遥感技术在煤矿山环境监测评价中的应用

杨 创， 李聪聪， 万余庆

(中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199)

0 引言

遥感技术在我国煤田地质领域应用历史悠久，自20世纪50年代中期开始，随着科学技术的发展，煤田遥感应用技术取得长足的进展，遥感平台从早期的航空遥感走向高空、中空、低空等多平台遥感，遥感数据源从最初的全色相片发展为多光谱、高光谱和微波遥感，应用范围涉及地形图制作、煤田遥感调查、煤田地质填图、工程地质和环境地质调查监测等应用领域[1-5]。

进入21世纪以来，随着计算机和信息化技术的发展，煤田遥感地质应用的技术和方法逐渐趋于成熟，煤田遥感应用技术不断开拓新领域并深度发展，已形成航天高分辨率、航空高光谱、地面精细化探测与GPS和GIS相结合的“3S”技术应用体系，2015年以来，随着国产高分系列卫星数据的获取、雷达遥感技术和低空无人机技术的发展，遥感技术在为常规的煤炭资源领域注入新活力的同时，随着我国发展方式的转变，遥感技术由常规的煤炭资源勘查向煤炭资源绿色开发和资源环境领域转变，在生态地质勘查和煤炭矿区开发资源环境领域快速发展，特别是矿山环境监测[6-10]、矿山地质灾害调查[11-14]、矿山环境恢复治理[15-17]等方面取得了丰富的研究成果，取得了良好的经济效益、生态效益和社会效益，近年来，结合温室气体的排放引起的全球性气候问题，遥感在 “双碳战略”中对碳源监测、碳汇评估等方面逐渐成为研究的热点。

随着新时代生态文明思想的提出，我国新的发展理念和美丽中国建设的发展目标，对煤炭行业发展提出了新的要求。本文在前人研究基础上，系统总结了多个煤矿山环境遥感监测评价应用实践，提出了新时代遥感技术应用于煤矿山环境监测评价的方法体系，旨在推进遥感技术在煤炭资源全生命周期地质保障体系中的深度应用，助力我国煤炭行业绿色高质量发展。

1 煤炭遥感技术的发展

近10年来，遥感技术得到了飞速发展，进入了能够快速准确地提供多种对地观测海量数据及应用研究的新阶段，特别是新型高分辨率遥感和无人机等技术的发展，为煤田遥感应用提供了新的数据源，同时对传统的遥感煤田技术和方法也提出了新的要求，主要从遥感数据源、遥感数据获取技术和遥感数据处理技术三个方面进行论述。

1.1 遥感数据源

常规的煤田遥感多用于大区域的构造解译和找煤，主要采用的数据源从最早的航空相片到多波段的TM和ETM图像，以及分辨率较高的SPOT、QuickBird、ALOS等，随着遥感数据多样化和精细化的发展，煤田应用方面采用的数据源的时空分辨率及光谱分辨率普遍提高。随着遥感应用领域对高分辨率遥感数据需求及遥感数据获取技术不断的发展，应用于煤田遥感的各类数据分辨率的提高将成为普遍发展趋势，为煤田遥感由常规宏观的解译向专题精细的分析发展奠定基础。

2010年，我国高分专项自批准实施以来，已成功发射高分1号高分宽幅、高分2号亚米全色、高分3号1m雷达、高分4号同步凝视、高分5号高光谱观测、高分6号陆地应急监测、高分7号亚米立体测绘等7颗民用高分卫星。低轨遥感卫星分辨率由2.1m提高到0.65m，静止轨道遥感卫星分辨率由千米级提高到50m，高分专项数据已成为我国主体业务重要的手段，大大提高了中国天基对地观测水平，已成为国家治理体系和治理能力现代化的重要信息技术支撑。

1.2 遥感数据获取技术

随着无人机和传感器的发展，遥感数据采集技术取得了进步，可以用携带传感器的微小卫星快速获取高分辨率的成像光谱仪数据，除此之外，机载和车载遥感平台以及超低空无人机载平台，都为快速获取遥感数据提供了便利，特别是利用无人机作为遥感平台，集成小型高性能的遥感传感器和其它辅助设备，形成快速获取遥感数据的模式已成为当前的主要趋势，在煤田遥感、煤矿区资源环境等领域方面广泛应用。

1.3 遥感数据处理技术

随着遥感技术的进步，遥感数据面向高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率发展，遥感技术综合应用的深度和广度不断扩展，从单一信息源分析向多源信息的复合分析发展；从定性判读向定量分析发展；从单时相的静态研究向多时相的动态研究发展。对传统的遥感数据处理技术提出了新的挑战，海量的遥感数据亟待自动化、智能化的遥感数据处理技术，目前多源卫星遥感数据的处理趋于高效化和精细化，并已取得初步成效。

