矿山地质环境遥感监测方法初探.pdf

收稿日期2009-05-19；修订日期2009-09-27 基金项目中国地质调查局项目鄂西、鄂东南及江西大余-定南成矿区矿山开发遥感调查与监测（编号1212010911082）和中国地质大 学中凯矿业西藏矿产资源研究基金项目高光谱图谱信息成矿预测资助 作者简介陈伟涛（1980-），男，在读博士，助教，从事遥感技术方法与地学应用、遥感信息模型研究。E-mailcwt996 矿山地质环境遥感监测方法初探 陈伟涛,张志,王焰新,张林 CHEN Wei-tao, ZHANG Zhi, WANG Yan-xin，ZHANG Lin 中国地质大学武汉/国家遥感中心地壳运动与深空探测部/生物地质与环境地质教育部重点实验室,湖北 武汉430074 Department for Crust Dynamics geological remote sensing; landslide; land reclamation in mining area; tailing ponds 地质通报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA 第29卷第23期 2010年3月 Vol．29，No．23 Mar.，2010 矿山地质环境是指曾经开采、 正在开采或准备 开采的矿床及其邻近地区， 矿业活动所影响到的岩 石、土壤、地下水、地质作用、地质现象及其与大气 圈、水圈、生物圈之间相互作用所组成的相对独立的 环境系统。这一系统是以岩石圈为依托，以矿产资源 开发为主导， 不断改变着的地球表面和岩石圈自然 平衡状态的地质环境[1]。 它是地质环境和矿山环境 重要的组成部分，与人类生产生活的关系更为密切。 中国矿业的快速发展， 在为经济社会发展提供重要 物质保障的同时，累积了大量的地质环境问题，并直 接关系到人民群众的生命财产安全和社会经济的可 持续发展。 为此，矿山地质环境保护规定和全国 矿产资源规划（20082015年）要求进一步加强矿 山地质环境监测和评价工作。 目前， 中国以省为单元的全国矿山地质环境调 查与评估工作已经结束,形成了以野外工作为基础 的较为成熟的工作方法和技术流程。 然而,调查成 果不能反映全国矿山地质环境动态发展变化的情 况[2]，并且监测周期长，尤其在目前矿山突发性地质 灾害频发的背景下， 野外实地调查难以满足矿山监 管工作的需求。 遥感可以概括为借助光、热、无线电 波等电磁能量来探测地物特性的科学[3]。 综合利用 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2010年 不同平台类型、不同空间/光谱分辨率、长时间序列 的遥感数据开展矿山地质环境遥感监测与综合评 价，具有速度快、成本低、探测范围广且能够反映矿 山地物演化特征等优势。 美国地质调查局、 荷兰 ITC、 欧共体都开展了相关的矿区环境遥感监测研 究。 欧共体实施的MINEOmonitoring the environ- mental impact of mining activities in Europe using advanced observation techniques项目是综合应用高 光谱遥感和地理信息系统技术开展矿区环境监测最 有代表性的研究。 国内目前多以单目标遥感调查为 主， 如矿区固体废弃物及采场占地面积调查， 水污 染、植被污染、土壤污染调查等[4-13]，缺乏较为系统的 矿山地质环境监测技术体系； 利用不同类型的遥感 数据、 结合地理信息系统技术开展滑坡调查及区域 危险性评估已经取得一定的进展， 并初步形成了技 术流程[14-18]，然而矿区滑坡形成的原因较为特殊，受 矿业活动的扰动性更强， 已有的评价方法需要进一 步完善和补充。 