高分遙感影像煤礦非法開采動態監測應用

文∣趙家樂 陳浩

天津航天中為數據系統科技有限公司

一、引言

長久以來,煤炭資源的亂采濫挖現象十分嚴重,不僅浪費了礦產資源,而且破壞了礦山環境。對其進行有效動態監管，是當前實施煤礦資源開發和管理工作中面臨的重要課題。煤礦非法開采監測是以高分辨率遙感影像為依據，以有效遏制煤礦非法開采事件的發生為目的,是保護煤礦安全、高效生產的基礎。

用傳統方法對煤礦開采進行監測，不僅耗資巨大，而且無法快速科學掌握煤礦資源開發與管理的多元信息。隨著遙感技術的快速發展，高分辨率遙感影像的應用已經涉及到國民經濟建設的各個領域，對經濟建設、國防建設和環境優化起到了巨大推動作用。遙感影像具有直觀、動態、快速、宏觀、真實等諸多優點，己成為便捷、科學、精準監測煤礦資源開采變化狀況的重要手段?；诟叻诌b感影像煤礦非法開采監測,是利用高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率能力的影像數據，通過對比分析不同時相數據的解譯結果，探討高分影像對礦區采礦活動的識別能力，指出工作區存在的違規采礦行為；通過分析往年遙感影像獲取時間間隔，探討是否滿足對整個礦區所發生的非法開采事件進行動態監測。為國土資源相關部門進行礦產資源的開發管理、低成本快速高效打擊非法采礦行為，提供科學執法依據。

二、技術方案分析

煤礦非法開采監測就是通過分析不同時期的衛星影像，從中提取、分析采礦痕跡變化信息實現其監測。如何利用能獲取的高分數據，將信息綜合起來，并快速發現煤礦的非法開采活動痕跡，是煤礦非法開采動態監測首要解決的基本問題。煤礦開采活動痕跡通常表現為：道路修建、采礦設施、礦渣(石)堆積、植被破壞、山體開掘等,含有這類形狀特征及其空間關系特征的地物可作為煤礦判讀的標識。其中道路顏色的新舊程度、現場有否運輸設備斑點、堆煤場面積是否擴大及建筑房屋是否增建可作為煤礦在采與否的判別標志。

1.監測區遙感數據源選擇

在考慮到控制監測成本的前提下，選擇什么樣的遙感數據，要根據遙感影像的獲取周期，及監測目的和監測內容而定。在目標煤礦監測開采區內，選用的遙感數據要能夠清晰分辨煤礦開采硐口、采礦建筑、堆礦石區、礦車、汽車、礦區生態環境治理區、寬度大于分辨率的運輸道路等采礦活動痕跡。

2.遙感圖像處理

對不同時相的遙感影像進行幾何校正，并將全色PAN波段數據與多光譜數據融合處理，天然假彩色合成，然后進行圖像增強及裁剪等。結果數據與采礦確權數據進行疊加顯示，以人機交互的方式對監測煤礦中各類地物和采礦活動痕跡相關內容進行解譯，圈定非法開采的煤礦，最后利用解譯結果進行野外驗證。

3.建立遙感影像綜合解譯標志

非法煤礦開采有其隱蔽性強的特點，但在開采硐口附近有矸石堆、堆煤場、簡易建筑等，并有道路相通。采煤區在圖像上呈黑色或灰色區域，地處山坡，輪廓通常表現為不規則梅花狀或尖部指向低處的扇形。礦區道路在融合影像上呈線條狀，隨地形起伏而變化，色調一般為亮白色，線條通向建筑物或堆煤場附近后消失，有時道路上可見運輸車[1]。礦區建筑物在影像上呈淺白色花斑狀，輪廓大多數表現為整齊規則的矩形、有道路相通。尾礦石堆積為灰白色調，煤倉或煤矸石堆積為灰黑色調。堆煤場在影像上，顯示為黑色調、地勢平坦、輪廓通常為規則多邊形或矩形、道路進入該區后中斷、有時可見運輸車停放。采煤影響區在影像上通常呈現為淺灰或灰白色調，紋理結構呈深淺不一的雜色，主要分布于采煤區和堆煤場地的周圍及道路附近。地面塌陷區在影像上呈現舒緩波狀裂縫，有時會成組出現，及成片蘑菇狀圓坑地貌。礦井則一般出現在采煤區中地勢較高的位置，色調較深的點狀區域，道路在此處中斷。如果是扇狀采煤區，則在采煤區上部，尾礦石堆積場和煤倉的結合部區域，采礦小鐵軌在此處中斷。此外，硐口形成的太陽陰影也可以作為礦井的判讀標識[2]。這些判讀依據都是煤礦開發過程留下的痕跡，通過發掘這些痕跡及其特征，并追蹤這些痕跡的變化，就可以發現采礦活動。

4.動態變化信息提取

利用遙感技術進行煤礦資源非法開發動態監測的核心，就是利用多時相遙感圖像，以對比解譯、分析為主體，根據建立的解譯標志，發現捕捉圖像上與非法采礦活動有關的痕跡[3]。采礦痕跡自動發現能夠監測出兩個時相圖像中，非法開采區域的具體位置及分布，通過人機交互解譯提取準確的變化區域，進而從影像上獲得變化處各目標的準確范圍、形狀及邊界。

