多源卫星遥感的湖南矿山违法开采时空变化

刘立，李长安，高俊华，鱼磊，，刘莎莎

1.中国地质大学 地球科学学院,武汉 430074;2.湖南省地质博物馆,长沙 410004;3.湖南省遥感中心,长沙 410007

1 引 言

中国矿产资源丰富，门类齐全，部分矿种储量居世界前茅。丰富的矿产资源为中国经济的快速增长提供了十分有利的条件，但也滋生了大量的违法开采行为。据自然资源部执法局有关数据统计，2017年中国共有矿山违法开采12881 处（数据暂未含港澳台地区）（姚维岭，2018）。这些矿山违法开采行为不但破坏了矿业秩序，也带来了一系列的社会经济环境问题（杨金中等，2017），反过来制约了矿业经济的健康发展。所以对矿山违法开采行为的时空分布特征进行深入研究，是从根本上减少或遏制矿山违法开采行为的核心问题，也是维护矿业秩序、保护环境、合理开发利用矿产资源的关键环节。因此，及时、动态的获取大范围、长时序、高精度的矿山违法开采数据成为时空分布特征研究的基础；进一步对矿山违法开采行为的时空分布特征进行研究，为矿山违法开采行为的驱动力研究提供科学依据，也为制定矿产资源开发利用保护政策提供理论基础。

遥感是一种比较现代化的矿山调查与监测技术，为矿山有效监管提供了重要的技术手段（杨金中 等，2011，2016，2017；秦绪文 等，2011；肖亮等，2019），能客观、真实、长时序的获取矿山数据。早在20 世纪60年代，美国土地保护部等机构就开始利用遥感技术在资源管理和环保执法方面开展了一定的工作，取得了良好效果。之后，众多学者利用遥感技术，针对各种矿山开采以及其引发的一系列环境问题进行了研究（Slavecki，1964； Knuth， 1968； Ellyett 和Fleming， 1974；Robbins， 1999； Smith 和 McCafferty， 2000；Chevrel 等，2001，2002；Cecil 和Tewalt，2002；Wand 等，2004；Montero 等，2005；Paull 等，2006；Im 等，2012；Li 等，2015；He 等，2019；Islam 等，2020）。从2004年开始，国内学者尝试利用遥感技术进行矿山调查与监测工作，探索了矿产资源遥感调查与监测技术方法，取得了一定的成果（王晓红 等，2004，2006；杨金中 等，2015；刘斌等，2018；刘立等，2019a，2019b）。

克立金方法也称空间局部估计或空间局部插值，是一种有效的空间数据研究方法（Clark，1981；王仁铎和胡光道，1988；Armstrong，1998；候景儒，1998）。这种方法最早由南非矿山工程师克立金和统计学家西舍尔在20 世纪50年代提出并应用于矿山储量样品研究中，之后被广泛应用于矿产储量估算（David，1977；Journel和Huijbregts，1978）、土壤成份分析（McBratney 和Webster，1983；Atteia 等，1994）、生态环境因子评价（Carr和Myers，1984；王 政 权，1999；Webster 和Oliver，2001）、海洋气候研究（毕经武等，2015）、遥感图像融合（Morisaki 和Nishii，2000；Pardo-Igúzquiza等，2006；Memarsadeghi 等，2005，2006；刘立等，2007）等领域。克立金方法在遥感领域的应用，主要集中在图像处理方面，这些实践对克立金方法的推广与应用具有开创性意义。但将克立金方法结合遥感数据，进行矿山违法开采方面的研究尚属空白，具有一定的潜力。

前人的研究为探讨大区域、长时序、高精度的矿山违法开采提供了参考。但到目前为止，已有的矿山遥感研究主要集中在矿山地质环境方面，或者仅限于矿山开发数据获取方面，还未见对大区域、长时序、高精度矿山违法开采变化趋势进行综合分析与研究。本研究基于多时相、多平台卫星遥感数据，以湖南地区为例，利用克立金数据分析方法，着重探讨了湖南地区矿山违法开采随着时间变化的空间分布特征以及经济发展和资源政策的驱动分析。

