遥感技术在矿山环境地质调查中的应用——以宁夏卫宁北山为例

李华坦，王雁鹤，赵琳兴，马志远

（中国地质调查局西宁自然资源综合调查中心，青海西宁 810021）

矿山活动是人类工程活动对地质环境和生态环境影响最为强烈的行为之一，人类在开发利用矿产资源的同时，也产生诸多的环境地质问题[1]。党的十八大以来，生态环境保护被提到了前所未有的高度，矿山环境恢复治理成为衡量地方矿政管理部门工作业绩的重要指标之一，也是自然资源部定期发布《中国矿产资源报告》的重要组成部分[2]。近年来，随着卫星遥感技术的不断发展，商业化资源卫星数据的空间分辨率和光谱分辨率越来越高，利用该技术手段对矿业秩序混乱地区、生态环境破坏严重和地质灾害多发地区的环境地质问题进行监测已经是必然的趋势[3]。近些年，关于利用遥感技术调查环境地质问题的研究逐渐增多，如陈中山等[4]利用遥感技术对河北省邯郸市峰峰矿区已经关闭的煤矿产生的环境地质问题进行了调查与评价；王海庆等[5]利用遥感技术与实地调查相结合的方式，对西藏日喀则矿山环境恢复治理进行了研究；魏采用等[6]利用遥感技术对宁夏卫宁北山地区矿产资源开发状况进行了遥感动态监测；陈龙等[7]从工程学角度研究了湖北黄梅马尾山铁矿废弃用地的恢复治理问题；陈琪等[8]基于RS和GIS 技术研究了云南元阳某金矿矿集区的矿山环境恢复与治理规划；徐振英[9]利用遥感动态监测技术对河南省矿山地质环境问题进行了分析研究。本文以宁夏卫宁北山矿集区为研究对象，采用RS 与GIS相结合的技术方法，通过不同时相遥感影像对比，重点调查研究区内矿点的位置、类型、数量及固体废弃堆放等情况，探讨宁夏卫宁北山矿山资源开发利用引起的环境地质问题，以期对该地区生态环境恢复、治理规划和治理措施的提出提供有利借鉴。

1 研究对象与方法

1.1 研究区地理位置及地形地貌

研究区位于宁夏回族自治区中卫市北部卫宁北山地区，西起中卫市沙坡头区镇罗镇一带，东至中宁县石空镇西一带，东西长约44.2 km，北至宁夏回族自治区和内蒙古自治区交界，南北宽约36.6 km，行政区划隶属于宁夏回族自治区中卫市。地理坐标：东经105°15′～105°45′，北纬37°28′～37°48′，面积1 200 km2，研究区交通地理见图1。研究区以黄河为界，南部为黄河冲积平原，北部为一级、二级阶地、低山丘陵，海拔在1 100～1 400 m。该地区地表覆盖较差、植被稀少、基岩裸露，适宜遥感解译工作开展。

图1 研究区交通地理图

研究区位于卫宁前陆盆地与卫宁褶冲带内，构造演化具多期性，属于早古生代弧后盆地的一部分。区内从第四系到寒武系均有出露，主要成矿地层为石炭系、泥盆系，其次为寒武系[10]，已知的多金属矿产为铁矿和铜矿，非金属矿产为煤矿、黏土矿、砂石矿等。矿产资源开发利用拉动了当地经济发展，也引起一系列的环境地质问题，如露天开采铁矿等造成地表土剥离；矿渣、废石堆积直接压占土地，导致植被破坏等环境问题；井工开采导致地面塌陷、地面沉降；煤矸石堆积造成矿区周边居住环境破坏、地下水污染等环境地质问题。

1.2 数据源选取和处理

研究区采用1∶5 万遥感影像数据源，时相为2019 年7 月高分2 号遥感影像数据，空间分辨率为1 m，数据面积1 256 km2，采用ENVI、ArcGIS 10.1等软件对遥感影像数据进行几何校正、匀色、镶嵌、增强等处理，确保影像各项指标满足矿产环境地质调查的需求。