近年来，国内外相继推出了遥感图像自动化批处理商业平台，基于国外卫星数据、国产陆地卫星(高分系列)、资源卫星(资源02C星)、海洋卫星和商业卫星(北京二号、高景一号、珠海一号)数据的标准化处理，提供多尺度、标准化、有效、多星融合的卫星影像产品，可实现以国产卫星影像为主，持续、快速处理。同时GIS技术的发展为遥感提供了各种有用的辅助信息和分析手段，提高了遥感信息的识别精度，实现从空天地一体化数据采集、自动化的几何处理和智能化的专题信息提取等。

2 煤炭资源开发利用环境评价

随着我国资源开发程度的提高，煤炭行业由资源开发向资源与环境协调发展的变化，遥感技术在煤炭资源开发利用环境监测与评价方面取得长足的进展，大量新型的遥感数据在煤矿山环境监测领域投入使用，多源、多平台、高分辨率的遥感数据综合形成矿山全周期的环境监测技术，从不同的角度反映煤矿山地质环境问题，为煤矿山环境修复治理与环境保护提供了丰富的基础数据。

卫星遥感技术基于多平台、多种类、多尺度的遥感数据，对矿区生态环境(露天采矿场、开采塌陷地、矿山固体废弃物排弃场、矿区地质环境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂缝)进行中等比例尺度的调查和监测。低空无人机遥感基于固定翼、多旋翼飞行平台，搭载可见光、多光谱、高光谱、热红外、LiDAR等传感器，对矿区生态环境进行大比例尺高分辨率的调查和监测。

2.1 煤矿山环境监测

煤矿山的开发引发一系列的矿山环境问题，以往通常采用卫星遥感技术，开展煤矿区资源开发状况和矿山环境遥感地质解译、矿山环境问题区监测，通过实地调查验证，评价矿山环境分布状况。随着低空无人机技术的普及和物联网技术的发展，面向生产的煤矿山，遥感矿山环境监测由单纯的遥感解译提升为“卫星遥感+无人机遥感+物联网”的矿山环境监测模式(图1)。

图1 面向生产煤矿的矿山环境监测模式Figure 1 Mine environmental monitoring modefor operating coalmines

利用卫星高分遥感影像对植被类型、植被损毁面积、复垦区植被面积、植被覆盖度及土地利用类型图斑的解译。采用雷达遥感数据，如Sentinel-1、ALOS等，利用InSAR技术通过多期数据的叠加分析，获取煤矿区地表沉降区域，圈定沉降中心、沉降范围及沉降量，评价采煤沉陷区稳定性和趋势预测，指导矿区安全生产。

利用无人机航拍对煤矿地质灾害(地面塌陷、地裂缝、滑坡、崩塌)发育情况、地形地貌景观(包括植被损毁面积、土地压占规模)破坏情况、土地损毁情况(损毁的面积、地类、损毁程度)、复垦区植被状况进行监测，与卫星遥感监测效果进行互补与验证。

通过部署地表各类物联网监测仪器，对地表形变、地下水、降雨量等进行收集，结合实地野外调查及采样测试，对监测区域的地下水环境、土壤环境、各类矿山地质环境问题的变化趋势进行预测评价，为进行矿山地质环境保护与恢复治理提供依据。

2.2 煤矿绿色矿山建设

矿区环境与资源开发方式是绿色矿山建设的重要评估指标，在绿色矿山建设评估审核中，选取煤矿区的高分卫星影像，按照《绿色矿山评估指导手册》中绿色矿山评分表，对煤矿区开发环境进行全要素解译，结合实地调查验证，编制矿区绿色矿山遥感图件，根据不同区域的环境特征和复垦绿化情况，直观核查绿色矿山主要环境指标的建设效果和存在的问题(图2)，指导进一步针对性地修整，从而为绿色矿山建设评估提供基础依据。通过一系列的遥感绿色矿山评估实践，综合而言，高分辨率遥感技术在绿色矿山基础可视指标的评估中，具有宏观、经济、高效的优势，可进一步推广使用。

图2 煤矿山绿色矿山建设遥感核查Figure 2 Coalmine green mine construction remote sensing checking

2.3 煤矿山环境恢复治理

以多源、多平台遥感技术(卫星、无人机)为主，辅以常规的地表监测、地质调查、物探、钻探等，构建了矿山环境恢复治理遥感监测体系(图3)，卫星遥感技术基于多平台、多种类、多尺度的遥感数据，对矿区生态环境(露天采矿场、开采塌陷地、矿山固体废弃物排弃场、矿区地质环境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂缝)进行中等比例尺度的调查和监测。无人机遥感基于固定翼、多旋翼飞行平台，搭载可见光、多光谱、高光谱、热红外等传感器，对矿区修复治理工程进行大比例尺高分辨率的监测，对修复治理工程进展和修复治理效果进行监管。

图3 矿山环境恢复治理遥感监测体系Figure 3 Mine environmental rehabilitation governance remote sensing monitoring system