2 研究区与数据

2.1 研究区概况

湖南地处中国中部，位于24°N—30°N，108°E—114°E。区内矿产资源丰富，是著名的“有色金属之乡”和“非金属之乡”；矿种类型比较齐全，优势矿产集中度高、储量大；有色金属资源量比较大，钨、铅、锌、锑等储量全球闻名；非金属矿产资源优势地位也比较突出，石墨、建材类资源量在中国也处于前列（图1）。丰富的矿产资源为湖南经济快速增长提供了有力保障。目前，矿业已成为地方经济发展的支柱产业之一，也伴随产生了一定数量的违法开采行为，影响和制约了社会经济的健康发展（刘立等，2019b）。

2.2 数据资料

2.2.1 遥感数据

遥感数据为2010年—2017年覆盖湖南全境的多源卫星遥感数据，每年1 期，共8 期。空间上，以覆盖全省为要求，重要矿产地或矿集区使用高分辨率数据（如GF-2），矿产资源较丰富地区使用中高分辨率数据（如ZY-03、ZY-102C、TH-1等），矿产资源较少地区使用中低分辨率数据（如YG-8），数据保障程度较低的地区以国外数据为补充。以2017年数据为例（表1，图2），数据以国产卫星数据为主（约占95%），国外卫星数据为辅；国产卫星数据以SJ-9 （20.94%）、ZY-03（14%）及GF-2（14%）数据为主，GF-1、TH-1、ZY-102C、YG-5、YG-14 等数据为辅，国外卫星数据主要为Pleiades 和Rapid Eye 数据；空间分辨率以2.0 m 级为主（约为75%），0.5 m、1.0 m 为辅，存在少量的5.0 m 级数据；数据多为多光谱数据（约90%），少量的全色数据（10%）；数据获取时间主要集中在1—3月以及9—12月。其他年度的遥感数据特征和2017年度基本相似，仅国产卫星数据的比例逐年提高，高空间分辨率的数据逐年增多。利用ENVI 和PhotoMOD 平台对遥感数据进行辐射校正、几何校正、图像融合、正射校正等处理，精度按照国家相关标准要求进行；坐标基准为2000 国家大地坐标系，高斯克吕格投影，高程基准为1985 国家高程基准；最终形成真彩色的正射影像数据。

图2 湖南省2017年遥感数据源分布图Fig.2 Distribution map of remote sensing data in Hunan Province in 2017

表1 湖南省2017年遥感影像数据统计表Table 1 Statistics of remote sensing image data of Hunan Province in 2017

2.2.2 采矿权数据

采矿权数据为湖南省2009年以来的采矿权数据。数据分为有效采矿权和过期采矿权；数据中包含了矿产类型、范围、规模、开采方式、有效期限等详细信息。如截至2017-12-31，湖南省有采矿权3072 个。其中，能源矿362 个，金属矿392 个，非金属矿2318 个。采矿权数据为表格形式，利用ArcGIS 平台进行数据处理，生成矢量数据；并进行数学基础的转换与统一，坐标和投影基准与遥感影像数据保持一致（图3）。

图3 湖南省2017年采矿权分布图Fig.3 Distribution map of mining rights in Hunan Province in 2017

3 研究方法

以年度为单元，利用研究区的采矿权数据以及多源卫星遥感数据，采取遥感数据与采矿权数据相结合，采用人机交互解译的方式提取矿山违法开采信息，并研究其时空变化特征。主要的思路如下：首先对湖南地区的矿山地物进行分类，在此基础上建立矿山地物的解译标志，结合遥感数据的光谱、时相特点与矿山地物的空间特征，建立矿山地物遥感信息提取模式；接着利用采矿权数据，按照矿山地物遥感信息提取模式提取矿山地物信息；在此基础上，进一步确定矿山的采场和硐口等矿山开采信息；然后，利用ArcGIS 平台，对采场和硐口数据和采矿权数据进行空间判别，提取矿山违法开采信息；最后，利用克立金插值方法对矿山违法开采数据进行插值，获得矿山违法开采的时空分布关系（图4）。

