“空——天—地”一体化的矿山地质环境动态监测研究

吴勋元田景华 （贵州省地质矿产勘查开发局一〇一地质大队，贵州凯里556000） ［摘要］为实现矿产资源开发利用与矿山地质环境保护修复协调统一的新格局，本文利用当前的监测技术和手段，构建了全覆盖、全时段、全要素的矿山地质环境保护、治理和恢复“空—天—地”一体化的监测体系，探讨了“空—天—地”一体化矿山地质环境动态监测工作流程，阐述了监测体系中的卫星遥感监测技术、全景影像监测技术以及巡查填报监测技术三大关键技术，搭建了矿山地质环境监测系统，实现了违法图斑展示、采集、查询、统计和分析，地质环境治理恢复监管等功能，有效提高了矿山地质环境治理恢复能力。 ［关键词］矿山地质环境；“空—天—地”一体化；动态监测；治理恢复；违法图斑 随着我国进入新时代的发展，“生态发展”逐步成DOI:10.16631/j.cnki.cn15-1331/p.2023.06.031 为我国经济社会发展中的基础，绿色渐渐成为新的发展底色[1]。贵州省作为我国矿产资源大省，矿产资源丰富，矿山的开采项目极多，给政府带来经济效益的同时，也对矿山的地质环境造成了巨大的破坏。矿山开采存在如下问题，一是矿山开采后的废弃地未得到及时的治理和复垦，导致地面沉降和土壤侵蚀；二是开采活动中的大量废水、废渣未经处理直接排放，污染了周围的水资源；三是大量矿山开采导致的森林破坏，破坏了生态平衡，对周边的生态环境造成不可逆的影响。因此，为实现矿产资源开发利用与矿山地质环境保护修复协调统一的新格局，需构建一个全覆盖、全时段、全要素的矿山地质环境保护、治理和恢复“空—天—地”一体化的监测体系[2]。本文根据《自然资源部办公厅关于开展长江经济带废弃露天矿山生态修复工作的通知》（自然资办发〔2019〕33号）《关于加强有责任主体矿山地质环境治理恢复的通知》等文件，充分利用卫星遥感、无人机航飞、视频监控等当前先进监测手段，采用“实时监测、动态分析、主动填报”的监测机制，对贵州省的矿山地质环境保护、治理和恢复进行常态化、精准化、智慧化监测，解决传统矿山地质环境监测难、效率低以及周期长等问题[3]；采用“长、中、短”的监测周期，对全省矿山企业的矿山地质环境进行全域覆盖、部分覆盖以及重点覆盖的动态监测。在此基础上，设计并开发了矿山地质环境监测平台，一方面实现对矿山地质环境违法图斑的采集、处理、核实、展示、查询、统计和分析；另一方面实现矿产地质环境治理恢复过程的全周期监管，极大提高了地质环境监测水平，全面掌控矿山企业履行矿山地质环境治理恢复的变化情况。 1.总体设计 1.1设计思路 矿山地质环境动态监测研究的设计思路有如下几方面内容： （1）根据矿山地质环境保护、治理和恢复的文件要求，利用先进的监测手段和技术，构建“空—天—地”一体化的常态化、动态化的监测体系。首先在全省大范围内对矿山区域采用每3个月一次的卫星遥感影像进行监测，快速获取矿山地质环境违法图斑；其次在小范围内对矿山地质环境违法图斑的治理恢复过程采用无人机不定期地采集全景影像进行监测；最后对无法识别的、无法核实的矿山地质环境疑似违法图斑，需人工现场利用移动端App进行巡查并填报，形成相应的监测数据。 （2）构建矿山地质环境监测数据库，包括地理信息数据、矿山资源专题数据、矿山地质环境违法图斑数据、矿山地质环境监测数据以及运维数据等，为平台的建设提供翔实、准确的数据支撑。 （3）对“空—天—地”一体化的矿山地质环境动态监测流程进行设计，并利用Web GIS软件系统进行平台开发，构建矿山地质环境监测平台，实现矿山地质环境违法图斑的采集、处理、治理到恢复的全周期管理，并为矿山地质环境治理恢复的监管和评估工作提供科学依据和技术支撑。 1.2“空—天—地”一体化矿山地质环境动态监测工作流程设计 根据矿山地质环境保护、治理和恢复动态监测工作要求，采用先进监测技术，对传统矿产地质环境监测方式进行优化并对工作流程重新设计。