遙感影像動態監測在譚家山煤礦區生態修復中的應用

楊建成，周麗蕓，彭祖武，李雪宇，曹創華，李紅慶

摘要：利用2014～2022年獲取的12期國產高分辨率遙感衛星影像和礦區修復前后3期無人機影像，對其進行配準、融合、鑲嵌等一系列處理后，采用目視解譯方法提取研究區域圖斑變化信息，用以監測評價譚家山煤礦區經水資源破壞治理、地形地貌景觀治理、土地綜合整治等工程修復前后的生態環境變化情況和治理效果。所提取信息能很好地反映煤礦區自2020年工程修復開始至2022年結束的全過程生態環境變化情況，并清晰顯示修復后的譚家山煤礦區基本實現水系聯通與恢復、裸露山體復綠、土地資源恢復提質，修復區人居生態環境得到顯著改善。提出采用多源、長時序遙感影像分析礦區變化情況，結果客觀、準確，可為礦區生態保護修復工程的監測監管提供參考和途徑。

關鍵字：生態修復；目視解譯；國產衛星；監測評價；多源數據

中圖分類號：P237? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1672-5603（2023）03-93-07

Application of Remote Sensing Image Dynamic Monitoring in Ecological Restoration of Tanjiashan Coal Mine Area

Yang Jiancheng， Zhou Liyun ，Peng Zuwu ，Li Xueyu ， Cao Chuanghua， Li Hongqing

（Hunan Institute of? Geological Survey ， Changsha Hunan 410116）

Abstract： Using 12 domestic high-resolution remote sensing Satellite imagery acquired from 2014 to 2022 and 3 UAV images before and after the mine area restoration， after a series of processing such as registration， fusion， mosaic， etc.， the information of map spot changes in the study area is extracted by visual interpretation method to monitor and evaluate the water resources destruction and management， landform and landscape management The ecological environment changes and governance effects before and after the restoration of land comprehensive improvement projects. The extracted information can well reflect the ecological and environmental changes throughout the entire process of the coal mining area from the restoration project in 2020 to the end of 2022， and clearly show that the restored Tanjiashan coal mining area has basically achieved water system connectivity and restoration， exposed mountain greening， and land resource restoration and improvement， and the ecological environment of the restored area has been significantly improved. It is proposed to use multi-source and long-term remote sensing images to analyze the changes in mining areas， and the results are objective and accurate， which can provide reference and approach for the monitoring and supervision of ecological protection and restoration projects in mining areas.

Keywords： ecological restoration; visual interpretation; domestic satellites; monitoring and evaluation; multiple source data

0 引言

礦山開采引發的礦山地質環境問題已成為影響礦山正常生產和人居生態環境安全的重要因素[1]，因此礦山生態環境保護修復刻不容緩。2018年10月，湖南省申報的《湖南省湘江流域和洞庭湖山水林田湖草生態保護修復工程試點方案（2018-2020年）》成功入圍國家第三批山水林田湖草生態保護修復工程試點[2]。湘潭市譚家山煤礦區屬于試點方案中五大礦集區修復治理對象之一。目前，譚家山煤礦區山水林田湖草生態保護修復工程試點已基本完成，尚未開展修復前后生態環境變化的系統性監測分析。

遙感技術作為成本低、時效性強、覆蓋范圍廣的一種監測手段，可方便監測分析礦山環境動態變化情況[3，4]。近些年來，中國遙感衛星發展迅猛，衛星遙感進入高分時代[5]。高空間分辨率遙感數據可以迅速查明監測區礦山地質環境現狀且成果客觀、準確[6]，許多學者多以此進行礦區生態環境問題分析評價。高分一號作為性能卓越的國產衛星，能有效識別露天礦山開發和環境等要素信息[7]，高光譜圖譜合一的特征可用于定量分析礦山污染物的分布范圍及變化趨勢[8]，多期遙感影像產品可開展礦產資源開采強度變化情況分析[9]及礦山地質環境遙感評價并可為生態修復對策提供依據[10]。

以上研究多是借助遙感技術進行礦山問題現狀的分析研究，對礦山生態修復工程的動態監測研究相對較少。本文采用2014～2022年國產衛星影像和無人機影像為數據源，進行譚家山煤礦區生態修復的變化監測，分析修復前礦山存在的問題，研究修復工程進程、內容及效果，以期為礦區生態保護修復工程監測監管提供參考。