遥感技术在尾矿库遥感监测及安全 性评估方面的应用能力尚未见报道。 针对中国目前重要矿集区突出的矿山地质环境 问题，并结合中国地质调查局正在实施的矿产资源 开发多目标遥感调查与监测项目目标的需求，笔者 选取矿山地质环境监测、矿区滑坡监测、矿区土地复 垦可行性研究、尾矿库监测与安全性评估4个目标， 开展遥感监测方法探讨， 为矿山地质环境监管提供 新的技术手段， 并以此促进遥感技术在矿山地质环 境监测中发挥更大的作用， 进一步推进中国矿山地 质环境监管的时效性。 1重要矿集区矿山地质环境遥感监测 1.1遥感监测因子 从矿业活动引发矿山地质环境问题的物源及表 现形式出发， 将矿石物质成分、 固体废弃物物质成 分、采场/固体废弃物空间分布、地貌坡度、地面变形 破坏程度、地质遗迹/风景景观破坏等作为重要矿集 区矿山地质环境遥感监测因子。 为了使监测成果面 向监管部门更具有针对性， 本文对矿山开发引发的 水土环境污染等其他生态环境污染问题不作讨论。 1.2遥感监测方法简析 不同成像类型的传感器在矿山地质环境遥感监 测体系中扮演着不同的角色，多种数据源相结合能够 完善监测内容和提升监测精度。利用高空间分辨率数 据能够准确地识别出采场/固体废弃物、地质遗迹/风 景景观破坏，也能识别出一定规模的塌陷坑；多/高光 谱数据能够半定量、定量地反演出矿产资源及固体废 弃物的物质成分，如Fe2、Fe3、Cu2等；微波干涉测量 技术可以监测矿山开采引起的地面变形破坏，并能够 生成垂直精度较高的DEM数据。 另外， 利用IRS- P5、SPOT5、IKONOS等立体像对也能够生成时效性 强的DEM，进而形成高精度的地貌坡度图像。 在矿山地质环境评价过程中， 不但需要评价其 历史与现状，也需要对未来的发展趋势做出评估，更 需要对重大基础设施建设、居民地、水源地等与人民 群众生命财产安全紧密相关的环境因素可能造成的 环境问题进行评价。因此，需要结合地理信息系统技 术，模拟地表径流及流域盆地图像，将遥感监测因子 与模拟图像叠加进行空间分析，做出评估[19]。 技术流 程见图1。 2矿区滑坡遥感监测 矿产资源开发能够引发滑坡地质灾害， 主要表 现为2种形式一是开采过程直接造成山体滑坡；二 是产生的排土场、煤矸石等固体废弃物，堆积到一 定程度时， 在内外营力共同作用下形成松散层滑 （坡）塌，此种情况在中国南方矿区表现尤为突出。 滑坡危险性遥感评估指在获取滑坡及其发育环境 基本信息的基础上,评估滑坡的稳定性,预测其未 来的活动性,评估区域滑坡的影响因子和进行区域 滑坡危险性评价[20-21]。 遥感在滑坡监测、致灾环境 及承灾对象的目标识别中能够发挥极大的作用， 能够为滑坡危险性评估提供基础数据。 值得指出 的是，在大型的露天开采矿区、大型的煤矸石等固 体废弃物堆积区和大型滑坡或特征明显的滑坡 区，遥感监测更具有实际意义。 2.1矿区滑坡遥感监测因子 影响矿区滑坡危险性的因子除了与滑坡密切相 关的地质/地貌指标、地理指标和生态指标外，还有 矿产资源开发等人类活动的强度。因此，选择如下内 容作为监测因子。 （1）地质地貌条件 地质是遥感应用最成功的一个领域。 地质地貌 条件遥感探测及分析是滑坡遥感常用的技术手段。 利用遥感数据识别滑坡或者斜坡所处的地层、 岩石 和构造条件，岩土类型和植被类型，坡度、坡向和坡 458 第29卷 第23期 面形态，与断层、山脊线的距离等[22-23]，为滑坡监测 和危险性评估提供基础地质地貌数据。 （2）固体废弃物堆放状况 主要监测固体废弃物的堆放场地形态、 堆放形 式与坡面植被恢复情况。①堆放场地形态不同的堆 放场地形态对固体废弃物堆积所形成的斜坡的稳定 性贡献不同， 如矸石山堆放在沟谷型场地则稳定条 件较好；②堆放形式不科学的堆放形式容易使斜坡 的稳定性受到破坏，如矸石分层堆放和完善的浅、深 层排水通道则能提高固体废弃物的稳定性；③坡面 植被恢复情况 坡面经过植被恢复后斜坡的稳定性 将会提高。 （3）矿业活动强度 分别就开采方式、开发状态、开采强度、开采规 模开展遥感监测。对于已经形成滑坡的而言，如果矿 业活动仍在继续， 则会进一步破坏滑坡所处的地质 地貌条件，进而破坏滑坡的稳定性；同时，正在开采 的矿山会不断产生新的固体废弃物， 堆积方式不当 累积到一定程度时，同样会破坏斜坡的稳定性，成为 滑坡的诱发因子之一。 2.2矿区滑坡遥感监测方法简析 矿区滑坡遥感监测方法， 需要借助地理信息系 统技术并通过相关的遥感信息模型进行。首先，通过 多源遥感数据获取上述影响滑坡发育的因子， 并确 定其对滑坡发育的重要程度；然后，根据滑坡或者斜 坡所处部位含有的重要因子进行矿区滑坡稳定性评 价。 如利用地形判别法、人工神经网络方法等，其中 地形判别法能够有效地避免对评价因子赋值的主观 性。 图2是技术流程图。 3基于空间信息技术的矿山土地复垦 目标可行性评估 矿山废弃地是指露天采矿场、废矿坑、尾矿、矸 石、洗矿废水沉淀物等占用的土地。 此外，还包括采 矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物、矿山道路等 先占用后废弃的土地。 矿山废弃地往往含有多种污 染物，这些污染物通过大气、水体等途径广为扩散， 会污染矿山及周边地区的水土环境， 导致生态系统 受到破坏；未经处理的废石堆和尾矿堆，其结构不稳 定，还会导致严重的水土流失，并可能引发地质灾害 图1重要矿集区矿山地质环境遥感监测技术流程 Fig. 1The flow chart of monitoring on geo-environment in important ore concentrated area using remote sensing technique 陈伟涛等矿山地质环境遥感监测方法初探 459 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2010年 图2矿区滑坡遥感监测技术流程 Fig. 2The flow chart of landslide monitoring in mining area using remote sensing technique 等[24]。 因此，矿山土地复垦对国民经济的发展有着重 要的现实意义和战略意义。 3.1矿山土地复垦的含义和实质 国务院土地复垦规定中将土地复垦定义为 “对生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏 的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的 活动。 ”因此，土地复垦就是恢复因采矿等破坏或影 响的土地的生产力和经济利用价值， 将其改造成为 与周围环境保持协调发展的程度。 因此， 矿区土地复垦就是针对矿业活动造成破 坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态 的活动。应该遵循自然界的客观规律，以生态学为理 论依据，包括2个目标，即恢复矿区土地的生产力和 协调矿区人地关系，实现矿区生态平衡。 3.2基于空间信息技术的矿区土地复垦 目标可行性评价 不同矿区破坏程度与地质条件、 自然资源条件 不同，因此土地复垦目标及可行性存在差异，但是地 貌重塑、 土体再造和植被恢复是矿区土地复垦的基 础目标。因此，基于空间信息技术进行矿区土地复垦 可行性评估时， 要依据矿山岩土性质、 区域自然特 点、 社会经济特点、 区域发展方向等来确定最终目 标，要综合考虑矿区被占用土地的地貌条件（坡度 等）、物理条件、水源条件等。