基于3S技术的矿山环境动态监测

聂俊兵 谢迎春

【摘 要】我国是矿业大国，近年來矿区生态环境破坏日益严重。本文论述了利用3S技术进行矿山环境动态监测的目的、内容和技术方法。通过融合、校正、图像处理，得到高清晰度正射遥感图像；建立遥感解译标志，通过人机交互解译进行信息提取；运用GIS软件建立空间数据库，对矿山环境图斑及其变化信息分层矢量化提取，结合野外调查对矿山环境图元进行分类统计分析，为各级国土资源管理部门提供及时、准确、全面的信息，有效地提高了矿山环境监管效果。

【关键词】矿山环境；遥感；GIS；GPS；动态监测

0 引言

作为世界上重要的矿产资源大国和矿业大国，目前我国的矿产开发总体规模已跃居世界第三位[1]。由于长期以来，我国矿产资源开发利用较粗放，矿区生态环境破坏严重，矿山环境问题日益突出。以往主要采用逐级统计上报、群众举报和定期巡查的模式进行管理，对矿山环境现状缺乏实时监控，所采集数据的全面性和实时性受到制约。矿山环境的常规调查手段以野外调查分析为主，虽然调查精度较高，但工作成本高，周期长，覆盖面较小[2]。

利用遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）和GPS技术，采用多平台的较高空间分辨率和时间分辨率的遥感数据，结合矿山地物目标影像特征，能够为矿山环境状况提供客观、实时的三维空间的基础数据，具有速度快、成本低、监测范围广、可反映矿山环境动态变化特征等优势[3]。

1 调查与监测内容

矿业活动主要分为矿石采掘、选矿及冶炼三部分。矿业活动产生的生态环境问题和破坏的种类很多，利用3S技术进行调查与监测的内容主要有以下几类。

1.1 矿业活动占地状况

矿产资源开发要占用和破坏大量土地，露天开采会剥离地表土层和岩层，进而破坏地表植被。采矿排出的废石、废渣等固体废弃物的堆放占用大量土地。针对矿业活动占地状况主要调查和监测不同矿种和不同开采状态的矿山采场，中转场地（堆煤场、堆矿场、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）、矿山建筑等矿业活动占地范围、面积及土地利用类型。

1.2 矿区环境污染状况

废水、尾矿坝和固体废弃物是矿区的主要污染物。矿山附近地表水体常被作为废水、废渣的排放场所，水质受到污染。环境污染状况的主要调查与监测内容包括水体污染、粉尘污染、煤自燃、煤矸石自燃等境污染情况。

1.3 矿区环境恢复治理状况

矿山环境治理工程主要治理对象为：地面塌陷、尾矿库、排土场、废石堆、煤矸石、废弃采掘场、危房搬迁、土地复垦、绿化工程、矿山公园等。主要调查与监测内容为矿区生态环境治理恢复工程的范围、类型（工程治理和生态恢复）等情况。

1.4 矿区地质灾害及隐患

诸多矿山环境问题发展到一定程度，便产生矿山地质灾害，构成不可逆转的环境效应并且伴有人员伤亡和重大财产损失。利用3S技术主要调查与监测矿业活动引发的滑坡、地面塌陷、地裂缝、崩塌、泥石流等地质灾害的种类、分布、规模、危害对象等。

2 调查与监测方法

2.1 数据源

精确识别和提取矿山环境信息，需要能够反映矿业活动地物要素空间关系和纹理等微小信息的高空间分辨率遥感数据、高精度DEM数据、地形图、采矿权、探矿权、矿产资源规划数据以及基础地质和地理数据。

2.2 技术方法

2.2.1 遥感影像处理

利用遥感图像处理软件，按照一定的数学模型，进行图像正射校正、影像融合、几何配准、图像变换、图像镶嵌、图像增强等信息处理，为专业人员提供1：10000-1：50000的高质量遥感影像数据。