1 礦區概況

譚家山煤礦區位于湘潭市東南約38 km處，中心地帶北距湘江約20 km，東臨G4京港澳高速，西側毗鄰G107國道，南抵X005縣道，東西長約7.75 km、南北寬約5.5 km，面積約17.68 km2。礦區山脈大致沿北東、西南向延伸，屬中低丘地貌，地層巖性以三疊系硅質巖、砂巖、煤層和碳酸鹽巖為主。其采掘歷史悠久，最早可追溯到明嘉靖年間，最多時有大小煤礦52家，大小礦井近百個，歷史高峰期年開采量達224萬噸，累計開采量達5 443萬噸。隨著國家煤礦產業政策的調整和資源的日漸缺乏，以及煤礦開采成本逐步增加，歷史遺留問題日益嚴重，導致礦地矛盾異常突出，最終礦區煤礦全部關停、責任主體滅失。

長期粗放開采給礦區帶來了一系列生態環境地質問題，導致區內地質災害隱患頻現、水資源環境破壞明顯、林地損毀隨處可見、農田大面積無法耕種。針對生態環境問題現狀、結合地方規劃及當地自然稟賦，對于河道溪溝水系聯通、露采坑高陡邊坡處置、滲漏山塘與濕地修復、塌陷坑治理、廢棄工業廣場整治、受損耕地修復等項目重點與難點，分別采用了不同的治理模式予以解決，成功探索出了一條地方傳統礦山環境治理模式向礦區山水林田湖草綜合治理模式轉型的路徑。工程修復面積達5 km2，極大改善了當地生產、生活、生態空間，有效化解了礦區水系連通、國土空間優化難題，為礦區產業植入、轉型奠定了堅實基礎。

2 遙感解譯

2.1 遙感影像數據源

為分析譚家山煤礦區在生態修復前后的變化情況和治理效果，本文選取2014～2022年國產遙感衛星影像和無人機影像作為研究的數據來源，如表1所示。其中，衛星遙感數據共12期，包括2期高分一號衛星影像數據，6期高分二號衛星影像數據，1期高分七號數據，2期高景一號數據，1期吉林一號數據。3期無人機數據分別拍攝于生態修復前、生態修復中和生態修復之后。衛星遙感影像經過配準、融合、鑲嵌、裁剪等一系列處理，最終與無人機數據統一到CGCS 2000坐標系統。

2.2 遙感解譯

礦山的開采伴隨一系列地質環境問題，如土地資源占用、地面變形、水資源污染與破壞、礦山土石資源污染等[11]，因此礦區生態保護修復工程涉及區內水環境治理與生態修復、農業與農村生態環境治理、礦區生態環境保護修復和生物多樣性保護修復等多個領域[2]，結合譚家山煤礦區的生態環境問題現狀，本文從水資源破壞治理、地形地貌景觀治理和土地綜合整治三個方面，對比分析15期影像數據，采用目視解譯的方式進行遙感解譯，具體解譯要素如表2所示。

本文共解譯54個圖斑，其中滲漏山塘19處，面積約18.62 hm2；溝渠5處，面積約14.42 hm2；廢（矸）石堆12處，面積約11.42 hm2；露天采礦場4處，面積約4.42 hm2；受損耕地8處，面積約29.65 hm2；礦山建筑2處，面積約3.56 hm2；廢棄工業廣場4處，面積約12.98 hm2，解譯圖斑如圖1所示。

3 變化監測分析

3.1 水資源破壞治理工程監測分析

由于礦區開采年代久遠，長期大量抽排地下水，導致區內水資源破壞嚴重，出現井泉干枯、水塘漏失、渠道開裂、河堤變形、農田砂化等嚴重現象，進而嚴重影響了礦區的生態環境，以河、渠、山塘、水庫為棲息地的動植物種群及數量發生退化。

3.1.1 滲漏山塘修整

河湖庫塘提供了地表水的載體，礦山開采過程中產生的各類礦山問題直接或間接地影響和改造水環境系統[12]。通過前期調查及多期影像對比，礦區大部分山塘存在滲漏現象。圖2所示山塘于2017年前水面較為豐盈，深黑色調幾乎填充整個山塘。隨著時間的推移，水面越來越窄，局部被綠色填充，至2019年情況尤甚，較之往年面積大幅減少，水面集中匯集于地勢低洼之處，水位下降明顯，而綠色植物呈擴張趨勢，占據大部分甚至整個山塘?？v觀整個煤礦區，多個坑塘可見明顯干涸跡象，山塘逐漸喪失了蓄水調節功能，導致居民生產生活用水困難。2020年起，開始對滲漏山塘進行修整，圖中圍繞山塘呈白色封閉狀地物為正在施工的堤岸，即采用“垂直防滲+側向截滲”的方式防止山塘滲漏。至2021年，山塘已完成修復，水體充沛，波光粼粼，修整效果顯著。