图4 湖南省矿山违法开采时空特征研究流程图Fig.4 Flowchart of research on spatial and temporal characteristics of illegal mining in Hunan Province

3.1 矿山地物信息提取

矿山是开发矿产资源而形成的比较独特的体系，具有独特的特征。矿山地物是矿山在进行矿产资源开发过程中形成的特定的土地使用类型。

3.1.1 矿山地物分类体系的建立

矿山地物的分类在中国因地域的差别而有所不同，目前尚未有统一的分类标准。通过对比与综合分析，建立了湖南地区的矿山地物分类体系，包含了采场、矿山建筑、中转场地、固体废弃物4 个一级类，其中中转场地包含矿石堆、选矿场、选矿池3个二级类，固体废弃物包含尾矿库、废石堆2个二级类。因矿山规模的不同，每个矿山所包含了矿山地物类型有所差别，大中型以上矿山的地物类型比较齐全，小型矿山的地物类型比较少。

3.1.2 矿山地物解译标志的确定

通过总结与分析，湖南地区矿山地物类型主要为采场、矿山建筑、中转场地的选矿场和固体废弃物中的尾矿库和废石堆，其他类型的矿山地物较少。因此，本文主要针对上述矿山地物类型建立解译标志，具体见表2（刘立等，2019a）。

3.1.3 矿山地物信息的识别

遥感影像矿山解译是根据矿山地物的解译标志，结合影像的光谱特征、时相特征和矿山地物的空间特征，按照解译者的认识程度，逐步进行矿山地物的识别与鉴定。本研究从矿山地物与采矿权的空间位置关系、空间分布差异、影像特征差异等方面，开展矿山地物信息的人机交互识别。

首先，考虑矿山地物与采矿权位置关系，采矿权的空间位置基本上就能确定矿山的空间位置，在采矿权范围内或周边一定范围提取矿山地物；另外采矿权规定了矿山的开采方式，不同的开采方式有不同的地物类型，如露天开采的矿山对应有采场等。其次，考虑不同矿山地物类型的空间分布特征，如分布位置、与其他类型的位置关系和排列方式等。如矿山一般分布在偏远的山区或者城镇周边，露天开采的矿山附近多有矿山建筑、矿石堆、选矿场等地物类型，地下开采的矿山在矿山建筑附近存在废石堆、选矿场、洗矿池、尾矿库等类型。再次，考虑不同矿山地物的影像特征，如色调、纹理、形状等。如中小型的矿山建筑多为蓝色的人工合成材质的屋顶，它的色调明显区别于瓦、石材等材质屋顶的灰黑或暗灰色调；又如采场与周边地物（植被）色调差异显著，周边的植被为绿色，而采场为高亮的米黄色调；同时采场由于不断开挖，在纹理上一般为负地形，边坡呈阶梯弧形、环形。

3.2 矿山开采信息提取

基于上述的矿山信息识别方法，解译获取矿山地物信息，在此基础上，进一步提取矿山开采信息。对获取的矿山地物信息按照开采方式将矿山分为地下开采矿山与露天开采矿山两大类；重点标注矿山开采信息，对露天开采的矿山，重点标注采场信息，对地下开采矿山，依据铁轨、道路的信息，确定开采硐口的信息（硐口一般不能直接识别，但硐口和铁轨、道路相连，存在“断头路”的情况，附近存在矿山建筑、中转场地等其他矿山地物）。采场和硐口信息是判定矿山是否违法的直接依据，其中采场是面状矢量数据，硐口是点状矢量数据。