为对比分析近20 年卫宁北山地区矿山环境地质变化情况，笔者收集了研究区2000 年的Landsat7数据（全色波段分辨率为15 m）和2008 年的Google Earth 历史影像（空间分辨率为2 m），基本满足遥感动态监测需要，研究数据基本情况见表1。其中2000年的Landsat7 数据分辨率较2008 年和2019 年的低，后期主要做法是将2019 年高分2 号数据进行详细解译，形成矿山开采、工程建设等范围的矢量文件，再将矢量文件校正到2008 年和2000 年的遥感影像上，而后根据遥感影像与矢量文件进行比对，保留当年矿山开采、工程建设等范围，删除和调整与实际不符合的范围，最后对不同类型图斑数量、面积等进行统计。采用目视法、类比法、直译法和推测法等方式，进行遥感解译，提取矿山环境信息和矿产资源开发信息。

表1 数据源及基本情况

（1）矿山环境信息：提取采场、矿山建筑物、中转场地（煤堆、矿石堆、洗煤厂、选矿场、选矿池等）、固体废弃物（排土场、废石堆、尾矿库、煤矸石堆等）等土地压占情况，地面塌陷坑等地质灾害情况，动态监测区的矿产资源开发、工程建设等占地变化面积，矿山环境恢复治理等情况。

（2）矿产资源开发信息：煤矿、铁矿、建材等矿产资源开采位置、开采状况、矿种开采方式。

（3）对于中卫市、中宁县等行政区域工程建设情况，主要统计研究区内工程建设用地情况。

1.3 实地查证与调查

矿山环境遥感解译野外查证与调查工作主要是验证信息提取的可靠性，实地核查有疑问的信息，结合室内工作，完善解译标志，补充遗漏信息、修改错误信息。地面调查采用点、线、面相结合的方式，穿越与追踪相结合的方法，对确定土地压占、矿区范围等边界采用追踪法，对于危害程度大或典型的露天采场、固体废弃物堆放场等问题，采用无人机航拍调查。对于2019 年遥感影像，室内解译图斑数量为375 个，野外验证数量为151 处，验证率为40.3%，验证正确图斑数量为139 个，正确率为92.05%，满足《矿产资源开发遥感监测技术规范》的要求，并且建立了相应的解译标志，主要矿山地物解译标志见表2 和图2。

图2 主要矿山地物遥感解译标志

表2 主要矿山地物遥感解译标志

2 结果与分析

2.1 研究区解译结果与分析

（1）通过对2000 年遥感影像解译，共发现煤矿开采点55 处、铁矿开采点9 处、砂石矿开采点1 处、工程建设开挖点8 处，未发现黏土矿和地面塌陷。土地压占解译面积为169.4 hm2，占研究区土地总面积的0.141%，地形地貌破坏面积为172.5 hm2，占研究区总面积的0.144%。其中，影响最大的为煤矿开采，煤矿开采破坏的土地面积为96.7 hm2。

（2）通过对2008 年遥感影像解译，共发现煤矿开采点114 处、铁矿开采点135 处、砂石矿开采点19处、工程建设开挖点61 处、黏土矿开采点28 处、采空区地面塌陷坑44 处。土地压占的面积为723.4 hm2，占研究区土地总面积的0.602%，地形地貌破坏面积为1 157.7 hm2，占研究区总面积的0.964%。

（3）通过对2019 年遥感影像解译，共发现煤矿开采点125 处、铁矿开采点163 处、砂石矿开采点51 处、工程建设开挖点136 处、黏土矿开采点36处、采空区地面塌陷坑44 处。土地压占的面积为5 251.2 hm2，占研究区土地总面积的4.14%，地形地貌破坏面积为3 337.5 hm2，占研究区总面积的2.63%。研究区各年份图斑解译数量统计及土地压占和地形地貌破坏面积统计结果见表3，时空变化趋势见图3。

图3 研究区矿山开采时空变化趋势

表3 研究区图斑解译统计及土地压占和地形地貌破坏面积

研究区内煤矿主要分布在碱沟山、中井子、沙渠一带，铁矿主要分布在麦垛山—四眼井沟、照壁山一带，砂石矿主要分布在大佛寺沟、沙井沟、四眼井沟等冲沟内，工程建设主要分布在石空镇工业园区和中卫市工业园区的山前台地，黏土矿零星分布。解译结果显示，2000—2019 年各类图斑数量均有不同程度的增加。其中煤矿、铁矿开采形成的图斑在2000年到2008 年呈增加趋势，其后趋势变缓；黏土矿、砂石矿、工程建设产生的图斑数量呈加剧趋势；地面塌陷自2008 年以后未增加，说明采煤形成的采空区已经趋于稳定。此外，光伏电站建设、风力发电建设等大幅增加，也是导致地形地貌改变的原因之一。

