遙感技術在礦山地質環境監測中的應用

王慧敏 楊仕勇

(山東省國土空間數據和遙感技術中心, 山東 濟南 250013)

0 引言

礦產資源是工業的血液和糧食,是人類生產和生活所必需的不可再生的自然資源,是社會發展賴以生存的物質基礎[1]。礦產資源的開發利用引發了較多的礦山地質環境問題,破壞了生態環境,影響了人們的生產生活[2-3]。傳統的礦山地質調查方法主要采用逐級上報或者全外業核實的方法,經濟效益差,費時費力,調查過程中無法看到礦山全貌,調查精度低。隨著遙感技術的迅速發展,其波譜分辨率、空間分辨率和時間分辨率的日益提高,可全方位地掌握和了解礦山地質環境問題的現狀、動態及發展趨勢,可為礦山地質環境問題的調查提供新的契機[4]。

1 監測區概況

山東省位于黃河下游,華北平原東部,瀕臨黃渤海,地處34°22.9′～38°24.01′N、114°47.5′～122°42.3′E之間。北與河北省接壤,西南與河南省為鄰,南與安徽、江蘇兩省接界,總面積15.71萬km2,約占全國總面積的1.64%。境內中部山地突起,西南、西北低洼平坦,東部緩丘起伏,形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯環列其間的地形格局。

山東是礦產資源大省,截至2017年,全省已發現礦產148種,查明資源儲量的有85種。其中包含金、鐵、銅25種金屬礦產,崗巖、石膏、石灰巖等50種非金屬礦產,地熱、石油、煤等7種能源礦產以及地下水、礦泉水等3種水汽礦產。全省開發利用礦產60余種(含亞礦種),主要開采礦種為花崗巖、石灰巖、煤、石油、鐵、金等。查明資源儲量的礦產地2 560處(不含供伴生礦產地數)。

全省礦產資源分布范圍十分廣泛,受成礦地質條件制約,礦產資源在地域組合和礦種配置上呈現明顯差異。魯東地區是我國金礦的重要分布區,魯東山地丘陵地也廣泛分布建材(灰巖、花崗巖)等礦產;魯中地區是建材(灰巖、花崗巖)及黑色金屬(鐵)礦產分布區;魯西北及魯西南地區是煤炭、石油、天然氣及地熱資源分布區[5-6]。

2 數據來源與研究方案

2.1 數據來源

2.1.1遙感影像

收集監測區2020年3～6月高分辨率航空正射影像數據,空間分辨率為0.5 m。

2.1.2基礎性地理省情監測數據

收集監測范圍內的2019年度基礎性地理省情監測成果。其中,監測成果中的數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數據用于統計分析;行政區層數據用作按行政區劃裁切和統計的參考數據;道路層、水系層等作為外業核查的參考數據。

2.1.3其他專題資料

收集山東省第三輪礦產資源規劃資料,數據庫成庫時間為2015年,包含礦山點狀及礦山注記數據,用作礦種判斷的參考數據。

收集山東省1∶50萬地質圖,主要使用巖性、地層年代及地質構造數據,用作成果統計分析的參考資料。

本次監測收集的數據資料均來自權威主管部門,數據準確可靠。

2.2 研究方法

2.2.1技術路線

設計采用了以多源遙感影像數據、基礎性地理省情監測數據及礦山地質環境相關專題數據為主要數據源,在分析遙感影像特征、山東省礦山地質環境特點及專題數據資料的基礎上,結合外業采樣,建立礦山地質環境問題遙感解譯標志,通過內外業一體化方法精確提取全省礦山地質環境問題專題信息,并進行多維統計分析,探索山東省礦山地質環境問題分布特征,形成面向省域的多源數據集成的礦山地質環境問題快速遙感監測方法和模式[7-8]。總體技術路線如圖1所示。

2.2.2技術方法

(1)數據預處理

主要包含2020年0.5 m分辨率航空正射影像的鑲嵌裁剪及坐標轉換,礦山地質環境專題資料的格式轉換,數據異常點處理等。

(2)建立山東省礦山地質環境問題解譯標志

根據山東省礦山地質環境特點,將礦山地質環境問題專題要素劃分為破損山體、露天采坑、尾礦庫、采礦塌陷地、固體廢棄物堆放、其他礦料堆放、工業廣場7類,通過前期外業采樣,結合影像特征建立全省礦山地質環境問題解譯標志。各類型定義及在影像上的特征具體見表1。

續表

(3)礦山地質環境問題專題信息提取

首先根據建立的遙感解譯標志,結合收集的專題資料,提取全省礦山地質環境問題專題信息[9-10],最小采集圖斑為100 m2,錄入屬性,標注需要外業核實的疑問圖斑。信息提取原則為:水泥廠、攪拌站以及無取土坑的磚窯廠等加工企業,經營性質的沙石料、煤等固體堆積,以及因建設項目(鐵路、高速等)造成的臨時性取土坑或固體堆積不屬于礦管范疇,若能確認則不需提取;風力發電建設的風機區域只是破壞了植被,沒有破壞山體,此類圖斑不需提取;石油生產地,不需提取;早期的礦山已停工多年,現增改廠房變為工廠、飼養場等,土地類型仍為采礦用地,并有采礦遺跡,提取圖斑為工業廣場;工業廣場內若包含固體廢棄物堆放、其他礦料堆放等,需分別圈定;采礦塌陷地解譯時,根據影像只準擴大或保持不變,不能刪除及縮小;圖斑中有多種類型時,以生產型為主;跨越公路的圖斑,在公路兩側分別圈出。

