遥感影像动态监测在谭家山煤矿区生态修复中的应用

杨建成，周丽芸，彭祖武，李雪宇，曹创华，李红庆

摘要：利用2014～2022年获取的12期国产高分辨率遥感卫星影像和矿区修复前后3期无人机影像，对其进行配准、融合、镶嵌等一系列处理后，采用目视解译方法提取研究区域图斑变化信息，用以监测评价谭家山煤矿区经水资源破坏治理、地形地貌景观治理、土地综合整治等工程修复前后的生态环境变化情况和治理效果。所提取信息能很好地反映煤矿区自2020年工程修复开始至2022年结束的全过程生态环境变化情况，并清晰显示修复后的谭家山煤矿区基本实现水系联通与恢复、裸露山体复绿、土地资源恢复提质，修复区人居生态环境得到显著改善。提出采用多源、长时序遥感影像分析矿区变化情况，结果客观、准确，可为矿区生态保护修复工程的监测监管提供参考和途径。

关键字：生态修复；目视解译；国产卫星；监测评价；多源数据

中图分类号：P237                文献标志码：A           文章编号：1672-5603（2023）03-93-07

Application of Remote Sensing Image Dynamic Monitoring in Ecological Restoration of Tanjiashan Coal Mine Area

Yang Jiancheng， Zhou Liyun ，Peng Zuwu ，Li Xueyu ， Cao Chuanghua， Li Hongqing

（Hunan Institute of  Geological Survey ， Changsha Hunan 410116）

Abstract： Using 12 domestic high-resolution remote sensing Satellite imagery acquired from 2014 to 2022 and 3 UAV images before and after the mine area restoration， after a series of processing such as registration， fusion， mosaic， etc.， the information of map spot changes in the study area is extracted by visual interpretation method to monitor and evaluate the water resources destruction and management， landform and landscape management The ecological environment changes and governance effects before and after the restoration of land comprehensive improvement projects. The extracted information can well reflect the ecological and environmental changes throughout the entire process of the coal mining area from the restoration project in 2020 to the end of 2022， and clearly show that the restored Tanjiashan coal mining area has basically achieved water system connectivity and restoration， exposed mountain greening， and land resource restoration and improvement， and the ecological environment of the restored area has been significantly improved. It is proposed to use multi-source and long-term remote sensing images to analyze the changes in mining areas， and the results are objective and accurate， which can provide reference and approach for the monitoring and supervision of ecological protection and restoration projects in mining areas.

Keywords： ecological restoration; visual interpretation; domestic satellites; monitoring and evaluation; multiple source data

0 引言

礦山开采引发的矿山地质环境问题已成为影响矿山正常生产和人居生态环境安全的重要因素[1]，因此矿山生态环境保护修复刻不容缓。2018年10月，湖南省申报的《湖南省湘江流域和洞庭湖山水林田湖草生态保护修复工程试点方案（2018-2020年）》成功入围国家第三批山水林田湖草生态保护修复工程试点[2]。湘潭市谭家山煤矿区属于试点方案中五大矿集区修复治理对象之一。目前，谭家山煤矿区山水林田湖草生态保护修复工程试点已基本完成，尚未开展修复前后生态环境变化的系统性监测分析。

遥感技术作为成本低、时效性强、覆盖范围广的一种监测手段，可方便监测分析矿山环境动态变化情况[3，4]。近些年来，中国遥感卫星发展迅猛，卫星遥感进入高分时代[5]。高空间分辨率遥感数据可以迅速查明监测区矿山地质环境现状且成果客观、准确[6]，许多学者多以此进行矿区生态环境问题分析评价。高分一号作为性能卓越的国产卫星，能有效识别露天矿山开发和环境等要素信息[7]，高光谱图谱合一的特征可用于定量分析矿山污染物的分布范围及变化趋势[8]，多期遥感影像产品可开展矿产资源开采强度变化情况分析[9]及矿山地质环境遥感评价并可为生态修复对策提供依据[10]。

以上研究多是借助遥感技术进行矿山问题现状的分析研究，对矿山生态修复工程的动态监测研究相对较少。本文采用2014～2022年国产卫星影像和无人机影像为数据源，进行谭家山煤矿区生态修复的变化监测，分析修复前矿山存在的问题，研究修复工程进程、内容及效果，以期为矿区生态保护修复工程监测监管提供参考。