3.3 矿山违法开采信息提取

对提取的采场和硐口数据，叠加采矿权数据，利用ArcGIS 平台进行相交分析，判断采场/硐口与采矿权界线的位置关系，主要有3种情况，一是全部在范围之内，二是部分在范围之内，三是全部在范围之外。根据不同的相对空间位置关系，进一步判断矿山的违法开采情况，主要判断依据如下：

（1）无证开采：主要有两种情况，一是没有办理采矿权而进行了采矿活动，也就是矿山存在采场/硐口信息，而没有采矿权信息；二是办理了采矿权，但采矿权已经过期失效，而矿山仍在采矿，也就是矿山的采场/硐口信息仍在发生变化。

（2）越界开采：采场超越了批准的矿区范围进行的采矿活动，也就是采场范围超越了采矿权范围。

（3）擅自改变开采方式：矿山开采所使用的开采方式与采矿权规定的开采方式不一致的。露天采矿的矿山实施了地下开采，存在硐口信息；地下开采的矿山实施露天开采，存在采场信息。

利用高精度的手持GPS（精度为亚米级），对提取的矿山违法开采信息进行实地验证，主要测量采场和硐口的空间位置，确定和采矿权的位置关系，最终确定矿山的违法开采信息。

通过大量的探索与研究，遥感技术基本上能够查清所有类型的违法开采矿山。但对越界开采而言，只能查明地表的越界开采，对地下的超层或超深等的越界开采是存在局限的（李建勤，2011）；对无证的地下开采矿山而言，可以通过地表的矿石/废石堆、轨道、矿山建筑等间接信息进行判定。因此，本文的矿山违法开采行为涵盖了无证开采（含地下和露天矿山的无证开采）、擅自改变开采方式以及地表的越界开采等。

3.4 矿山违法开采数据分析

获取的矿山违法开采数据是一些孤立的、离散的数据，无法精确反映一个区域的违法特征，也无法准确进行变化趋势的分析，因此需采用一定的空间数据分析方法进行分析与研究。相对于其他空间分析方法，克立金空间插值方法是一种最优无偏的空间数据分析方法。通过研究与分析可知，矿山开采数据可看作区域化随机变量（David，1977；Journel和Huijbregts，1978；Clark，1981；Armstrong，1998；王仁铎和胡光道，1988；候景儒，1998），之间存在着一定的空间关系，满足克立金方法的要求；而矿山违法开采数据是矿山开采数据中的一部分，也满足克立金方法的要求，所以可以用克立金方法进行分析。

克立金空间插值方法建立在变异函数理论及结构分析基础上，能够充分挖掘和利用数据之间的空间关系和结构特征。利用克立金插值方法，可以有效的解决两个方面的问题：一是在研究区范围内，存在数据缺失区域，这些区域的信息是未知的，利用此方法，可以利用已知数据的空间位置和结构特征，对数据缺失区域进行科学合理的估计，获取这些区域的信息；二是对研究区内的已知数据点，充分考虑和周边一定区域的已知数据之间通过变异函数所揭示出来的结构特征，进行重新估值，把矿山违法开采信息的结构和位置信息融合其中，获得更精确的信息。

因此，本文把矿山违法开采数据作为区域化变量，利用克立金方法与多年的矿山违法开采数据，建立矿山违法开采的空间分布模型，插值估算获得矿山违法开采信息之间的空间分布模型。

对于任意未知点的实际值Zv(x)，其估计值是通过该未知点影响范围内的n个已知点的值Z(xi)（i＝1，2，…，n）的线性组合得到的，即

式中，λi为权重系数，估计量称为实际值Zv(x)的克立金估计量。如果要为无偏最优估计，须满足两个条件：（1）无偏性，满足无偏性条件（2）最优性，方差值最小性，即为最小值。

克立金方法的具体流程为：首先，计算实验变异函数，进行理论变异函数模型拟合，选择最优的理论变异函数模型（Clark，1981；候景儒，1998）；然后通过变异函数和协方差函数之间的关系，结合克立金的最优无偏条件，建立方程组，计算权重系数，从而计算出未知点的值（Clark，1981；候景儒，1998）；最后对2010年—2017年的数据进行计算与分析，得到矿山违法开采的空间分布关系，利用ArcGIS平台生成密度图。