2.2.2 建立遥感信息解译标志

1）开采点

采硐口在遥感影像上不易识别，硐口周围附近有矿石堆积，在矿石堆与硐口之间有一轨道相连接（矿石堆中深色线性纹理的部分），在轨道的末端一般为硐口的位置。

2）露天开采面

在高分辨率影像中，露天采场的纹理、色调与周边地区差异显著，由于不断开挖，一般低于周围地形，开采坑边坡显示阶梯弧形、环形纹理。活动的开采面颜色比较新鲜，附近道路也相对清晰，在高分辨率影像上可见机械；关停的采面则泛灰、黑色，附近道路不明显，有的周围泛绿长草。

3）固体废弃物

尾矿库、排土场、煤矸石堆等一般在矿山附近就近堆放。尾矿库形状一般不规则，建有拦截大坝和选矿厂，有道路与外界相通，尾矿库水体色彩比自然水体亮，分带特征明显；正在开采矿山的排土场，由于多次排放，显示出比较明显的螺旋形状和扇形纹理特征；煤矸石堆在影像上呈锥形，黑、黑灰色；废石堆在影像上大多就地堆放，色彩比矸石浅。

4）地质灾害及隐患

与矿山开采有关的地质灾害主要包括地面塌陷、地面沉降、地裂缝、崩塌、滑坡、河道堵塞等。地面沉降、地面塌陷通常表现出比周围地形低的负地形；地裂缝一般长几米到几百米，呈不规则条带状错落分布；崩塌灾害通常发生在开采面周围，附近经常有废石堆或矿石堆；滑坡在影像上一般呈舌形、梨形，通常具有陡峭的滑坡壁；河道堵塞通常发生在古河道中，由矿山开采排放的废石堆或尾矿堆积形成，一般影像上呈现河道杂乱，有废石堆放。

5）矿山环境污染信息

大气污染在影像使得图像有雾霾的特征，较容易识别提取。水体污染主要是由选矿时的废水不经过处理就直接排放到河流中形成的，在影像上较明显，水体颜色发暗黑，周围植被颜色也会发生改变。煤田（煤矸石）自燃在遥感影像上较易识别，从燃烧点向周边有烟形成，在影像上表现为高亮度，并且距离自燃点越远，烟浓度越低。

6）矿山环境恢复治理

主要是针对矿山开采引起的环境污染所作的治理恢复活动，包括采坑回填，排土场绿化等，影像上主要显示为排土场或采坑有排列规则的植被覆盖或者是规范的固坡工程，与周围景观明显不同

2.2.3 信息提取

信息提取主要采用人机交互解译的方法，在ARCGIS平台上，基于矿山相关信息遥感影像特征，并充分利用遥感信息处理软件监督分类、分监督分类的结果，结合收集的相关地形图及DEM数据、采矿权、探矿权、矿产资源规划数据、基础地质、地理资料等，进行信息提取。信息提取后以矢量SHAPE格式存储，并对所提取的信息赋予相应属性。

2.2.4 野外验证

采取点、线、面相结合的方法进行解译信息的野外验证，对于解译效果较好的地段以点验证为主；对于解译效果中等的地段应布置一定代表性路线跟踪验证；对于解译效果较差的地段，则以面验证为主。

2.2.5 矿山地质环境评价

在考虑多要素综合和不同要素自身特点的基础上，采用专家打分与层次分析法（AHP）相结合的方式，确定评价单元，建立评价指标体系，确立各指标的权重以及评价工作采用的数据模型，以科学、简明的方式对矿山环境和矿山地质环境质量进行全面的综合评价。

3 结语

3S技术是矿山开发动态监测管理的一项重要手段，将遥感数据与采矿权、探矿权、矿产规划等非遥感数据相接合，能全面、准确、快速地监测矿山环境，确定地质灾害的隐患点，改变了传统的动态巡视矿山的调查模式，可对长效动态的矿山环境监测机制提供有力的技术支撑。

【参考文献】

[1]武强，刘伏昌，李铎.矿山环境研究理论与实践[M].北京：地质出版社，2005.

[2]聂洪峰，杨金中，王晓红，等.矿产资源开发遥感监测技术问题与对策研究[J].国土资源遥感，2007（4）：11-13.

[3]陈伟涛，张志，王焰新.矿山开发及矿山环境遥感探测研究进展[J].国土资源遥感，2009（2）：1-8.

[责任编辑：周娜]