3.1.2 溝渠整治

溝渠呈線狀分布，位于地勢平坦地區，兩側多為水田，為重要的農業灌溉水源。礦區東側溝渠呈南北走向，貫穿整個礦區，整個溝渠處于連通狀態，未見堵塞或斷流，然溝渠水面時寬時窄，最窄處僅1 m左右，岸堤兩側植被發育，水面大部分被樹葉掩蓋。礦區南側溝渠主要由人工開挖形成，水面多覆綠色植物，阻塞了水體流動，水量較小，且局部水質較為渾濁，嚴重影響兩側農田的灌溉。由圖3可見礦區自2020年起開始溝渠整治，圖斑色調、形狀發生明顯變化。堤岸兩側呈白色、土黃色調，平順連接，與河勢流向相適應，河道水面開闊，水中綠色植被已基本清除；溝渠兩側道路旁間隔分布的顆粒狀物體為人工種植的喬木。綜上所述，礦區溝渠整治主要從疏浚、護砌和綠化三個方面進行。2021年底基本完成溝渠整治，礦區水環境水生態得到明顯優化。

3.2 地形地貌景觀破壞治理工程監測分析

多年開采嚴重破壞了礦區的土地資源與景觀資源。煤矸石經長期堆放壓實，不僅使土質變差，局部呈現土壤荒漠化，甚至短時期內難以恢復利用，導致長期壓占土地資源、甚至污染堆積場地及周邊土壤，破壞土石環境。

3.2.1 廢（矸）石堆修復

礦區煤矸石堆露天無序堆放，矸石易發生揚塵，污染的淋濾水四處橫流，嚴重污染礦區的大氣環境和水環境，限制了植物的成活和生長。煤矸石堆在影像上具有明顯的特征，色調以灰黑色、土黃色為主，紋理結構粗糙。由于廢棄煤矸石的隨意堆放，在影像上表現為近似圓錐的正地形，且多分布于采場附近。礦區共解譯廢（矸）石堆共12處，呈星狀散布全區。最小規模為0.12 hm2，最大為3.08 hm2，占用耕地和林地資源。由圖4可知，廢（矸）石堆修復始于2020年，根據所處地形地貌及坡度大小采取了不同的修復方式。地勢平坦區的廢（矸）石堆采取覆土結合造林的方式，而地勢起伏較大區，則根據地形將場地修整為坡臺，并在其上覆土平整。平整后的圖斑紋理光滑，形狀規則，邊界輪廓明顯，人工措施明顯[13]。場地四周及中間修有截排水溝，中間截排水溝呈南北向，一側修建了3 m寬的道路，并于兩側間隔種植喬木，場地之中播撒草籽。2022年，場地已覆蓋少量綠色植物，林地資源正逐步恢復。

3.2.2 露天采礦場修復

露天采礦場多在斜坡上挖掘，地表植被被剝離，在影像上呈土黃色調，圖斑切割破壞痕跡明顯，邊界清晰且易于識別[14]。礦區露天采礦場裸露面積大，巖體較破碎，坡臺縱橫，坡面不規則，造成了自然景觀的嚴重破壞。礦區共解譯露天采礦場4處，規模最小的為0.16 hm2，最大1.86 hm2，主要破壞林地資源，其中1處最晚開挖可追溯到2017年，其它3處則早于2014年前。圖5所示露天采礦場于2014年前便已挖掘，隨后不斷向外擴張，山體破壞程度日趨嚴重，2019年停止開采。此時，山體景觀已遭到嚴重破壞。鑒于此，2020年開始露天采礦場生態修復，其工程包括土方工程和復綠工程。土方工程充分利用現有的地形、地貌，削坡固土、挖高填低，完成之后坡體紋理光滑細膩，為階梯狀弧形紋理，場地內無廢石（土）堆積；復綠工程則在此基礎上播撒草籽、種植綠色植物，以人工復綠為主。至2022年，開采面大部分地區已恢復生機。