4 结果与分析

通过遥感信息提取，2010年—2017年8 a间共有矿山违法开采数量2815 处。违法开采的矿种主要以建材类非金属矿产为主，煤、锰、铁等其他矿产也存在一定数量的违法行为。矿山违法开采类型主要为无证开采和越界开采，其他违法类型的矿山数量相对较少；8 a 来无证开采和越界开采的矿山数量分别为1786 处（63%）和956 处（34%），两者之和的比例高达97%。矿山违法开采的开采方式以露天开采为主，地下开采次之；其中露天开采的矿山违法开采数量8 a累计为2591处，占总的矿山违法开采的比例高达92%。

4.1 矿山违法开采2010年—2017年的空间分布

利用2010年—2017年所有的矿山违法开采数据，通过分析得到8 a 的空间分布密度图（图5），图5中高密度区域，代表8 a内违法分布集中区域，为违法行为易发程度较高的区域；低密度区域，代表8 a 违法数量较少区域，为违法现象易发程度较低区域。

图5 湖南省2010年—2017年矿山违法开采总体空间分布密度图Fig.5 Spatial distribution density map of illegal mines in Hunan Province from 2010 to 2017

具体来说8 a 间违法开采矿产资源空间上主要分布于湘南、湘中、湘西南、湘东、湘东北和湘西北地区，具体为衡阳南部，郴州北部、邵阳中部、娄底中部、株洲中东部、怀化中部地区、永州东部、岳阳北部以及张家界地区，这些区域为违法行为高易发区域。这个结果和湖南省的矿产资源分布特征是相吻合的。湖南的金属矿山主要集中分布在湘南和湘中地区，煤矿资源主要在湘南、湘中和湘西南地区，建材类非金属集中在湘南、湘中、湘西南、湘东、湘北地区。

4.2 矿山违法开采2010年—2017年的空间变化

2010年—2017年，各年的矿山违法开采的空间分布特征各异（图6）。2010年存在一个集中区，范围为郴州西北、衡阳西南以及两市交界地区，邵阳地区也有一定数量的矿山违法开采；2011年的空间分布和2010年比较接近，也是一个集中区，范围为郴州西北和衡阳西南地区，两市交界地带数量减少，邵阳地区数量变化不大，永州地区矿山违法开采数量增加；2012年的空间分布发生了明显的变化，分布集中区由一个增加为4个，主要为衡阳西南、娄底中部、怀化中部和永州西北，集中区域发生了扩散，株洲、湘西地区也有一定量的矿山违法开采；2013年分布又有了新的特点，还是存在4 个集中分布区，但是和2012年相比，集中区发生了变化，永州西北的数量减少，张家界西南边界地区的数量增加，集中区变化为衡阳南部、娄底中部、怀化中部以及张家界西南边界地区；2014年和2012年空间分布比较接近，有4 个集中区，为衡阳西南、娄底中部、怀化中部和永州西北地区，怀化中部、永州西北地区的数量减少，但株洲中东部的数量明显增加，即将成为一个新的集中区；2015年开始，矿山违法开采的空间分布出现了重大变化，即集中区域比较集中、范围较小的特征转变为区域范围扩大，但高度集中区面积缩小，集中区呈现“遍地开花”的态势，存在6 个集中区域，为衡阳南部、娄底中部、邵阳中部，邵阳东北部、怀化中部以及岳阳地区，郴州、张家界以及常德地区的数量也比较多；2016年和2015年情况比较类似，高度集中区的密度降低，但其他地区的密度增加，株洲中东部为新增集中区域，娄底、邵阳、衡阳、永州、岳阳、常德、张家界、湘西地区的数量有增加的趋势；2017年空间分布集中区发生了变化和转移，在2016年的基础上，新增了岳阳、永州、张家界和常德集中区，娄底和衡阳地区的数量明显减少。

