遙感技術在礦區生態環境中的應用與發展

楊 敏,蔡宗明,聶興信,張 鑫

(西安建筑科技大學 資源工程學院,陜西 西安 710055)

0 引言

煤炭、鐵礦、稀土礦等礦產資源的持續大規模開發為中國經濟社會的高速發展提供重要的能源與物質條件,然而持續劇烈的礦產資源開采活動在礦區一定范圍內引發了地表沉降、土地破壞、植被退化、土壤質量下降、水質污染、大氣污染等一系列的生態環境問題[1-2],引起社會各界的廣泛重視。在此背景下,未來的礦業開發活動越來越需要兼顧資源開采與生態環境保護治理,而對礦區生態環境的科學監測是保護與治理的前提條件[3]。

礦山生態環境監測可以分為3個層次,即傳統監測、遙感監測和綜合監測。傳統監測主要使用人工采樣、分析和統計等方法,雖然方法簡單,但容易受到人為因素干擾,在數據處理和分析過程中也容易出現誤差。遙感監測是利用遙感技術對礦山生態環境進行高效、精確的監測。綜合監測是將傳統監測和遙感監測相結合,形成全面的環境監測方案。

在現有的礦山生態環境監測手段中,遙感技術的應用越來越普遍。礦山狀況、土地利用、農田覆蓋度、植被生長、水土流失等環境信息都可以通過遙感影像獲取。同時,根據影像反演模型對影像數據進行處理,可以得到更為精確的環境參數信息,如土地利用類型、土壤水分、降雨量、溫度等。利用遙感技術進行礦山生態環境監測,可以快速、非侵入性地獲取反映礦山生態環境的多維信息,從而為礦山生態環境的管理和保護提供有效的依據。遙感技術在生態環境監測方面具有時效性好、監測范圍廣、數據獲取速度快等優勢[4],因此通過遙感監測技術手段獲得礦區各類參數的時空分布特征,已經成為礦區研究的重要技術手段。結合多時相遙感影像數據,還可以對該區域內未來的環境發展趨勢進行預測,同時還可以為當地政府部門對礦區的管理、規劃和決策提供相關數據和技術支持,這些對社會的政治、經濟發展和自然環境的演變都有重要意義[5]。

1 遙感技術的原理以及發展現狀

1.1 原理

遙感是一種通過遙距方式獲取地球表面信息的技術。它利用各種傳感器(如衛星、飛機上的相機等)捕獲可見光、紅外線、雷達等電磁波譜段的信息[6],并將這些數據轉換為數字圖像、地圖等形式,以便進行分析和解釋。具有探測范圍廣采集數據快、能動態反映地面事物的變化、獲取的數據具有綜合性等特點,如圖1所示。

圖1 遙感原理示意Fig.1 Diagram of remote sensing principle

1.2 發展現狀

遙感技術是從20世紀60年代開始發展的,經過幾十年的發展,已經成為現代地球觀測和信息獲取的重要手段,其發展可以分為以下幾個階段。

起始階段(1960—1970年):遙感技術剛剛起步,主要應用于軍事領域,主要以黑白攝影為主。遙感技術自20世紀70年代應用以來持續積累了數十年的全球地表觀測數據,時間分辨率和空間分辨率不斷提升,成為礦區生態環境監測的重要手段。1972年美國發射了第一顆具有業務性質的“地球資源技術衛星”(后更名為“陸地衛星”),開啟了常態化遙感對地觀測的先河[7]。隨后許多國家開始效仿和跟進。遙感,特別是衛星遙感,形成了百花齊放的繁榮局面[8]。

數字化階段(1980—1990年):遙感技術開始數字化,遙感數據也開始數字化存儲和處理。衛星遙感技術得到了快速發展,多普勒雷達遙感技術、激光雷達遙感技術等新技術也開始應用[9]。中國政府也特別重視遙感科技的發展,尤其是20世紀80年代以后,中國航天遙感事業取得長足進步,風云氣象衛星(1988年以來)、資源系列衛星(1999年以來)、環境減災系列衛星(2008年以來)、高分系列衛星(2013年以來)、碳衛星(2016年)等重要遙感衛星的成功發射,使中國也躋身于世界遙感科技的前列。為礦區生態環境定量遙感監測帶來新的機遇[10]。從數據角度來說,新的衛星和傳感器不斷發射,持續提供新的遙感數據源。形成空間全覆蓋、全天候、全天時的高分辨率對地觀測系統[11]。吉林一號系列、高景系列、珠海一號、五米光學星等衛星數據不斷進行助力。

綜合化階段(2000—2010年):遙感技術開始與地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、無人機等技術相結合,形成了遙感與地理信息集成系統[12]。這個階段也是遙感數據應用廣泛的時期。

大數據階段(2010年代至今):隨著遙感技術的不斷發展,遙感數據的數量也急劇增加。這個階段,遙感技術開始與人工智能、云計算等技術結合,形成了遙感大數據分析和應用平臺。從算法角度來說,新傳感器、新數據正在引發新一輪的模型和算法革新,而深度學習的迅速崛起更為遙感影像的解譯與反演開辟了新的思路,多傳感器組合和模型算法的不斷完善使得定量遙感的應用能力得到了進一步提升。在這些遙感新數據、新技術、新平臺的支持下,國內外礦區生態環境定量遙感監測得到了進一步的發展,涌現出了一系列的優秀成果。