地貌是土地适宜性评价 中的一个重要因素。 矿区内的地形、地貌、地面坡度、 土壤等条件决定着矿区土地利用的适宜性。水资源是 影响土地复垦可行性的重要因子之一，矿区及矿区周 围的水资源直接决定着矿区土地复垦的可行性。 在评价过程中， 高分辨率遥感影像将扮演着非 常重要的角色， 生成高分辨率DEM能够为地貌参 数计算提供数据基础。此外，还可借助于数字地面模 型获得如坡度、粗糙度等的地形景观的一些指标，分 析复垦区土地资源的状况； 基于三维影像数据的复 杂分析能力，可以获取空间距离、表面积、体积、通视 性、可视域等参数，为矿区土地复垦目标决策等提供 新的技术手段。 4尾矿库遥感监测与安全性评估 中国目前已形成的一定规模的尾矿库较多，且 尾矿库发生事故频率之高和事故破坏程度之大在世 界上是少见的， 其安全运行是矿山监管工作的重中 之重，山西襄汾“9.8”尾矿库特别重大溃坝形成的泥 石流灾害更是将此项工作提到了重要的安全战略高 度。为此，国务院颁发了关于加强尾矿库安全生产工 作的要求和国务院办公厅关于进一步加强矿山安 全生产工作的紧急通知国办发明电[2008]35号， 460 第29卷 第23期 进一步深化尾矿库的专项整治， 有效地遏制了重特 大事故的发生[25]。 目前中国尾矿库基础数据的监测多数还停留在 “逐层上报”的人工定时监测阶段，取得了一定的成 效，但是工作周期长且主观性较大；尾矿库运行过程 中及废弃后的稳定性评价工作开展较少， 缺乏日常 监管记录和行之有效的应急预测预报方法， 难以满 足尾矿库安全运行的常规监管需求。为此，本文结合 “国办发明电[2008]35号”文件的工作目标和检查重 点， 提出了利用遥感和地理信息系统技术开展大型 尾矿库或尾矿库群的遥感监测与安全性评估的应用 技术体系。 4.1尾矿库底数与合法性遥感监测 根据笔者近3年来从事矿山环境遥感监测的实 践经验，空间分辨率在2.5m以上的遥感数据完全能 够准确地识别出各种矿业活动所需的尾矿库，包括正 在生产使用的尾矿库、废弃的尾矿库和已闭库的尾矿 库。 如果辅以“安全生产许可证”数据，则能进一步识 别出未颁发安全生产许可证的尾矿库，为分类实施监 管和依法关闭取缔非法生产、不具备安全生产条件的 尾矿库监管提供客观的、现实性强的基础数据。 4.2尾矿库安全性遥感评估 尾矿库的安全由尾矿库的防洪安全、 尾矿坝安 全和尾矿库库区安全3部分组成[26]。 另外，库容监测 及突发降雨条件下的库容量也是和尾矿库安全性密 切相关的重要因素。参考尾矿库安全技术规程，用遥 感和地理信息系统技术识别和计算相关因子， 从以 下4个方面开展尾矿库稳定性评价。 4.2.1防洪安全遥感调查 （1）采用1∶1万比例尺甚至更大比例尺的DEM 数据，计算尾矿库滩顶高程。 目前，雷达干涉测量及 Lidar技术均能够生成高精度的DEM数据，提取现 势性较强的高分辨率DEM数据； 此外，IRS-P5、 IKONOS、Quickbird等高空间分辨率卫星数据均能 够采集立体像对， 利用其生成DEM的垂直精度基 本能够满足较大规模尾矿库的测算需求。 （2）尾矿库干滩长度遥感测量。 （3）尾矿库沉积滩干滩的平均坡度遥感估算。需 要高分辨率的DEM方可满足估算需求。 4.2.2尾矿坝遥感调查 （1）尾矿坝的轮廓尺寸、变形、裂缝、滑坡和渗 漏、坝面保护等遥感监测。借助于高空间分辨率遥感 数据，可以实现对尾矿坝的轮廓尺寸、一定程度的裂 缝、滑坡、坝面保护情况等的遥感监测，利用雷达干 涉测量则可以实现对尾矿坝变形的监测。 坝体出现 裂缝时，应查明裂缝的长度、宽度、深度、走向、形态 和成因，判定危害程度；坝体出现滑坡时，应查明滑 坡的位置、范围、形态和动态趋势[25]。 （2）尾矿坝的外坡坡比监测。 