图6 湖南省2010年—2017年各年度矿山违法开采空间分布密度图Fig.6 Spatial distribution density map of illegal mines in Hunan Province from 2010 to 2017

分析2010年—2017年的矿山违法开采的空间变化特征，存在3个显著特点：

（1）高密度区不断变化发展，由2010年的1 个，变为2012年的4 个，发展为2015年6 个，到2017年的9 个，高密度区存在“高度集中”向“多点开花”再向“广泛分布”的发展趋势；空间上也是一直呈扩张态势，由单一区域向全省范围发展，主要的发展轨迹为湘南—湘中—湘西—湘东—湘东北—湘西北。

（2）不同的区域，矿业秩序出现了不同的发展变化趋势。最先的郴州—衡阳集中区到2017年变为了非集中区域，矿业秩序好转；娄底、邵阳、永州和怀化地区一直是矿山违法开采的高发区域，数量上相对较多的地区，矿业秩序改善不大；株洲、岳阳、常德、张家界地区成为违法行为新的高密度区，矿业秩序存在变差的趋势。

（3）空间分布明显呈分阶段发展的特征。具体可以分为3 个阶段，第1 阶段为2010年—2011年，这个阶段内矿山违法开采主要发生在郴州西北和衡阳西南地区，违法行为在空间上高度集中；第2 阶段为2012年—2014年，这段时间内，违法集中区由第1阶段的湘南地区扩展至娄底中部、永州西北部、怀化中部地区，由原来的一个集中区发展成4个集中区，同时，张家界西南边界、株洲中东部的数量明显增加，有成为新的集中区的发展趋势，呈现出“多点开花”的特点；第3 阶段为2015年—2017年，这个阶段的空间特征和前两个阶段发生了明显的变化，集中区域的范围变小，但是集中区域的数量明显增加，扩散至全省范围；同时，邵阳、株洲、岳阳、常德和张家界地区成为新的集中区，违法开采存在着“广泛分布”的发展趋势。

4.3 不同矿种矿山违法开采2010年—2017年的时间变化

2010年—2018年，3 大类矿种的违法趋势特征各异。其中金属矿的违法数量呈明显的下降趋势，由2010年的139 个下降为2017年的18 个，年均下降个数16.68个；这主要是露天开采的铁和锰矿的违法数量的急剧减少。能源矿的违法数量基数比较少，违法数量总体呈下降趋势，其中2010年有41 个，到2017年只有6 个；但在2012 和2013年，有一个增长峰，数量上在2012年达到了56 个；这主要是因市场的驱动，在这段时间违法开采煤矿的矿山比较多，还有一部分是煤矿企业在开采许可到期后，没有办理相关手续而实施的违法采矿行为。非金属矿的违法数量呈显著上升趋势，2010年只有94 个，到了2017年增长到444 个，8 a间增长了7.72 倍，年均增长个数为43.95 个；这主要是近年来市场对建筑类石材矿的需求越来越大所致（图7）。

图7 湖南省2010年—2017年3大类矿种类型矿山违法开采数量变化趋势图Fig.7 Changes in the number of illegal mines in Hunan Province from 2010 to 2017

4.4 不同违法类型矿山违法开采2010年—2017年的时间变化

2010年—2017年，不同违法开采类型变化趋势是不同的。无证开采为波浪变化的趋势；8 a间无证开采矿山数量为1786 个，平均每年约为223 个；期间存在着一个明显的低谷，为2014年，这主要是近年来加大了对无证矿山的整治力度，同时增强了对持证矿山的监管力度，无证开采的现象有所减少；但是2014年后，非金属矿山的违法开采行为增加，导致2014年后有上升的趋势。越界开采整体呈上升趋势，由2010年的9 个上升至2017年的230个，8 a增长了25.56倍；这主要因矿山的安全生产要求越来越高，环境保护的要求日益提高，而采矿权设置面积过小，导致矿山越界开采现象日益增多（刘立等，2019b）。其他类型的违法开采数量总体相对较少，8 a 间共有55 个；总体来看，这类型的矿山违法开采数量呈波动下降趋势（图8）。