“空—天—地”一体化矿山地质环境治理恢复动态监测工作流程设计如图1所示。 设施层为平台运行提供基础设施支撑，包括计算资源、存储资源、网络资源等。数据层为平台运行提供数据支撑，通过数据收集、处理、调用等多种方式，构建矿山地质环境监测数据库，包括地理信息数据库、矿山资源专题数据库、矿山地质环境监测数据库以及违法图斑数据库等。服务层为平台应用提供通用服务和专题服务，包括资源目录服务、地图服务、图斑提取服务、图斑监测服务等[5]。应用层为用户层提供操作窗口，包括违法图斑展示、采集、查询、统计和分析，地质环境治理恢复监管等功能模块。用户层是平 台 应 用 人 员，包 括 管 理 人 员、监 测 人 员、巡 查 人员等。 （1）准备阶段。矿产地质环境动态监测工作开展之前，须制定监测方案和数据的收集整理方案。制定监测方案主要包括监测计划、标准、技术路线的确定。数据收集整理方案是对卫星遥感影像、无人机航飞数据、视频监控数据、基础地理信息数据和矿山地质环境数据等。 （2）数据处理阶段。第一，数据预处理，主要包括影像数据预处理、地理信息数据预处理、矿山地质环境数据预处理等。其次，根据解译资料的采集、先验知识的积累，以矿山地质环境要素的时间、空间、光谱特征为基础，采用人工交互目视解译、计算机自动发现等的方法，发现对地质环境变化区域，并对这些变化区域进行甄别和伪变化清除[4]。第三，将据矿山规划信息、矿山审批信息与变化区域进行套合比较，判断其是否为违法，如果是，则将该区域绘制成违法图斑。最后，通过外业核实、内业质量控制的方式，确定为矿山地质环境违法图斑。 （3）平台建设阶段。对地理信息、矿山资源、矿山地质环境、违法图斑等数据进行入库，通过平台一方面实现违法图斑数据的展示、查询、统计、分析；另一方面对违法图斑治理恢复过程进行全天候、全要素的动态监管。 2.关键技术 2.1卫星遥感影像监测技术 对矿山地质环境大范围、定期监测采用卫星遥感影像监测技术，是利用多源多时相的高分一号、高分二号、Geoeye等卫星遥感影像，通过影像数据的前后时相对比，采集矿山地质环境发生变化的图斑，并对图斑进行分析和解译[6]，一方面用来发现新的矿山地质环境违法图斑数据，如到期采矿权违规开采违法图斑、关闭矿山非法开采违法图斑等，另一方面提取违法图斑治理恢复区域地表变化，通过治理前后对比，对矿山地质环境治理恢复情况进行核实。卫星遥感影像监测技术具有监测范围广、周期长、成果直观等优点，具体技术流程设计如图3所示。 1.3框架设计 矿山地质环境监测平台基于SOA（面向服务）架构，采用分层式架构进行设计，整个平台架构包括设施层、数据层、服务层、应用层和用户层。平台架构设计如图2所示。 工目视的方法对变化区域进行判读、提取和验证，对无法识别的变化区域采用人工巡查进行判读，当判定为违法区域，则对违法区域四至进行绘制，形成为违法图斑[9]。 2.2全景影像监测技术 对矿山地质环境小范围、不定期监测采用全景影像监测技术，是一种全新的实景信息记录手段技术，是利用无人机挂载云台相机镜头，在50～200m低开悬停，对矿山小范围重点区域进行全景照片的采集，能够快速获取影像数据，实现对该区域的矿山地质环境治理恢复情况进行精准、动态监测，具有监测周期短、获取速度快、成本低等优点[7]，具体技术流程设计如图4所示。 3.2违法图斑展示 矿山地质环境违法图斑展示是基于电子地图、影像图以及矿山地质环境专题图等，叠加违法图斑数据，实现违法图斑时间轴展示和图文展示。时间轴展示是利用多年的影像数据，按照月份制作成时间轴，以动画的形式直观展现违法图斑的矿山地质环境的变化过程；图文展示是在地图上点选违法图斑数据，便可以显示该图斑的属性信息、实地照片信息以及处置的文档资料等。在此基础上，还提供展示的辅助工具，如卷帘工具、量算工具、标注工具等。 3.3违法图斑查询、统计分析 矿山地质环境违法图斑查询、统计分析是对矿山地质环境违法图斑的空间分布进行查询和统计分析，从而发现规律和得出结论，为矿产地质环境保护、治理和恢复工作提供决策。 