1 矿区概况

谭家山煤矿区位于湘潭市东南约38 km处，中心地带北距湘江约20 km，东临G4京港澳高速，西侧毗邻G107国道，南抵X005县道，东西长约7.75 km、南北宽约5.5 km，面积约17.68 km2。矿区山脉大致沿北东、西南向延伸，属中低丘地貌，地层岩性以三叠系硅质岩、砂岩、煤层和碳酸盐岩为主。其采掘历史悠久，最早可追溯到明嘉靖年间，最多时有大小煤矿52家，大小矿井近百个，历史高峰期年开采量达224万吨，累计开采量达5 443万吨。随着国家煤矿产业政策的调整和资源的日渐缺乏，以及煤矿开采成本逐步增加，历史遗留问题日益严重，导致矿地矛盾异常突出，最终矿区煤矿全部关停、责任主体灭失。

长期粗放开采给矿区带来了一系列生态环境地质问题，导致区内地质灾害隐患频现、水资源环境破坏明显、林地损毁随处可见、农田大面积无法耕种。针对生态环境问题现状、结合地方规划及当地自然禀赋，对于河道溪沟水系联通、露采坑高陡边坡处置、渗漏山塘与湿地修复、塌陷坑治理、废弃工业广场整治、受损耕地修复等项目重点与难点，分别采用了不同的治理模式予以解决，成功探索出了一条地方传统矿山环境治理模式向矿区山水林田湖草综合治理模式转型的路径。工程修复面积达5 km2，极大改善了当地生产、生活、生态空间，有效化解了矿区水系连通、国土空间优化难题，为矿区产业植入、转型奠定了坚实基础。

2 遥感解译

2.1 遥感影像数据源

为分析谭家山煤矿区在生态修复前后的变化情况和治理效果，本文选取2014～2022年国产遥感卫星影像和无人机影像作为研究的数据来源，如表1所示。其中，卫星遥感数据共12期，包括2期高分一号卫星影像数据，6期高分二号卫星影像数据，1期高分七号数据，2期高景一号数据，1期吉林一号数据。3期无人机数据分别拍摄于生态修复前、生态修复中和生态修复之后。卫星遥感影像经过配准、融合、镶嵌、裁剪等一系列处理，最终与无人机数据统一到CGCS 2000坐标系统。

2.2 遥感解译

矿山的开采伴随一系列地质环境问题，如土地资源占用、地面变形、水资源污染与破坏、矿山土石资源污染等[11]，因此矿区生态保护修复工程涉及区内水环境治理与生态修复、农业与农村生态环境治理、矿区生态环境保护修复和生物多样性保护修复等多个领域[2]，结合谭家山煤矿区的生态环境问题现状，本文从水资源破坏治理、地形地貌景观治理和土地综合整治三个方面，对比分析15期影像数据，采用目视解译的方式进行遥感解译，具体解译要素如表2所示。

本文共解译54个图斑，其中渗漏山塘19处，面积约18.62 hm2；沟渠5处，面积约14.42 hm2；废（矸）石堆12处，面积约11.42 hm2；露天采矿场4处，面积约4.42 hm2；受损耕地8处，面积约29.65 hm2；矿山建筑2处，面积约3.56 hm2；废弃工业广场4处，面积约12.98 hm2，解译图斑如图1所示。

3 变化监测分析

3.1 水资源破坏治理工程监测分析

由于矿区开采年代久远，长期大量抽排地下水，导致区内水资源破坏严重，出现井泉干枯、水塘漏失、渠道开裂、河堤变形、农田砂化等严重现象，进而严重影响了矿区的生态环境，以河、渠、山塘、水库为栖息地的动植物种群及数量发生退化。

3.1.1 渗漏山塘修整

河湖库塘提供了地表水的载体，矿山开采过程中产生的各类矿山问题直接或间接地影响和改造水环境系统[12]。通过前期调查及多期影像对比，矿区大部分山塘存在渗漏现象。图2所示山塘于2017年前水面较为丰盈，深黑色调几乎填充整个山塘。随着时间的推移，水面越来越窄，局部被绿色填充，至2019年情况尤甚，较之往年面积大幅减少，水面集中汇集于地势低洼之处，水位下降明显，而绿色植物呈扩张趋势，占据大部分甚至整个山塘。纵观整个煤矿区，多个坑塘可见明显干涸迹象，山塘逐渐丧失了蓄水调节功能，导致居民生产生活用水困难。2020年起，开始对渗漏山塘进行修整，图中围绕山塘呈白色封闭状地物为正在施工的堤岸，即采用“垂直防渗+侧向截渗”的方式防止山塘渗漏。至2021年，山塘已完成修复，水体充沛，波光粼粼，修整效果显著。