矿山开采和工程建设引起的土地压占和地形地貌破坏的面积，自2000 年以后逐年增加，统计数据显示2000 年土地压占和地形地貌破坏面积占研究区面积的0.285%，2008 年占比为1.57%，2019 年占比为6.77%。分析其原因：2000—2008 年主要由于煤矿、铁矿开采加剧导致，2008 年以后主要是由于工程建设等土地利用导致。

2.2 典型矿区矿山开采变化特征

（1）碱沟山煤矿开采区。碱沟山煤矿开采区是宁夏回族自治区煤炭资源较为丰富的区域，经过历年开采，该区域在遥感影像上形成点状、顺层状分布的灰色-黑色阴影图斑。2000—2019 年碱沟山地区遥感影像图斑变化显示（图4）：2000 年遥感影像解译该区域煤矿开采形成的图斑数量为41 处；到2008年开采形成的图斑为67 处，增加了63.4%，2008 年中卫市联合执法关停矿山至今，矿山开采得以遏制，开采规模未增加；至2019 年影像解译图斑数量变化较小，说明该区域煤矿开采得到遏制，地形地貌破坏现象得到有效缓解。

图4 2000—2019 年碱沟山地区遥感影像图斑变化

（2）照壁山-麦垛山铁矿开采区。该开采区主要分布于麦垛山—色井沟一带。由2000—2019 年照壁山、麦垛山地区遥感影像图斑变化显示（图5）：2000年之前该区域基本处于未开采状态，原始地形地貌完好，仅见有8 处铁矿开采形成的图斑；随着经济社会发展，至2008 年该区域铁矿开采形成的图斑数量为74 处，较2000 年增加了835%，表现为铁矿开采规模加剧，土地挖损、土地压占现象加剧，从而造成大面积的地形地貌破坏；至2019 年该区域开采矿山形成的图斑数基本未变，数量为81 处，较2008 年增加了8.64%，该时期主要表现为区域铁矿开采规模加大，造成土地挖损、土地压占现象加剧，该区域靠近中卫市工业园区，工程建设形成的图斑数量较大，土地利用面积较大。

图5 2000—2019 年照壁山地区铁矿开采变化

通过对碱沟山煤矿区重点调查区和照壁山-麦垛山铁矿重点调查区的影像分析表明，两个重点调查区矿山开采和工程建设造成的图斑数量自2000年起均有大幅增加的趋势，主要表现在煤矿开采和铁矿开采造成的土地压占和地形地貌破坏面积明显增大，工程建设用地呈显著增加趋势，因环保政策影响煤矿、铁矿开采产生的图斑数量增加趋势变缓，但工程建设用地产生的图斑数量、图斑面积呈增加趋势。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）遥感技术在大区域矿山资源、土地利用等方面的监测具有准确、客观等优势，能够回溯历史开采利用情况和实时监测当前开采利用情况，为当地矿政部门执法监察提供依据，起到事半功倍的效果。

（2）近20 年三期遥感影像解译结果显示，研究区自2000 年开始因非金属矿、金属矿、建材及工程建设等造成的图斑数量和面积均呈增加趋势。研究区2000 年以前各种矿山开采、工程建设较少，主要集中在碱沟山煤矿区，因开采形成的图斑数量和面积较小，说明对该区域地形地貌影响较小。2008 年以来，中卫市开展的执法行动有效遏制了煤矿开采活动，因煤矿开采活动造成的环境地质破坏较少，但随着经济发展，铁矿、建材矿及工程建设产生的环境地质问题逐年增加。之后因照壁山-麦垛山铁矿区、石空镇工业园区、中卫市工业园区等采矿和工程建设形成的图斑数量和面积逐年增加，说明这类活动对该区域地形地貌影响较大。

3.2 讨论

下一步建议利用遥感技术继续对该区域给予持续关注，提高遥感监测精度，缩短监测周期，通过遥感监测和实地调查相结合的方式，及时发现违法开采的行为。根据环保政策，对研究区矿山划分出重点整治区、一般整治区和自然恢复区，因地施策，制定适宜的生态环境治理措施。