利用遙感技術開展河北省遷安鐵礦區礦山地質環境調查與評價技術研究

谷延群，郭慶十，2

(1．河北省遙感中心，河北石家莊050021;2．河北省遙感協會，河北石家莊050021)

一、引 言

河北省礦產資源豐富，礦業開發歷史悠久，礦產資源的開發推動了河北省經濟社會的迅速發展。但同時礦產資源的持續開發也引起或誘發了大量的地質環境問題，如地貌景觀和土地資源的破壞，采空塌陷、地面沉降等地質災害及隱患，這些問題不僅對經濟社會的可持續發展起著極大的制約作用，而且直接威脅到人民群眾的生命財產安全。

目前，政府對礦山地質環境的掌握基本采用逐級統計上報和群眾舉報的模式，上報數據不真實的情況比較普遍，統計結果難以統一。由于礦山點多面廣，且多處偏遠山區，交通不利，常規監管較為困難，缺乏適時、客觀的數據，難以對礦山環境的動態變化和治理恢復實施更為有效的管理。因此如何科學合理地對礦山環境問題跟蹤調查及作出評價，是礦山環境治理恢復研究的一個重大課題。

遙感技術宏觀、快速、動態的技術優勢能夠滿足礦山環境監測的要求。利用遙感技術，開展河北省礦山地質環境的遙感調查和監測，能夠真實、全面地反映礦區的礦山開發、礦山地質環境等問題，為礦產資源管理等工作提供基礎數據。

二、礦山地質環境分類

依據中國國土資源部2011年7月頒布的《礦山地質環境保護與恢復治理方案編制規范》，礦山地質環境是指采礦活動所影響到的巖石圈、水圈、生物圈相互作用的客觀地質體。

礦山地質環境問題主要包括受采礦活動影響而產生的地質環境破壞的現象，主要包括礦區地面崩陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、含水層破壞、地形地貌破壞等。其中，含水層破壞主要是含水層結構改變、地下水位下降、水量減少或疏干、水質惡化等現象;地形地貌破壞主要是指礦山建設與采礦活動而改變原有的地形條件與地貌特征，造成土地毀壞、山體破損、巖石裸露、植被破壞等現象。

按照上述礦山地質環境問題分別開展遙感調查工作，根據一定的指標要求和技術方法，定性或定量地評價和估算采礦活動對地質環境的影響程度，即可得出礦山地質環境評價結果，從而根據評價結果開展有針對性的礦山地質環境治理恢復。

三、礦山地質環境遙感調查

1．示范區的選擇

選擇河北省遷安鐵礦區作為研究示范區，該區位于河北省東北部，遷安市西北部，燕山南麓，地貌呈典型的半山區。發源于河北省北部的灤河，流經遷安鐵礦區，地理位置優越，交通運輸便利。

示范區位于燕山臺褶帶馬蘭峪復式背斜的中部，出露地層為遷西群三屯營組二段。含礦變質巖系由紫蘇黑云斜長片麻巖，輝石斜長片麻巖及上、下兩個鐵礦層組成。區內構造為一被斷裂所破壞的次一級規模的兩個向斜和一個背斜組成的“W”型復式向斜，鐵礦層即賦存在兩個向斜之中，由3個大礦體和幾十個小礦體組成，呈北東40°～50°方向展布。礦石成分簡單，以磁鐵礦為主。礦體均為厚層且出露地表，適于露天開采。

區內鐵礦資源儲量居河北省首位，在全國也名列前茅，是我國第二大鐵礦開采基地。截至2010年，河北省遷安鐵礦區內有鐵礦開采企業45處，含國有大型企業1處(首鋼礦業公司水廠鐵礦)，年開采規模1100萬t;中型礦山企業3處(首鋼礦業公司大石河鐵礦孟家溝采區，首鋼礦業公司大石河鐵礦二馬采區，首鋼礦業公司大石河鐵礦杏山采區)，均屬遷安大石河鐵礦(首鋼)，年開采規模120萬t。集個體礦山企業41家，年開采規模都在10萬 t以上。

2．遙感數據源的選擇

經選擇不同衛星數據在不同地貌類型礦山地質環境信息提取試驗，認為肉眼識別彩色影像時，平原或低山丘陵地帶能將40像元左右的礦山地物從背景中提取出來，并能大致判定礦山開采性質。地形起伏較大的山區能夠區分50個像元左右的礦產開發跡象。

