遥感技术在河北省武安市矿山地质环境动态监测中应用研究.doc

遥感技术在河北省武安市矿山地质环境动态 监测中应用研究 张振生 （河北省遥感中心 河北 石家庄 050021） 摘要我国社会经济的快速发展，导致矿产资源需求迅猛增加，随着矿产资源开发强度的不断增大，矿山 地质环境日趋恶化，为了及时掌握矿山地质环境的变化信息，应用遥感技术进行动态监测是十分必 要的，本文着重介绍了遥感技术在河北省武安市矿山地质环境动态监测中应用的技术路线、技术方 法和主要监测成果，并对遥感动态监测进行了技术分析，认为矿山地质环境遥感动态监测精度高、效 果好，具有推广应用前景。 关键词河北 武安市 矿山地质环境 遥感动态监 1、引言 改革开放二十多年来，我国社会经济高速发展、矿产资源需求迅猛增加，随着矿产资源开发强度的不断增大，矿山地质环境日趋恶化，给我国社会经济的可持续发展造成巨大压力。为了全面掌握我国矿山地质环境现状，及时准确地了解矿山地质环境变化及其发展趋势，国土资源部开展了全国矿山地质环境调查与评估工作，工作中为了提高监测矿山地质环境变化的技术能力，组织进行了矿山地质环境遥感动态监测试点，“河北省武安市矿山地质环境遥感动态监测”项目是其中试点之一，经过二年的工作，项目在遥感动态监测的技术方法和工作流程的研究方面取得了一系列的成果，解决了遥感在矿山地质环境动态监测中应用的关键技术和难题，具有推广应用价值，本文是在该项成果的基础经过进一步的分析和研究而成。不妥之处，敬请指正。 2、武安市矿山地质环境现状 河北省武安市矿产资源丰富、截至2003年底，已发现的矿产28种，探明矿产储量有煤、铁、钴（伴生）、铝土矿、耐火粘土、石膏、水泥用灰岩、溶剂灰岩、水泥配料用灰岩、粘土等10种。主要矿产地74处，其中煤矿占17处，储量28788万吨；铁矿产地37处，储量8772.6万吨；水泥用灰岩矿产地2处，储量10148万吨；石膏资源量120275万吨。其中煤、铁资源量及其价值较高。 该市矿产资源分布比较集中，铁矿主要分布在中西部低山丘陵区，总体呈南北向带状分布；煤矿位于中东部也呈南北向带状分布；水泥用石灰岩则广泛分布于西南部、西部、大都属于寒武系和奥陶系沉积岩。 从矿产资源开发程度看，截至2003年已开发利用矿产7种，煤、铁、水泥用石灰岩等主要矿产开发利用高达94.6，煤矿17处已全部利用，其中有8处已停产或闭坑。铁矿产地37处，有34处被利用，其中21处已停产或闭坑，石灰岩已全部利用，矿山开发为武安市经济和社会发展提供了大量资源，为钢铁、煤炭、建材三大支柱产业以及相关加工业的形成和发展奠定了基础，为地方经济建设作出了贡献。 但几十年的高强度开发，已使该区矿产资源几近枯竭，多数老矿山进入生产晚期。加之以集体和个体采矿为主，资源利用率低，重开发轻保护。据统计，全市铁矿石产量的80来自于集体、个体矿山，煤矿产量的95来自于集体和个体矿山，这些集体、个体矿山企业大都设备简陋，生产条件差，存在着严重的乱采滥挖现象，造成资源浪费、安全事故频发，小选场尾矿随意排放、污染环境、破坏植被，大量渣堆无序堆积，压占损毁土地，并形成泥石流隐患。 因此，选择该区进行矿山地质环境遥感动态监测试点具有典型意义。 3、遥感监测数据源的选择 根据武安市矿山地质环境特征和遥感动态监测的目标任务，在该市开展1∶5万、重点区1∶1万的遥感解译。为此，我们选择大比例尺的黑白航片和高分辨率的卫星遥感数据作为本次工作的主要信息源，各类遥感数据的性能指标参见表1。 在监测时段的选择上，考虑到武安市矿产资源开发历史悠久，时间跨度大，各时期开发强度存在着明显差异的实际情况，监测周期以三个主要历史时期为背景，分别选择改革开放之初的1984年，矿业开发高峰期的1998年和治理整顿后的2003年三个时段，进行对比、分析，反映该区的1984年至2003年矿山地质环境的主要特征和演变趋势。 表1 武安市矿山地质环境遥感动态监测数据一览表 Tabie1、the data of mine geological environment dynanvic monvitoring through remote sensing in wu，an city 数据类型 分辨率或比例尺 波段 成像时间 轨道号或测区 成果数或幅数 黑白航片 1∶1.2万1∶2.5万 黑白 1984年 武安市 60幅 Landsat5TM 30米 多光谱 1984.10 124035 1景 IKONOS 1米 全色 2001.09 武安市100km 1景 SPOT4 10米 全色 1998.09 1景 Landsat7TM 30米 多光谱 2003.10 124035 1景 SPOT5 5 全色 2003.05 1景 4、遥感动态监测 4.1技术流程 本次遥感动态监测的总体技术和思路是以遥感图像为主信息源，以当地的矿产开发及地质环境资料为辅助信息源，经过遥感图像预处理和信息增强处理，采用多时相遥感图像对比解译和遥感图像与已有资料综合分析的工作方法进行矿山地质环境监测，具体技术流程参见流程框图图1。 