图8 湖南省2010年—2017年矿山违法开采违法类型数量变化趋势图Fig.8 Trends in the number of mine illegal types in Hunan Province from 2010 to 2017

4.5 不同开采方式矿山违法开采2010年—2017年的时间变化

2010年—2017年，不同开采方式的矿山违法开采的变化特征差别很大。8 a 间共有露天开采的矿山违法开采2591 个，占了总的矿山违法开采的92.04%，年均323.86 个，为湖南省矿山违法开采的最主要开采方式；露天开采的矿山违法开采数量呈明显上升趋势，由2010年235 个上升至2017年的450 个，增长了近2 倍，年均增长数量为28.61 个；露天开采的矿山违法开采数量和非金属矿山违法数量存在着正相关的特征，也反映了两者之间的内在联系。这主要因基础设施投入的增大，城镇化速率加快，“河长制”的落地生根（河道采砂数量急剧减少，导致山砂和其他建材类的矿山数量大幅增加），加之非金属资源量丰富，开采条件简易，导致了建材类矿产的违法现象增加，使得露天开采的矿山违法开采数量急剧增加。地下开采的矿山违法开采数量相对较少，仅有224 个，占总的违法数量的比例不到8%，总体呈下降趋势（图9）；这主要因近年来，加大了对能源和金属矿山的管控，违法开采现象得到遏制，致使地下开采的矿山违法开采数量减少。

图9 湖南省2010年—2017年矿山违法开采类型数量变化趋势图Fig.9 Trends in the number of illegal mining types in Hunan Province from 2010 to 2017

5 讨 论

5.1 大范围高精度矿山违法开采信息提取

文中利用的国内外多平台的遥感数据，采用空间分辨率高、中、低的数据组合模式，也就是重要矿产地或矿集区使用高分辨数据（优于1 m），矿产资源较丰富地区使用中高分辨率数据（1—2.5 m），矿产资源较少地区使用中低分辨率数据（低于2.5 m），有效地解决了大范围、高精度的矿山违法开采信息提取的问题。具体来说可以达到4 个方面的目的：（1）针对性强，重要矿产地等关注度高、问题比较突出的地区，使用高分辨率数据，精确解剖“麻雀”；矿产资源比较少的地区，使用中低分辨率数据，减少数据量，提高工作效率。（2）精度高，通过分析与验证，采用的数据完全可以满足1∶10000 比例尺精度需求，尤其在重要矿产地或矿集区甚至达到1∶2000的精度，完全可以提取矿山违法开采信息，部分甚至可以提取当时的开采状态等行为信息；同时结合后期的测量手段，信息提取的实际精度可以达到1 m 左右。（3）范围广，采用这种数据组合，可以对湖南全省21.18 万km2的范围开展矿山违法开采工作，使得此项工作的空间局限性大大降低。（4）效率高，采用多平台、多分辨率的遥感数据的模式，可以节约大量的调查监测的成本，提高工作效率。

5.2 长时序多维度矿山违法开采信息融合

利用每年一期的遥感数据，获取了2010年—2017年的矿山违法信息，查明了8 a 湖南省全域范围内的矿山违法开采数量及对应的空间位置。同时，通过克立金插值方法，把不同时间的违法信息进行有效的融合，不但可以获得每年的矿山违法开采的空间关系，还能获得了8 a 违法信息的时空关系。这些关系不仅是空间结构信息，同时也包含了时间信息，应该是空间和时间的结合体。因此，本文采用的多期遥感数据结合克立金方法，能够获得长时序、全覆盖的矿山违法信息的时空融合结果。