空间查询提供行政区划查询、勾画兴趣区域查询以及空间和属性组合查询等多种方式，能够根据用户查询的需求，将查询结果以列表的形式进行展示，点击列表查询结果，能够在地图上进行定位且高亮显示。空间统计分析以是GIS空间分析为基础，实现对违法图斑的位置、类型、破坏面积、涉事单位等信息进行统计分析，统计分析结果以各种图表的方式进行展示，还可以根据需要，输出统计报表[10]。 2.3巡查填报监测技术 对矿山地质环境无法识别、无法核实的变化图斑采用巡查填报监测技术，是利用移动互联技术，通过搭建苹果端和安卓端移动巡查App，到达矿山现场，对变化图斑空间位置进行现场核实、现场填报巡查记录表、上传现场照片和视频等多媒体数据等，在此基础上，还可以自动入库和动态分析[8]。巡查填报监测技术具有实时监测、快速响应、成果丰富等优点，具体技术流程设计如图5所示。 3.4地质环境治理恢复监管 地质环境恢复治理监管实现了矿山地质环境违法图斑从发现、核实、治理到恢复全过程的持续跟踪和监督管理。平台在地图上通过不同颜色来标记违法图斑治理恢复的阶段，如，黄色代表违法图斑发现；红色代表违法图斑核实；蓝色代表违法图斑治理中；绿色代表违法图斑恢复完毕。同时，处置到每个阶段，都需填写相应的属性信息和上传相应的附件信息，如，当违法图斑的地质环境恢复完毕后，须填写生态修复结案表以及上传恢复完毕的影像资料等，确保地质环境治理恢复真实有效。 4.结论 3.系统实现 本文根据矿山地质环境保护、治理和恢复的文件要求，开展了基于“空—天—地”一体化的矿山地质环境动态监测研究，取得了如下成果：一是利用先进 3.1违法图斑采集 矿山地质环境违法图斑采集是利用卫星遥感影像监测技术定期获取影像数据，并通过多时相影像比对获取矿山地质环境变化区域，通过计算机自动或人 （下转038页） 细，是寻找中低温热液型银多金属矿床的间接标志。 ［3］佘宏全，李红红，李进文，等.内蒙古大兴安岭中北段铜铅锌金银多金属矿床成矿规律与找矿方向［J］．地质学报，2009，83（10）：1456-1472.［3］毛景文，周振华，武广，等．内蒙古及邻区矿床成矿规律与成矿系列［J］．矿床地质，2013，32（4）：715～729．［4］毛景文，华仁民.浅议大规模成矿作用与大型矿集区［J］.矿床地质.1999.18（4）：291～299.［5］刘俊杰，赵九峰，秦增刚，等.内蒙古化德县长春沟-达盖滩铅锌矿地质特征及找矿远景分析［J］.有色金属（矿山部分），2018，70（5）：60-65.［6］李志重.内蒙古克什克腾旗孟营子银多金属矿地质特征及控矿因素分析［J］.矿产与地质，2014，28（5）：578-582.［7］赵金才，闫志强，迟永坤，等.内蒙古克什克腾旗双山子银铅 锌 矿 地 质 特 征 及 成 因［J］.地 质 与 资 源.2010.19（2）：134～137.［8］冀春雨，张朋，曲志广，等.内蒙古克什克腾旗十地东沟铅锌矿床地质特征［J］.新疆有色金属.2018.1：85～89.［9］黄红星.内蒙古自治区克什克腾旗矿床地质特征及成矿远景分析［J］.科技经济导刊.2016.17：111～112.［10］江思宏，聂凤军，白大名，等．内蒙古白音诺尔银铅锌矿床印支期成矿的年代学证据［J］．矿床地质，2011．30（5）：787～798．［11］张连昌，陈广志，吴华英.内蒙古西拉木伦铜-钼成矿带花岗 岩 特 征 与 成 矿 专 属 性［J］.矿 物 岩 石 地 球 化 学 通报.2008.27（zl）：242～243.［12］郭利军，谢玉玲，候增谦，等．内蒙古拜仁达坝银多金属矿 床 的 地 质 及 成 矿 流 体 特 征［J］．岩 石 矿 物 学 杂 志，2009．28（1）：26～36． 5.4围岩蚀变标志 硅化、绿泥石化、褐铁矿化、碳酸盐化是区内重要找矿标志。 6.结论 矿区内Ⅲ号矿化带与Ⅴ号矿化带距离相近，由于目前控