5.野外驗證

野外調查驗證可以在重點區域進行無人機航拍或者實地勘察來實現，其目的是給遙感解譯人員提供一個感性認識，對測區內的礦區環境和采礦作業現場有一定了解，從而完成建立遙感解譯標志[4]。此外，為保證對礦區遙感解譯成果的準確性、可靠性以及解譯的質量，還對目標區內煤礦資源開發狀況(現礦山數量、規模，停采礦山數量)、開采活動范圍(土地占用面積、植被破壞面積)等進行野外實地驗證。

三、高分數據獲取

不同分辨率影像對監測目標類型的識別能力不同，不同影像的獲取成本也不同，獲取存檔數據和編程數據的時間間隔也不相同，如何以低成本而高效地獲取非法煤礦動態監測結果，就要選取正確的數據源及合理的獲取方式。

目前獲取衛星數據服務主要有兩種方式，一種是靠衛星自主拍攝獲取的標準數據，即為存檔數據。這種方式受國家應急或其他主用戶需要的影響，獲取拍攝到同一地區影像的時間間隔不穩定。另一種獲取衛星數據服務的方式為衛星編程數據定制服務，這種方式依靠指定衛星去拍攝，獲取的編程數據采購不設限，短時間內多次覆蓋，影像更具針對性、時效性，獲取能拍攝到同一地區影像的時間間隔大約為一個月，但是價格也比標準數據要高。

雖然很多衛星的重訪周期均在5天以內，且從衛星拍攝某地區影像到發布，用戶能查到該數據的時間延遲僅大約為24小時，但受國家應急或其他主用戶需要的影響，實際上獲取拍攝到同一地區影像的時間間隔不穩定，有的需要幾個月，有的甚至需要大半年，并且只能保證同一地區每年有兩次覆蓋。

四、高分影像煤礦監測結果

以甘肅省多個煤礦區作為試點，將2m分辨率、1m分辨率及0.5m分辨率數據的煤礦監測實際效果進行展示及對比。

將高分一號、高分二號及GeoEye-1衛星影像作為不同分辨率的代表進行監測結果分析。通過人工交互解譯結果，結合批準的采礦界限，發現礦區疑似越界開采痕跡。如圖1所示。

圖1 疑似越界開采區域監測

由圖1（b）可以清晰的看到矸石堆、采礦設施等地物，由圖1（c）可以識別出運煤車，由此可以判讀兩個疑似越界開采區域屬于正在開采的煤礦，應該列為疑似非法開采區域。

圖2為高分一號衛星數據，從圖上只可大致識別出礦區1采礦建筑、運輸道路、堆煤場以及堆煤場逐年變大的痕跡。

圖2 堆煤場變化監測

圖3為礦區2堆煤場關閉痕跡影像圖。從圖3上可以直觀地識別出堆煤場以及堆煤場關閉的痕跡，根據甘肅省發布的關閉淘汰小煤礦名單的公告，礦區2屬于淘汰落后煤礦實施關閉，與影像反應情況相吻合。

圖3 堆煤場關閉痕跡監測

圖4為運煤汽車影像識別，圖像為高分二號、GeoEye-1衛星數據。從圖4可以清晰地識別出運煤汽車、采礦建筑、運輸道路、堆煤場以及堆煤場逐年變大的痕跡。與高分二號影像相比，GeoEye-1影像上的運煤車等其他地物更容易識別。

圖4 運煤汽車影像識別

圖5為采礦建筑變化監測圖，從圖5上可以清晰地識別出采礦建筑、堆煤場逐年變大的痕跡。與高分二號衛星影像相比，GeoEye-1衛星影像上的采礦建筑及其他采礦活動痕跡更容易識別。

圖5 采礦建筑變化監測

五、結論

綜合以上分析，可以得出結論：

1）高分衛星數據對煤礦識別能力。1m分辨率及0.5m分辨率衛星數據能夠識別煤礦開采硐口、汽車、礦車、堆礦石區、采礦建筑、礦區生態環境治理區、寬度大于2m的運輸道路等采礦活動痕跡，且0.5m分辨率衛星數據更清晰，顏色更真實，更容易識別運煤汽車、采礦建筑等其他采礦活動痕跡，更適合用于監測煤礦的非法采礦活動。而2m分辨率數據對煤礦的開采狀況顯示效果欠佳，對采礦活動痕跡的細節顯示模糊，不適合用于監測煤礦的非法采礦活動。

2）煤礦非法開采判讀。針對不同時相的高分數據，專業人員可以根據開采硐口、采礦建筑及煤矸石等固體廢棄物堆放情況，結合批準的采礦界限來判讀是否越界開采或一證多井違法開采；還可以根據運輸道路的新舊情況及現場是否有運輸設備，來判讀已經關閉的煤礦是否還在違法開采。

3）高分衛星數據時效性。存檔衛星數據獲取時間間隔不穩定，編程衛星數據獲取時間間隔可以控制在1～3個月內。

4）高分衛星選取。國內高分編程數據獲取較困難。國外高分編程數據周期相對較短，建議在重點礦區使用；在非重點礦區建議使用分辨率相對低的高分二號存檔數據（1m）。