3.1.2 沟渠整治

沟渠呈线状分布，位于地势平坦地区，两侧多为水田，为重要的农业灌溉水源。矿区东侧沟渠呈南北走向，贯穿整个矿区，整个沟渠处于连通状态，未见堵塞或断流，然沟渠水面时宽时窄，最窄处仅1 m左右，岸堤两侧植被发育，水面大部分被树叶掩盖。矿区南侧沟渠主要由人工开挖形成，水面多覆绿色植物，阻塞了水体流动，水量较小，且局部水质较为浑浊，严重影响两侧农田的灌溉。由图3可见矿区自2020年起开始沟渠整治，图斑色调、形状发生明显变化。堤岸两侧呈白色、土黃色调，平顺连接，与河势流向相适应，河道水面开阔，水中绿色植被已基本清除；沟渠两侧道路旁间隔分布的颗粒状物体为人工种植的乔木。综上所述，矿区沟渠整治主要从疏浚、护砌和绿化三个方面进行。2021年底基本完成沟渠整治，矿区水环境水生态得到明显优化。

3.2 地形地貌景观破坏治理工程监测分析

多年开采严重破坏了矿区的土地资源与景观资源。煤矸石经长期堆放压实，不仅使土质变差，局部呈现土壤荒漠化，甚至短时期内难以恢复利用，导致长期压占土地资源、甚至污染堆积场地及周边土壤，破坏土石环境。

3.2.1 废（矸）石堆修复

矿区煤矸石堆露天无序堆放，矸石易发生扬尘，污染的淋滤水四处横流，严重污染矿区的大气环境和水环境，限制了植物的成活和生长。煤矸石堆在影像上具有明显的特征，色调以灰黑色、土黄色为主，纹理结构粗糙。由于废弃煤矸石的随意堆放，在影像上表现为近似圆锥的正地形，且多分布于采场附近。矿区共解譯废（矸）石堆共12处，呈星状散布全区。最小规模为0.12 hm2，最大为3.08 hm2，占用耕地和林地资源。由图4可知，废（矸）石堆修复始于2020年，根据所处地形地貌及坡度大小采取了不同的修复方式。地势平坦区的废（矸）石堆采取覆土结合造林的方式，而地势起伏较大区，则根据地形将场地修整为坡台，并在其上覆土平整。平整后的图斑纹理光滑，形状规则，边界轮廓明显，人工措施明显[13]。场地四周及中间修有截排水沟，中间截排水沟呈南北向，一侧修建了3 m宽的道路，并于两侧间隔种植乔木，场地之中播撒草籽。2022年，场地已覆盖少量绿色植物，林地资源正逐步恢复。

3.2.2 露天采矿场修复

露天采矿场多在斜坡上挖掘，地表植被被剥离，在影像上呈土黄色调，图斑切割破坏痕迹明显，边界清晰且易于识别[14]。矿区露天采矿场裸露面积大，岩体较破碎，坡台纵横，坡面不规则，造成了自然景观的严重破坏。矿区共解译露天采矿场4处，规模最小的为0.16 hm2，最大1.86 hm2，主要破坏林地资源，其中1处最晚开挖可追溯到2017年，其它3处则早于2014年前。图5所示露天采矿场于2014年前便已挖掘，随后不断向外扩张，山体破坏程度日趋严重，2019年停止开采。此时，山体景观已遭到严重破坏。鉴于此，2020年开始露天采矿场生态修复，其工程包括土方工程和复绿工程。土方工程充分利用现有的地形、地貌，削坡固土、挖高填低，完成之后坡体纹理光滑细腻，为阶梯状弧形纹理，场地内无废石（土）堆积；复绿工程则在此基础上播撒草籽、种植绿色植物，以人工复绿为主。至2022年，开采面大部分地区已恢复生机。