4.2主要技术方法 4.2.1遥感数据处理 主要包括遥感数据几何精校正、配准和融合。 由于本次监测涉及的遥感数据时相不同、精度不同、波段不同，因此，做好遥感数据的几何精校正、配准和融合处理是保证监测精度的首要前提。 （1）几何精校正 根据工作区地处丘陵山区的实际情况，按照不同区域监测精度不同的要求，首次利用1∶2.5万和1∶1万地形图分别提取了1∶2.5万和1∶1万精度的DEM，即对不同类型的遥感图像采用了不同的纠正方法，其中，SPOT影像和航片、IKONOS影像采用正射影像的方法校正。对于TM影像采用多项式方法校正，纠正后的控制点中误差一般不超0.5个象元或不大于2.5米，满足监测精度要求。 （2）配准 125000地形图栅格化 110000地形图栅格化 提取125000精度DEM 提取110000精度DEM 选取控制点 SPOT数据正射校正 1984年航片正射校正 IKONOS数据正射校正 TM数据多项式校正、配准 SPOT数据与TM数据融合 矿山地质环境信息提取 野外调查验证 建立空间数据库 选取控制点 选取控制点 IKONOS数据融合 监测成果输出 开发遥感动态监测系统 多源数据综合分析 图1矿山地质环境遥感监测流程框图 Fig.1、flow chart of dynamic monitoring of themine geologic enviroment 配准采用多项式方法，将低分辨率数据配准到高分辨率的遥感图像上，如TM30米数据配准到SPOT5米数据上，IKONOS4米数据配准到IKONOS1米数据上。 （3）融合 通过低空间分辨率多光谱数据与高空间分辨率的全色波段数据的融合，将遥感图像的波谱优势与空间优势都得到了发挥，可以大大提高遥感图像的解像力。同时，不同时相遥感数据或不同时相遥感图像与已有矢量图件的融合是提取变化信息的重要技术方法。本次工作融合的数据组合为1998年SPOT4 10米全色波段与1999年LandsatTM30米多光谱波段融合和2003年SPOT5 5米全色波段与2003年SPOT5多光谱波段融合。采用3HIS、主成分变换等多种融合方法。 4.2.2矿山地质环境变化遥感提取方法 （1）矿山地质环境要素的解译 要提取变化信息，首先要将不同时点的表征矿山地质环境状况的要素信息解译出来，然后通过不同时点地质环境要素的对比获取变化信息。本次遥感解译的矿山地质环境要素主要有采场、渣堆、尾矿库、地面塌陷、地裂缝、群采矿点等矿山开采要素信息和矿山地质灾害信息等，详见矿山地质环境解译标志一览表，表2 表2 矿山地质环境解译标志一览表 解译目标对象 色调 影纹 形状 植被 人文自然景观 采场或采坑 采石场为浅色调，金属矿为较深色调 斑点状或不规则状耀斑影纹 碟状或不规则条带 无植被 丘陵或低山区有道路相通，人为活动明显 渣堆 浅灰色调或深色调斑点状 斑块状、月牙状或线状 圆形或半圆形锥状堆积、沿沟呈不规则状条带 植被稀少 与采场或采坑相伴而生，常位于采场下游 尾矿库 浅淡色调、靠近坝缘因积水而呈深色调 亮斑面状或三角形影纹 半圆形或不规则长条形 无植被 常位于沟谷或山口处，下游河流多呈深暗色，多位于采场周边 地面塌陷 深色调间夹浅色调 指纹状或带状斑纹 圆形或椭圆形碟状洼地 植被分布不均匀 煤矿多位于丘陵或平原，金属矿分布于低山丘陵，均有道路相通 地裂缝 深浅不一的色调 线状或条带状 直线状陡坎或线状低凹地形 植被分布不均匀 山体出现垭口，平地常有陡坎，含水性及湿度存在差异 煤矸石堆 黑色或深黑色 圆形黑斑或不规则状黑斑 圆形或无规则形状 无植被 多位于丘陵或平原的煤矿区 群采煤矿点 深黑色或紫棕色 块状、星点状，浅色亮点为临时建筑或工棚，暗色为煤矸石或煤堆 似圆形或扁圆形及条形不等 国有煤矿周边，常集群分布，有运煤小路相通 自然地貌景观之上不协调的深色斑块，道路因撒落煤尘呈暗色调 群采铁矿点 紫粉色或蓝灰色 影纹粗糙，图斑边缘犬牙齿痕 不规则斑块状或星点状 大型铁矿区周边，矿山道路呈蠕虫状与之相连 貌似地貌疮疤和溃烂，与景观形成极大反差 （2）变化信息提取方法 采用方法有差异主成分分析、光谱差异法、分类比较法和人机交互解译等多种方法，其中以人机交互解译为主要方法，所谓人机交互解译是在计算机上变化信息特征增强的图像中，用GIS数据的辅助制图功能勾绘出矿山地质环境要素的变化区域，并结合现状图和实地调查确定变化类型，解译的基本信息包括色调、颜色、大小、形状、纹理、结构、高度、阴影、组合构型和所处的地理位置等。