(4)外業核查

采用野外移動核查采集系統,對信息提取過程中標注的疑問圖斑進行外業實地核查,填寫外業核查記錄表。同時,對非疑問圖斑以縣為單位采集各類別樣本點,便于后續建立樣本集及核查內業提取圖斑精度,以提高解譯的準確性。

(5)內業編輯與整理

根據外業核查結果對疑問圖斑進行編輯和屬性修改,對非疑問圖斑通過抽樣進行精度評估,質檢完成后生成全省礦山地質環境問題數據集。對外業樣本點進行編輯整理,生成以縣為單位的樣本集。

(6)多維統計分析與表達

將監測結果與多種數據做疊加分析,基于行政區劃、不同地形分區、不同巖性、斷裂帶、水系5個角度分析了全省礦山地質環境問題的空間分布特點,并對全省的礦山地質環境問題圖斑進行了熱點分析,制作了相應的專題圖件進行直觀表達。

3 監測結果與分析

本次研究共提取了全省礦山地質環境問題圖斑12 937個,面積共計826.30 km2。全省礦山地質環境問題圖斑統計情況見表2。山東省礦山地質環境問題最突出的是露天開采礦山導致的破損山體和隨礦業活動伴生的用于礦料加工的工業廣場,數量和面積均占前兩位;其次依次為露天采坑、采礦塌陷地、其他礦料堆放、尾礦庫和固體廢棄物堆放。

表2 全省礦山地質環境問題統計表

結合礦產資源分布情況來看,魯東招遠-萊州和牟平-乳山兩個金礦分布區分布有較多的尾礦庫,魯東山地丘陵區開采建材產生了大量破損山體和加工石材的工業廣場。魯中的淄博、萊蕪等地市分布有較多黑色金屬礦山,對金屬礦的開采形成大量尾礦庫和固體廢棄物堆放區,同時魯中山區開采建材等也形成面積較小但數量較多的破損山體。魯西北及魯西南地區大量的煤炭開采導致了大面積的采礦塌陷。

3.1 基于行政區劃的統計分析

礦山地質環境問題在全省16地市均有分布,其中,煙臺市礦山地質環境問題圖斑面積最大,共146.48 km2,占全省礦山地質環境問題總面積的17.73%;濟寧市、臨沂市次之,面積分別為127.16、90.90 km2,分別占全省礦山地質環境問題總面積的15.39%和11.00%。濟寧市、煙臺市、臨沂市三個市礦山地質環境問題圖斑面積之和可達全省礦山地質環境問題圖斑面積的44.12%,具體如圖2所示。

圖2 全省各地市礦山地質環境問題圖斑占全省問題圖斑總面積比例圖

3.2 基于地形的統計分析

通過地形數據與礦山地質環境遙感監測成果進行疊加分析發現(表3)。山東省平原、山地、丘陵、臺地四種不同地形分區中,丘陵地區礦山地質環境問題最大,面積共計302.25 km2,占全省礦山地質環境問題圖斑總面積的36.59%。其次為平原和山地地區,分別為274.44 km2和221.14 km2,分別占全省礦山地質環境問題圖斑總面積的33.22%和26.77%。臺地地區分布著極少數的礦山地質環境問題圖斑,僅占總圖斑面積的3.42%。山地和丘陵地區以破損山體為主,平原地區以采礦塌陷地與工業廣場為主,臺地區域以露天采坑為主。由于破損山體的災害威脅較大,因此，對于山地及丘陵地區的恢復治理應引起重視,并加大恢復治理力度。

表3 不同地形分區內礦山地質環境問題面積統計表

3.3 基于巖性的礦山地質環境問題分析

本次監測分析以巖石性狀為切入點,分析山東省礦山地質環境問題的分布與巖性的關系,從而為更好地進行礦山地質環境修復提供有關建議,監測結果如圖3所示。

圖3 礦山地質環境問題圖斑在各類巖石類型中的分布情況

魯中南地區基巖出露,主要為古生代寒武紀—奧陶紀石灰巖、白云巖;前寒武紀花崗巖質編制侵入巖和片巖、片麻巖等變質巖;臨沂地區沭河兩岸附近發育膨脹土。魯西北、魯西南地區因沖積、湖積、海積及沼澤沉積分布著大面積的新生代第四系松散沉積物,且覆蓋厚度大,主要沉積物為泥巖、頁巖、粉砂巖、粉砂質黏土、砂巖和鹽漬土等。魯東地區中生代花崗巖侵入體十分發育,其次發育前寒武紀古老的變質巖,如片巖、片麻巖、大理巖等;萊陽盆地一帶發育白堊紀火山巖;在盆地、河谷及坡麓分布第四系松散沉積物。