3.3 土地综合整治工程监测分析

土地综合整治工程分受损耕地修复和废弃工业广场整治两部分。

3.3.1 受损耕地修复

耕地在影像上易于识别，其纹理结构平滑、形状规整、连片分布，且多靠近村庄。矿区地势平坦、水利灌溉便利、交通便捷，有利于农作物的耕种、收割和运输，然受长期地下开采导致的地面变形、山塘渗漏，以及废弃煤矸石随意堆放占用耕地资源的影响，原以水稻作物种植为主的耕地调整为苗木、桑树等经济类作物，部分耕地甚至无法耕种以致灌草丛生。

“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”是我国一项基本国策，开展矿区受损耕地修复十分重要。结合矿区地形地貌、现有基础设施条件，修复工程涉及土地平整、开挖沟渠和修建田间小路。图6所示图斑原为耕地，靠近山塘，交通便利，为一片优质良田。数年之后，该片农田已杂草丛生，无法耕种，造成耕地资源的浪费。煤矿区从2020年开始进行受损耕地修复工程，首先清除田中灌草，图斑色调由绿色变为灰白色。其次，修建田间道路，宽约2.5 m，呈直线贯穿整个图斑，用田埂将图斑划分为多个规则的块状。图斑东北侧和西北侧各有一条沟渠，但早已干涸丧失灌溉功能。2022年，完成两沟渠的改道、疏通和硬化，满足了图斑及附近农田的灌溉需求。最终形成田成方、路成框、渠成网、林成行的生态格局。矿区恢复耕地种植面积约400亩。

3.3.2 废弃工业广场修复

（1）矿山建筑整治。矿山建筑主要为基础设施建设的场地和生活办公用地，在遥感影像上特征明显[15]，色调多为灰黑色，形状规整，集中分布，距离工业广场较近。

矿区共解译2处矿山建筑，规模分别为1.34 hm2和2.22 hm2。对比分析多期影像可知矿山建筑整治包括建筑物拆除、场地平整和人工复绿。图7所示矿山建筑于2020年开始修复，8月份完成建筑物拆除，图斑色调以土黄色为主，场内废土堆散乱随意堆积；3个月后完成场地平整，纹理结构亦由粗糙变得光滑。2021年6月图斑广布绿色颗粒状地物，播撒的草籽和种植的乔木大部分成活，矿区生态环境得到有效改善。

（2）综合整治。工业广场是为分选、运送、装储和外运各种矿石提供的场地，场内除作业设备外，还有少量建筑物、煤矸石堆分布，其色调杂乱，影纹结构粗糙，形状不规则，与背景地物有明显的差异，且规模较大，在影像上容易识别。矿区共解译出4处工业广场，最小面积为0.46 hm2，最大为5.76 hm2，零星分布。分析多期影像可知，2017年前大部分工业广场仍在作业，后逐渐废弃，场内遗留大量作业设备和煤矸石堆，造成土地资源的浪费和污染。自2020年开始废弃工业广场的修复，其过程分为建（构）筑物拆除、场地平整和人工复绿三步。由图8可见，8月完成了场地内所有建（构）筑物的拆除、矿渣的清除，11月完成场地的平整和覆土，修整已有道路。2021年6月，图斑色调已由原来的灰黑色变成绿色，场地内逐渐恢复生机，生态环境得以改善和美化。

4 结论

（1）利用2014～2022年12期国产高分辨率卫星影像和3期无人机影像，采用目视解译的方法进行谭家山煤矿区生态修复图斑的提取。矿区共提取图斑54处，其中渗漏山塘19处，沟渠5处，废（矸）石堆12处，露天采矿场4处，受损耕地8处矿山建筑2处，废弃工业广场4处，修复面积约95 hm2。

（2）分析多期影像可知，谭家山矿区修复始于2020年，修复内容包括水资源破坏治理、地形地貌景观破坏治理和土地综合整治等，修复工程涉及疏浚、护砌、平整覆土、拆除建筑物、人工复绿等，两年之后基本实现水系联通与恢复、裸露山体复绿、土地资源恢复提质，有效地改善了当地人居生态环境。

（3）采用多源、长时序遥感影像分析矿区生态修复治理前后的变化情况，成果客观、准确，可为矿区生态保护修复工程的监测监管提供参考。

致谢：本研究所用卫星影像原始数据来源于湖南省第二测绘院卫星云遥平台，在此表示感谢。

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