5.3 多期离散矿山违法开采信息的关联

利用遥感数据，获取了8 a 的矿山违法信息，这些数据都是一些孤立的、离散的数据点，不能清晰的揭示其中的规律和特征，对信息缺失区域不能进行估计和预判，也无法对未来的违法开采的变化趋势做出判断。如果使用其他的插值方法，能够一定程度的揭示其中的规律，也能对信息空白区域进行信息估计，但是这种估计只是简单的估计，没有充分考虑已知数据的形状、大小、空间位置以及结构特征，不能较准确的对研究区今后的发展趋势做出判断。克立金方法充分考虑了已知矿山违法开采的形状、大小，空间位置关系，以及利用变异函数所揭示出来的空间结构特征，将孤立的、离散的已知矿山违法开采信息以一定的空间联系和结构特征关联起来，对信息未知区域进行最优无偏的估计，能完整的对整个研究区的情况进行判断，更能科学地反映出研究区矿山违法开采情况的变化发展趋势。

5.4 多源卫星遥感的时空研究方法的推广

随着中国卫星遥感事业的蓬勃发展，遥感数据资源呈几何级数增长，尤其是高分辨率卫星数据资源的大量增多，为矿山违法开采时空变化遥感研究提供了有利的数据保障。同时，利用遥感技术对矿山研究的深入，全国矿山地物分类体系的健全完善，对应的矿山地物遥感解译标志库的建立和扩充，为本文的矿山地物遥感信息提取模式在其他区域开展研究提供了技术保障。因此，可以在其他区域甚至全国范围内开展矿山违法开采的时空变化遥感研究，是矿产资源精细化管理的需求，将为保护和合理开发利用矿产资源提供科学依据。

6 结 论

本研究利用多源卫星遥感数据，采用人机交互式的解译方法，提取了湖南省矿山违法开采信息，采用克立金空间插值方法进行数据分析，获取了湖南省矿山违法开采空间关系，并重点分析了湖南省矿山违法开采的时空分布特征，具有如下结论：

（1）多源卫星遥感数据能获取客观、真实、长时序的矿山违法开采信息，能有效解决传统方法在矿山违法信息方面获取难、精度低、连续性比较差的难题；同时，利用克立金空间插值方法，能有效的揭示矿山违法开采的时空分布特征。

（2）2010年—2017年湖南省共有违法开采矿山数量2815 个，主要分布在湘南、湘西南、湘中和湘东地区，数量上呈逐年波浪上升的趋势；违法开采主要以非金属矿山为主，存在一定数量的能源和金属矿山，非金属矿山的违法开采呈显著上升趋势；违法类型主要为无证开采和越界开采，越界开采行为呈上升态势。

（3）违法高密度区数量不断变化发展，由2010年的1个，变为2012年的4个，发展为2015年的6个，到2017年的9个，高密度区存在由“高度集中”向“多点开花”再向“广泛分布”的一个发展趋势；空间上也是一直呈扩张态势，由单一区域向全省范围发展，主要的发展轨迹为湘南—湘中—湘西—湘东—湘东北—湘西北。

（4）不同的区域，矿业秩序出现了不同的发展变化趋势。郴州—衡阳地区矿业秩序好转；娄底、邵阳、永州和怀化地区矿业秩序改善不大；株洲、岳阳、常德、张家界地区成为违法行为新的高密度区，矿业秩序存在变差的趋势。

（5）2010年—2017年，湖南违法开采的空间分布特征明显可以分为3个阶段，2010年—2011年的高度集中阶段，2012年—2014年扩散发展阶段，2015年—2017年的广泛分布阶段。

利用克立金插值方法对矿山违法开采数据进行分析，目前只采用了矿山违法开采信息这单一的因子，未考虑其他的因素对其产生的影响。在后续研究中，通过引入地质、地貌等自然因素以及交通、经济、环境等社会因素，采用协同克立金方法分析矿山违法开采的驱动因子。对于理解矿山违法开采对周边社会经济的响应机制以及研究矿产资源开发利用与人和环境的相互作用有重要的科学价值。