿山环境恢复治理情况较好，两年来恢复治理率有所提升，当地政府部门应在此基础上继续推行矿山恢复治理方案，不断完善治理规划，继续走绿色发展之路。