同時礦山地質環境目視解譯對彩色影像較為敏感，對于灰度的解析度則相對較低。為了增強影像判讀的準確性，本次研究采用3種國際上常用的優于2．5m分辨率的衛星數據開展工作，主要使用SPOT 5、QuickBird和GeoEye-1衛星數據。由于該3種衛星數據已較為成熟，相應參數在此不再贅述，主要對其礦山地質環境信息的提取精度進行分析。不同分辨率遙感數據源解譯精度見表1。

表1 不同分辨率遙感數據源解譯精度一覽表

QuickBird、GeoEye遙感數據，選擇合適的影像處理方案，能夠提取地表面積在45 m2(平原地區)以上的露天采場及礦業活動用地，對于礦產開采井口及硐口，通過礦山道路、排土場、矸石堆等采礦形跡可以推斷其所在位置。礦產開采礦種可通過開采影像形跡，配合其所在礦山地質背景加以判斷。開采狀況通過開采礦山周圍的大型運輸車輛停放，地表堆積物光譜特征差異，地表風化，地表植被覆蓋等跡象確定。

SPOT 5遙感數據，可以提取地表面積在280m2(平原地區)以上的露天采場及礦業活動用地，對于礦產開采井口、硐口的判讀相對困難。由于地面分辨率較低，礦山開采痕跡(礦山道路、排土場、矸石堆等)往往混雜在一起，不能根據影像準確的推斷井口和硐口的位置，但可以通過地表形跡推斷有開采井口或硐口的存在，通過實地調查確認其所在精確位置。開采礦種解譯與1 m分辨率遙感數據類似。礦產開采狀態主要通過礦區地表植被覆蓋和周邊礦山道路的影紋特征進行推斷。在礦山開采集中區或采用井采、硐采方式的礦區，需要通過大量的外業驗證方可保證數據的正確性。

本次研究獲取示范區2006—2010年的遙感數據，數據源概況見表2。

3．遙感數據源處理

應用計算機對遙感圖像進行加工處理，以改善圖像質量、增強信息。處理內容主要包括幾何糾正、融合、拉伸等。

表2 示范區使用遙感數據源一覽表

幾何糾正中，采用1∶1萬地形圖和DEM數據。控制點的選取遵循了以下原則：①每景圖像上控制點的分布要盡可能的均勻，遵循山區密、礦區密、平原稀疏的原則，要求控制點盡可能的準確和均勻;②區內河道會發生變遷和偏移，因此不選取河流的河汊;③控制點多選取人工地物為參照，如鐵路公路的交點，橋梁，標志性建筑的中心點等。每個地面控制點RMS(root ofmean squares)誤差與RMS累積誤差均要求不超過一個像元。對于一景SPOT 5衛星影像所選擇的控制點個數不低于15個。

影像融合采用基于統計原理的Pansharp融合模塊，采用最小方差技術對參與融合波段的灰度值進行最佳匹配，調整單個波段的灰度分布減少融合結果的顏色偏差，另外對遙感影像輸入的所有波段進行統計運算來消除融合結果對數據集的依賴性并提高融合過程的自動化程度。

采用直方圖拉伸、濾波、色彩變換等方法，使圖像的亮度直方圖呈似近正態分布，增強圖像的層次感及暗區信息，經增強處理的圖像地形地貌、植被、河流及各種礦產資源等影像特征清楚，實驗證明，采用近紅外、紅、綠波段組合能夠更好的識別地面礦山活動信息，以此作為示范區礦山地質環境遙感調查與解譯分析的基礎底圖。

4．礦山地質環境信息提取

所提取礦山地質環境信息主要包括露天采場、礦山建筑物、中轉場地(煤堆、礦石堆、洗煤廠、選礦場、選礦池等)、固體廢棄物(排土場、廢石堆、尾礦庫、煤矸石堆等)等占地情況;工作區內的地面沉陷區、地面塌陷坑、地裂縫等地質災害分布情況和粉塵污染、水體污染等環境污染情況;礦山環境治理恢復及土地復墾情況。

各年度礦業活動占地信息提取情況見表3。

表3 2006—2010年示范區礦業活動信息提取一覽表 hm2

示范區內主要是鐵礦露天開采，本次監測未發現有地面塌陷、地裂縫及崩滑流等地質災害跡象。

5．礦山地質環境評價

(1)評價方法

采用綜合指數法進行礦山地質環境評價，將礦山地質環境系統分解為4個子系統：自然地理、基礎地質、礦山開發和環境影響。然后分別在子系統選取有代表性的評價因子，并將其影響程度確定分級標準，給出歸一化指標。運用AHP法確定各子系統和評價因子的權重，將同一子系統內各評價因子的指標值按權重進行疊加，得出一個子系統評價總指標。再將各子系統評價總指標按權重疊加，得出每個評價單元的地質環境質量指數，分析各單元的指數情況，確定等級閾值，從而建立評價等級，進行全區地質環境質量的評價。評價單元為2 km×2 km的網格。