3.3 土地綜合整治工程監測分析

土地綜合整治工程分受損耕地修復和廢棄工業廣場整治兩部分。

3.3.1 受損耕地修復

耕地在影像上易于識別，其紋理結構平滑、形狀規整、連片分布，且多靠近村莊。礦區地勢平坦、水利灌溉便利、交通便捷，有利于農作物的耕種、收割和運輸，然受長期地下開采導致的地面變形、山塘滲漏，以及廢棄煤矸石隨意堆放占用耕地資源的影響，原以水稻作物種植為主的耕地調整為苗木、桑樹等經濟類作物，部分耕地甚至無法耕種以致灌草叢生。

“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”是我國一項基本國策，開展礦區受損耕地修復十分重要。結合礦區地形地貌、現有基礎設施條件，修復工程涉及土地平整、開挖溝渠和修建田間小路。圖6所示圖斑原為耕地，靠近山塘，交通便利，為一片優質良田。數年之后，該片農田已雜草叢生，無法耕種，造成耕地資源的浪費。煤礦區從2020年開始進行受損耕地修復工程，首先清除田中灌草，圖斑色調由綠色變為灰白色。其次，修建田間道路，寬約2.5 m，呈直線貫穿整個圖斑，用田埂將圖斑劃分為多個規則的塊狀。圖斑東北側和西北側各有一條溝渠，但早已干涸喪失灌溉功能。2022年，完成兩溝渠的改道、疏通和硬化，滿足了圖斑及附近農田的灌溉需求。最終形成田成方、路成框、渠成網、林成行的生態格局。礦區恢復耕地種植面積約400畝。

3.3.2 廢棄工業廣場修復

（1）礦山建筑整治。礦山建筑主要為基礎設施建設的場地和生活辦公用地，在遙感影像上特征明顯[15]，色調多為灰黑色，形狀規整，集中分布，距離工業廣場較近。

礦區共解譯2處礦山建筑，規模分別為1.34 hm2和2.22 hm2。對比分析多期影像可知礦山建筑整治包括建筑物拆除、場地平整和人工復綠。圖7所示礦山建筑于2020年開始修復，8月份完成建筑物拆除，圖斑色調以土黃色為主，場內廢土堆散亂隨意堆積；3個月后完成場地平整，紋理結構亦由粗糙變得光滑。2021年6月圖斑廣布綠色顆粒狀地物，播撒的草籽和種植的喬木大部分成活，礦區生態環境得到有效改善。

（2）綜合整治。工業廣場是為分選、運送、裝儲和外運各種礦石提供的場地，場內除作業設備外，還有少量建筑物、煤矸石堆分布，其色調雜亂，影紋結構粗糙，形狀不規則，與背景地物有明顯的差異，且規模較大，在影像上容易識別。礦區共解譯出4處工業廣場，最小面積為0.46 hm2，最大為5.76 hm2，零星分布。分析多期影像可知，2017年前大部分工業廣場仍在作業，后逐漸廢棄，場內遺留大量作業設備和煤矸石堆，造成土地資源的浪費和污染。自2020年開始廢棄工業廣場的修復，其過程分為建（構）筑物拆除、場地平整和人工復綠三步。由圖8可見，8月完成了場地內所有建（構）筑物的拆除、礦渣的清除，11月完成場地的平整和覆土，修整已有道路。2021年6月，圖斑色調已由原來的灰黑色變成綠色，場地內逐漸恢復生機，生態環境得以改善和美化。

4 結論

（1）利用2014～2022年12期國產高分辨率衛星影像和3期無人機影像，采用目視解譯的方法進行譚家山煤礦區生態修復圖斑的提取。礦區共提取圖斑54處，其中滲漏山塘19處，溝渠5處，廢（矸）石堆12處，露天采礦場4處，受損耕地8處礦山建筑2處，廢棄工業廣場4處，修復面積約95 hm2。

（2）分析多期影像可知，譚家山礦區修復始于2020年，修復內容包括水資源破壞治理、地形地貌景觀破壞治理和土地綜合整治等，修復工程涉及疏浚、護砌、平整覆土、拆除建筑物、人工復綠等，兩年之后基本實現水系聯通與恢復、裸露山體復綠、土地資源恢復提質，有效地改善了當地人居生態環境。

（3）采用多源、長時序遙感影像分析礦區生態修復治理前后的變化情況，成果客觀、準確，可為礦區生態保護修復工程的監測監管提供參考。

致謝：本研究所用衛星影像原始數據來源于湖南省第二測繪院衛星云遙平臺，在此表示感謝。

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