利用高分辨率的 DEM数据生成坡度图，可以监测尾矿坝的外坡坡比。 4.2.3尾矿库库区遥感监测 1尾矿库库区周边山体稳定性遥感监测。 利用 空间分辨率大于2.5m的遥感数据监测周边山体滑 坡、崩塌（塌方）和泥石流等情况，分析周边山体发生 滑坡等地质灾害的可能性。 2矿区范围内危及尾矿库安全遥感监测。 主要 监测2个方面的内容第一，是否有设计排放之外的 其他选矿活动产生的废弃物排入。 每个尾矿库都有 自己的设计库容，过量的排放会产生隐患。 第二，矿 区周边是否存在非法或者不科学的矿业活动。 目前， 矿产资源开发状况遥感监测已经形成了 较为成熟的工作方法和技术流程。结合采矿权数据， 可以获取矿区上游及周边界外开采的状况， 查清是 否存在采砂等危害尾矿库安全的隐患情况， 并调查 是否违章进行尾矿回采， 通过模拟地表径流和流域 盆地图像， 并和开发状况监测数据叠加进行空间分 析，进而确定外来尾矿、废水和废弃物是否排入等。 4.2.4尾矿库库容遥感监测 当尾矿库库容接近或者超过设计库容时， 则有 溃坝的可能性。利用最新时相的立体像对遥感数据， 基于正射影像获取尾矿库的水位线、 水位线内的面 积、边界等参数；采用高分辨率的DEM统计出尾矿 库的最高水位线高程信息及最高水位线内的平均高 程信息，利用式（1）即可计算出尾矿库库容。 SDEMmax-DEMmeanAREAwater（1） 式中S是库容量，DEMmax是尾矿库最高水位线高 程，DEMmean是尾矿库最高水位线内的平均高程， AREAwater是尾矿库水位线内的面积。 如果能够获取尾矿库排泄量、 当地降雨量等先 验知识， 利用DEM模拟出流域盆地， 确定集水范 围，则可以模拟尾矿库短期内的库容量，为应对降雨 等突发状况下尾矿库的安全监管提供技术支撑。 4.3尾矿库环境影响评估 对尾矿库下游和周边的居民地、重要基础设施、 陈伟涛等矿山地质环境遥感监测方法初探 461 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2010年 水源地影响情况的评估是尾矿库监管的重要内容之 一。 利用遥感数据可以查清尾矿库下游和周边的居 民地、重要基础设施、水源地等的空间分布；结合高 分辨率的DEM数据可以估测尾矿库的库容量，结 合三维遥感影像可以对尾矿库的环境影响状况进行 初步评估。 5结语 中国矿山地质环境问题较为严重，矿山地质环 境保护规定和全国矿产资源规划（20082015年） 要求矿山地质环境监管更加规范化、 制度化、 时效 性，遥感将为此提供最为有效的技术手段。 在前期矿产资源开发多目标遥感调查与监测 项目工作的基础上， 笔者提出了重要矿集区矿山地 质环境监测、矿区滑坡监测、矿区土地复垦目标可行 性研究和尾矿库监测与安全性评估4个目标的遥感 工作方法。矿山地质环境问题较为复杂，上述4个目 标的可监测程度与影像的分辨率、周围地物属性、解 译者的专业知识等密切相关， 可监测频率则与影像 获取能力有关。 随着小卫星星座和航空无人机遥感 技术的逐步完善， 光学和雷达遥感协同发展的格局 已经初步形成， 矿山地质环境遥感监测对象和精度 将会得到逐步提升。 面对众多的遥感数据时， 需要针对不同矿山地 质环境问题的监测需求，科学地选取数据源，力争做 到“成本效益比”最大化。 构建高效、通用、可靠的监 测体系， 建立矿山地质环境监测及综合评价应用示 范与相关的标准规范，全面推进以遥感、地理信息系 统为核心的空间信息技术在矿山地质环境遥感监测 中的综合应用，直接服务于矿区可持续发展，具有重 要的现实意义。 参考文献 [1]国土资源部地质环境司．地质环境管理手册[S]．北京中国大地出 版社，2002. 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