在我国高原高寒地区首例矿山环境修复治理工程-青海木里矿区矿山环境修复治理中，面临矿山环境背景资料缺乏、工期紧、施工难度大等问题，通过木里矿区从未开发至2020年30余年的历史多源卫星遥感数据分析与信息提取，快速查清了矿山环境问题，制定了科学合理的修复治理方案，并且对修复治理工程开展了无人机遥感监管，高效获取工程方量，直观展示修复治理效果，实现矿山修复治理的精准可视化评价(图4)，为遥感技术有效支撑矿山环境恢复治理工程化应用提供了新的服务模式和借鉴。

图4 无人机倾斜摄影展示修复治理效果Figure 4 Drone tilt photos displayed rehabilitation governance effect

2.4 煤火区评价及碳排放监测

煤炭自燃不仅破坏宝贵的煤炭资源，也向大气中排放大量的CO2，加速全球变暖进程，是碳减排的主要治理目标之一。随着遥感图像光谱分辨率、几何分辨率的提高，并且低空无人机和热红外成像仪的技术发展，遥感煤田火区技术应用向精细化、定量化发展。

煤田火区遥感探测由传统的低分辨率、大范围的监测到高分辨率、小范围的精细化调查发展，由面到点，由煤田到具体的火点，为灭火工程设计提供直接依据。利用卫星遥感、低空无人机遥感和地表调查相结合的技术，面向煤田火区治理的全流程，构建天空地时煤田火区遥感监测方法体系(图5)，广泛应用于火区调查、治理设计、施工、监测等方面，近年来，在陕北侏罗纪煤田浅部煤层自燃综合治理区、杨伙盘生产矿井工作面地表火区和内蒙古古拉本煤田等火区调查治理中，取得了良好的应用效果。

图5 天空地时煤田火区遥感监测方法体系Figure 5 Spatiotemporal coalfield burning area remote sensing monitoring system

在煤田火区碳监测方面，通过综合遥感圈定出的火区面积、监测火区地表出口处的CO2浓度，从排放通量、时间和面积等多个因素考虑，开展煤田火区碳排放通量计算模型构建，实现煤田火区碳排放通量的动态计算。针对煤矸石山，应用遥感技术监测煤矿矸石山的分布、恢复治理及再生利用情况，结合热红外遥感，调查矸石山的自燃情况，为掌握煤炭矸石山碳排放情况提供基础数据。

2.5 遥感煤矿山环境监测

面向矿山开采与恢复的全生命周期，以大数据、云计算、物联网、遥感等新技术和新方法为手段，整合矿山地质环境调查、动态监测、生态修复与治理工程监管数据库，针对性开展矿山地质环境监测工作。从矿山环境问题评价、治理工程的监管和生态环境常态化监测等方面，展示矿山环境变化与修复治理效果，建设矿山地质环境监测平台，为矿山地质环境修复治理和生态环境保护提供依据。

同时基于云平台，开发矿山环境保护与生态修复监管“一张图”系统，全面掌握矿山地质环境破坏、治理的现状和动态变化，分析其原因和发展趋势，客观、准确、及时的为矿山地质环境保护和生态修复工作提供基础资料和科学依据。主要包含地质环境监测系统、生态修复治理监管系统、生态修复数据管理系统、矿山地质环境“一张图”应用系统。

3 遥感矿山环境监测评价应用展望

新时代，生态文明建设和“双碳”战略的实施，煤炭行业将向清洁绿色高质量发展转变，煤炭遥感应用由服务于煤炭勘查大幅度向煤矿区环境保护发展。随着科技的进步，多平台、多传感器、多时相、多光谱以及多空间分辨率的遥感数据综合应用，已成为目前遥感技术的重要发展方向，同时人工智能、物联网、大数据的发展又促进了遥感数据与地学数据的有机融合，高光谱遥感、定量遥感的不断创新，为煤炭遥感深度发展提供了保障。

遥感时空大数据将进一步精准高效服务于煤矿山环境监测评价，未来需加强煤矿山环境遥感应用与云计算、大数据、人工智能等前沿技术的交叉融合，促进煤炭遥感向自动化、规模化、定量化、智能化方向转型。

4 结论

1)从煤炭遥感数据源、遥感数据获取技术和数据处理技术总结了煤炭遥感技术的发展，多源、高分辨率、高光谱的数据源，快速高效经济的低空遥感数据获取和高效精细化的数据处理技术已是目前煤炭遥感的深度发展的引擎。

2)遥感技术在煤炭资源开发利用环境监测与评价方面取得了快速发展，多源、多平台、高分辨率的遥感数据综合形成矿山全周期的环境监测技术，为煤矿山开发、绿色矿山建设、矿山环境恢复治理和碳排放监测等提供了丰富的监测手段。

3)多源、多平台遥感时空大数据将精准高效服务于煤炭全生命周期环境监测是必然趋势，未来煤矿山环境遥感应用将与大数据、云计算融合，向定量化、智能化发展。