人机变化解译最大的优点是灵活，并由于加入了解译者的经验和判断，信息提取精度相对较高。 4.3监测的主要成果 从1984年到2003年为止，工作区内整体矿业活动强度（见图2）逐年增强，主要表现在采铁、采煤、采石料几个方面。群采铁矿点在98年左右达到一个高峰，达到458处，是这三年中个时点数量最多的。群采煤矿点则呈逐年递增的趋势，到2003年达到了498处，以84--98年时段增长最为迅速，增长率达到164.12，在几个较大煤矿区中，以康二城煤矿区采煤点最多、增长速度最快。伴随采煤活动，煤矸石压占土地问题同比例增加。随着铁矿开采活动的日益增强，渣堆堆放、尾矿砂排放对环境的影响越来越大，土地破坏日趋严重。（见表2） 表2 1984年至2003年矿山地质环境问题变化情况一览表 Tabie2、the changes of the mine geologic enviroment proble from 1984 to 2003 矿山地质环境问题种类 1984年 1998年 增长百分比 2003年 增长百分比 处数 压占或破坏土地面积m2 处数 压占或破坏土地面积m2 处数 面积 处数 压占或破坏土地面积m2 处数 面积 采场 93 1959939 32 1206091 -65.59 -38.46 96 2111845 200.00 75.10 渣堆 164 4657690 214 12606227 30.49 170.65 302 15410137 41.12 22.24 尾矿砂 17 774850 94 11575288 452.94 1393.87 130 11011039 38.30 -4.87 矸石堆 7 191411 36 730931 414.29 281.86 78 1507981 116.67 106.31 塌陷 5 114024 13 799645 160.00 601.29 29 2079509 123.08 160.05 选矿点 30 1053620 81 2844775 170.00 170.00 50 1767488 -38.27 -37.87 石采场 31 495556 46 1867305 48.39 276.81 70 2464012 52.17 31.96 铁矿点 375 1017930 458 1243231 22.13 22.13 438 1188942 -4.37 -4.37 煤矿点 170 833469 449 2201339 164.12 164.12 498 2441574 10.91 10.91 总计 892 11098492 1423 35074836 59.53 216.03 1691 39982531 18.83 13.99 图2 三个时点矿业活动强度趋势图 Fig2、the tyend of mine activity intensity in three fime 各主要煤矿区矿点的增长情况参见下表。 表3 1984年至2003年煤矿（点）数量变化及分布 Table3、the quantity change and distrvibution of coai mine from 1984to 2003 矿区名称 1984年 1998年 增长百分比 2003年 增长百分比 数量 压占或破坏土地面积（m2） 数量 压占或破坏土地面积（m2） 数量 面积（） 数量 压占或破坏土地面积（m2） 数量（） 面积（） 邑城煤矿 33 161791 114 558914 245.45 245.45 134 656969 17.54 17.54 郭二庄煤矿 67 328484 109 534400 62.69 62.69 129 632456 18.35 18.35 云驾岭煤矿 41 201013 15 73541 -63.41 -63.41 21 102957 40.00 40.00 康二城煤矿 22 107860 177 867788 704.55 704.55 186 911913 5.08 5.08 周庄煤矿 5 24513 17 83346 240.00 240.00 12 58833 -29.41 -29.41 临漳煤矿 2 9805 17 83346 750.00 750.00 16 78444 -5.88 -5.88 合计 170 833469 449 2201339 164.12 164.12 498 2441574 10.91 10.91 5、分析与结论 5.1精度分析 主要涉及几何精度和分类精度两类。 