全省礦山地質環境問題圖斑在第四系松散沉積物中分布最為廣泛,占全省礦山地質環境問題圖斑面積的42.65%。沉積物主要為泥巖、頁巖、粉砂巖、粉砂質黏土、砂巖和鹽漬土等,主要分布于魯西北、魯西南地區,該地區主要以磚瓦窯場為主,取土量較大。其次,石炭—二疊紀是山東省主要含煤層系,集中分布于魯西隆起區,因此,該地區分布著大量的煤炭資源,全省大部分的采礦塌陷地也分布于此。全省礦山地質環境問題圖斑在花崗巖及水泥灰巖兩種巖石類型范圍內也分布較多,面積分別占全部圖斑面積的17.29%、14.62%。花崗巖主要分布于魯中山區及魯東地區,主要用于生產建筑石材。水泥灰巖主要分布于魯南及魯西南地區,主要用于生產石灰、水泥及石膏等。

破損山體多分布于水泥灰巖、花崗巖、第四系松散沉積物分布的區域。水泥灰巖巖體破碎,由該巖石組成的地表極易引起滑坡的發生,破損山體位于此,裸露的巖石加之風化作用的影響,極易引發滑坡、崩塌的發生。

3.4 基于斷裂帶的礦山地質環境問題分析

基于斷裂帶的礦山地質環境問題統計分析表明如圖4所示,全省礦山地質環境問題圖斑中,距離斷裂帶10 km以內的礦山地質環境問題圖斑面積527.46 km2,占全部圖斑面積的63.87%,說明大部分圖斑位于受斷裂帶影響較大的區域范圍內。

圖4 礦山地質環境問題圖斑隨斷裂帶的距離分布情況圖

其中破損山體有72.51%,露天采坑有66.62%位于距離斷裂帶10 km以內的區域內。礦山開采活動使得地表內部力學結構發生改變,容易引起崩落、坍塌等危險的發生,加之斷裂帶活動的影響,增加了次生災害發生的概率,容易引發更大規模的地質災害。

值得注意的是,有面積占比28.13%的露天采坑和占比25.84%的破損山體位于距離斷裂帶不足4 km的區域內。此類距離斷裂帶較近區域的破損山體及露天采坑需及時處理,進行危巖體清理、護坡等修復工作。

3.5 基于水系的礦山地質環境問題分析

基于水系的礦山地質環境問題分析表明(圖5),距離水系1 km的礦山地質環境問題圖斑總面積共計31.78 km2,占全部礦山地質環境問題圖斑的3.85%。距離水系1 km范圍內的礦山地質環境問題圖斑中50%以上為采礦塌陷地及工業廣場。

圖5 距離水系1km以內各礦山地質環境問題圖斑統計圖

需要引起注意的是其他礦料堆放、固體廢棄物堆放及尾礦庫,若保存不當,其中的有害物質會隨地表深入地下,從而影響地表水地下水循環系統,對水資源造成污染。

另外,水系1 km以內分布著些許露天采坑及破損山體,共計9.88 km2,地表水滲透會侵蝕露天采坑及破損山體內部結構,破壞原本就被開采而不穩定的地表內部,從而引起滑坡、崩塌、泥石流等次生災害。

3.6 熱點分析

基于全省礦山地質環境問題圖斑分布及面積數據,進行全省礦山地質環境問題熱點與冷點區域分析,并探索整體及各個區域礦山地質環境問題空間分布差異特征。在熱點分析結果圖中,黑色區域為熱點區域,代表礦山地質環境問題圖斑空間連接性強,密度大,單個礦山地質環境問題圖斑面積大的區域;白色區域為冷點區域,代表礦山地質環境問題圖斑空間連接性弱,分布分散,單個礦山地質環境問題圖斑面積小的區域。山東省礦山地質環境問題空間分布差異顯著,總體表現為中部和南部突起的魯中南山地丘陵區以及東部起伏和緩的波狀丘陵區為礦山地質環境問題的熱點區域,魯西和魯北平原區為冷點區,這個結果也與山東省礦產資源的分布呈現出較高的一致性。

4 結束語

本文以山東省礦山地質活動影響區內的礦山地質環境問題為監測對象,以高分辨率航空正射影像為主要數據源,通過內業解譯與外業核查相結合的方式,開展了全省礦山地質環境問題遙感監測,總結如下:

(1)基于基礎性地理省情監測數據及專題數據的數據整合與處理,高精度遙感影像內業判讀與外業核查相結合的內外業一體化精確提取、多維度多視角的統計分析等,形成了面向礦山地質環境問題的快速監測體系和應用模式,經驗證,監測效率高、監測成果可靠。

(2)全省礦山地質環境問題的監測統計分析成果可以直觀地展示全省各個地區礦山地質環境問題的空間分布情況,基本摸清了全省礦山地質環境問題的家底,可為礦山地質環境保護及監管提供參考。

(3)通過后續持續的監測可以看出全省礦山地質環境問題的變化,進一步為礦山地質環態保護及礦山地質環境恢復治理效果的監督和管理提供數據支撐。