(2)評價因子指標體系

評價因子選擇礦山自然地理背景、基礎地質環境、礦山開采現狀、環境影響因素。

根據各因子的相互關系及層次關系，逐層分解建立礦山地質環境評價子系統。① 先分解為自然地理、基礎地質、礦產開發和環境影響4項準則層。②將準則層分解為若干指標，構成要素層。對各要素的評價可由隸屬于它的各項指標的綜合評價得出。如此自下而上進行2個層次的綜合評價(如圖1所示)，得出礦山地質環境評價的指標體系。

(3)示范區礦山地質環境評價結果

2006—2010年利用AHP方法對示范區5年的礦山地質環境進行評價(如圖2所示)。

圖2顯示，五年間示范區礦山地質環境總體呈惡化趨勢，2010年礦山地質環境影響嚴重區和較嚴重區較2006年分別增加2424 hm2和609 hm2。

示范區由于露天開采范圍廣、深度大，植被覆蓋層很薄，礦區自然恢復的能力相對較差。遙感監測顯示區內草地、灌木、林地損失極大，整體地貌景觀遭到嚴重破壞，區域山地環境發生了根本的改變(如圖3所示)。

近年來，隨著采礦規模擴大，占用土地面積不斷增加。然而，一些礦山關閉后并未恢復原有土地的功能，而是閑置荒廢，形成大量的采礦跡地，由于尾礦堆積和地面板結使得土地復墾率很低，浪費了大量土地資源。監測5年中，采礦跡地面積增加了近1倍。這些土地多數林地、荒草地，少數是農田。

圖1 礦山地質環境影響評價因子指標體系圖

圖3 遷安鐵礦區露天采場、固體廢棄物破壞植被、地貌景觀三維影像圖

經分析，造成示范區礦山地質環境破壞的原因一方面由于礦區的開發建設大量占壓土地，加之露天開采剝離和廢棄物的排放破壞了原有的地表結構和植被，增大了裸露土石層面積，嚴重破壞了地表水分涵蓋的內在條件，致使礦山地質環境及其周邊生態環境進一步惡化，導致區域內小氣候干旱化和地表植被稀疏，土地荒漠化現象初露端倪，這不僅直接影響礦區的生活和生產條件，而且引起礦區周邊地下水位急劇下降，造成飲水困難和農業用水短缺，致使大片水澆地蛻變為旱地或棄耕地(如圖4所示)。據統計受采礦影響和破壞的土地3 317．15 hm2，其 中 耕 地 1 272．09 hm2，荒 草 地730．98 hm2，河灘地 772．88 hm2;受影響的村莊 27個，約8萬人的生產、生活用水困難。

圖4 遷安鐵礦區露天采場、廢石堆、尾礦沙壓占和破壞土地遙感影像圖

另一方面流經礦區的灤河污染對該地生態環境也構成嚴重威脅，該河環境污染范圍呈南北寬200～400m，東西長20余公里，總面積達6 km2的污染帶。主要環境污染源自兩岸分布的鐵采場和鐵選廠，調查顯示在南北長20 km的范圍內有礦山企業30余個，其中鐵選廠有15處之多，個別礦山企業偷排大量棄渣和廢尾(如圖5所示)。

近一兩年政府采取了一系列強有力的整頓礦業秩序的措施，關停了大量集、個體不法和不規范采礦點，但生態環境的演化有一定慣性，目前，區內國營礦山在環境恢復和治理力度和廣度上也是很微不足道的。且隨著目前鐵礦價格的提升，開采規模的日益擴展，許多已經恢復治理的場地又被重新破壞(如圖6所示)。

圖5 遷安鐵礦區鐵礦選場偷排尾砂污染灤河水源

圖6 河北省遷安鐵礦區北部礦山地質環境治理恢復區遙感監測影像圖

可以說遷安鐵礦區礦山地質環境總體發展趨勢是現階段平穩發展逐漸惡化和發展末期逐漸恢復階段為主。

四、結束語

礦山地質環境評價是礦山環境問題研究的一個重要環節，礦山地質環境問題分類和調查是其評價的基礎，本研究針對示范區礦業開發特點，基于遙感手段，建立了一套科學合理、實用性強的礦山地質環境評價指標和標準，客觀真實地評價了示范區生態環境動態變化，經實地驗證所得到的結果客觀合理，可信度高。研究的開展為后續進行礦業開發區的發展和礦山環境治理恢復奠定了基礎。

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