5.1.1几何精度 矿山地质环境要素分为点状、线状和面状三类信息，其中点状信息如渣堆、群采矿点、尾矿库，线状信息如地裂缝等都需要很高的几何精度，为此，我们选择了航空相片和1米及5米分辨率的高分辨卫星遥感数据，通过几何精校正，纠正后的控制点中误差一般不超过0.5个象元，即平面误差小于2.5米，可以满足1∶10000遥感监测的精度要求。 5.1.2分类精度 本次矿山地质环境遥感解译共解译出矿山地质环境要素9个，主要包括采场（铁矿采场、采石场、灰岩采场）、矸石堆、矿渣（堆）、尾矿库、塌陷区、地裂缝、采空区、选矿厂、群采区采铁、采煤等，并作为监测目标进行动态监测。上述9个要素基本能表征区域矿山地质环境特征，因此，可以达到监测的目的、分类精度满足矿山地质环境监测的要求。 5.2遥感动态监测的技术特色与优势 运用‘3S’集成技术中的多种组合，如RSGIS、RSGPS、GISGPS、RS地面监测、RSGISGPS等方案，开展多种对地观测技术的集成，建立多源、多时像、多层次、多分辨率、天地一体化的对地监测系统，实现各技术互补、取长补短，不仅提高了空间数据获取和处理的精度、速度和效率，而且动态监测成果真实、可靠，具有很好的现势性，对制定矿山环境规划和治理整顿措施具有指导意义。 成功运用高分辨率遥感数据开展（市）县级矿山地质环境动态监测，较全面的掌握了自1984年以来武安矿山地质环境变化情况，分析了各时间段矿山环境恶化的原因。 首次建立武安矿山地理信息系统（MGIS），为定期进行矿山地质环境信息更新提供技术支持，通过多源、多平台、多时期、多层次遥感信息的应用，可逐步形成动态监测（6个月的时间周期）或重点矿区的实时监测。 The application and research of mine geologic environment dynamic monitoring in Wuan of Hebei province through remote sensing technique Zhang Zhensheng Abstractwith the speed development of social economy, the need of mine resource increase rapidly. With the increase intensity in mine resource exploitation, the mine geologic environment gets worse and worse. For master the change ination of mine geology in time, it is necessary to develop dynamic monitoring through remote sensing technique. This paper stressed introduces that the technical routing, the technical and the main monitoring result about mine geological environmental dynamic monitoring in Wuan of Hebei province. Through discussing the dynamic monitoring by remote sensing technique, we consider it has foreground to spread and application as the result of the high precision and high efficiency. Key wordshebei province wuan city mine geological rnviyomment dynamic moniton throngh remote sensing 9