2 遙感技術在礦山生態環境監測中的應用

遙感技術在礦山生態環境監測中具有廣泛的應用。通過遙感圖像的解譯和分析,可以提取礦山生態環境監測中所需要的多種信息,例如礦山的植被覆蓋、水文地形、土地破壞情況等。這些信息可以幫助環境保護部門和礦山企業監測礦區生態環境的變化,對礦區周邊環境的影響進行評估。

以中國知網為數據源,對2000—2023年期間發表的相關文獻數量進行變化分析,如圖2所示,顯示遙感在生態環境中的應用越來越廣泛。

圖2 遙感在生態環境中的應用Fig.2 Application of remote sensing in ecological environment

2.1 礦山開發與土地利用

礦山的開發必然要伴隨土地利用方式的改變,因此,如何對礦山開發過程中的土地利用進行準確監測,成為了研究的重點。利用遙感技術可以有效地獲取到土地利用類型、土地覆蓋度、森林覆蓋度和土地景觀類型等信息[13]。同時利用高分辨率遙感影像數據進行土地利用類型分類和變化檢測,能夠準確反映礦山開發對土地的影響,從而更好地指導礦山開發管理。

2.2 礦山植被覆蓋監測

礦山環境中植被的覆蓋情況是反映礦山生態環境的重要指標之一,對于植被覆蓋信息的獲取和監測,遙感技術無疑是最為有效和便捷的手段。通過遙感影像數據的分類和分析,可以獲取到植被覆蓋度、植被生長情況、植被造林面積等信息[14],并能夠對礦山生態恢復過程中的植被覆蓋變化進行跟蹤和評估。此外,通過植被指數反演模型,還可以獲取到更多與植被生長密切相關的參數,如植被葉面積指數、光合有效輻射等,進而推斷出植被的生長和生態環境的變化情況。

2.3 礦山地質水文環境監測

礦山地質水文環境監測是對地下水、地表水、土壤水分等方面進行監測。利用遙感技術,可以獲取礦山區域的水體信息、地表覆蓋類型、土壤水分含量等參數[15]。此外,也可以通過遙感技術反演模型推算礦山內部水文系統變化、水資源的利用情況、水文循環變化、水分輸送與蒸發的過程等,為水資源管理和保護提供參考。

2.4 礦山環境污染監測

礦山生態環境中常常會出現大氣污染、水體污染等問題,這些污染問題對生態環境的影響非常大。利用遙感技術可獲取礦山區域的大氣污染信息、水體污染信息等環境信息,并利用反演模型對數據進行處理,能夠為環境治理部門提供有效的污染監測數據[16]。此外,也可通過遙感技術與大氣流模型聯合,對礦山空氣污染的傳輸規律進行研究,從而提出有效治理措施。

3 遙感技術在礦山生態環境監測中的發展方向

隨著遙感技術的不斷發展,目前已經涌現出一些新的技術和手段,如高光譜遙感、LiDAR技術[17]、機載遙感、超低空遙感等。這些技術手段的應用對于礦山生態環境監測和保護具有非常重要的意義。

3.1 高光譜遙感技術

高光譜遙感技術在礦山生態環境監測中具有重要地位。高光譜遙感可以提供高精度、高信息量的多光譜影像,利用它可獲取礦山生態環境中更加詳細、準確的信息[18]。例如,可通過高光譜遙感監測土壤重金屬含量、植被的冠層密度、光學化學計量等。高光譜遙感技術不僅能夠提供更加精準的數據,同時可以對多元化的礦山生態環境信息進行深入研究,為礦山生態環境的保護提供可靠數據支撐。

3.2 LiDAR技術

LiDAR技術也是一項有望應用于礦山生態環境監測的前沿技術。該技術可以獲取植被高度、數字表面模型(DSM)、數字高程模型(DEM)[19]等三維信息。與傳統的測繪方法相比,LiDAR技術極大地提高了數據的精度和效率。同時,該技術也具有非常高的空間分辨率,可以提供更加詳細的地形信息,進而對礦山生態環境進行更加全面和準確的監測和分析。此外,通過LiDAR技術的應用,可以實現礦山生態環境的立體化管理和礦山復綠過程的精細化調控。

3.3 機載遙感技術

機載遙感技術是指通過航空或者衛星等載體,采集高光譜和多光譜圖像、LiDAR三維影像等數據[20]。在遙感技術中,機載遙感技術擁有較高的空間分辨率和時間分辨率,可以快速、大規模地獲取環境信息。因此,在礦山生態環境監測中,機載遙感技術在空間分辨率方面具有明顯的優勢,能夠研究更小尺度的生態環境問題,并對礦山生態環境的演變和風險進行快速、高效的監控。

3.4 超低空遙感技術

超低空遙感技術是指利用無人機等設備在非常低的高度上進行遙感圖像的采集和處理。該技術在礦山生態環境監測中可應用于精細化驗收和高精度礦山環境監測。在低高度下進行遙感監測時,相機可以以更大的視場范圍和更高的分辨率完成圖像采集和分析,不僅可以獲取更加細節化的信息,同時也可以極大地提升效率和準確度。超低空遙感技術應用于礦山生態環境監測中,將有望提高礦山環境數據質量,推動礦山環境保護和調控水平進一步升級。

4 結語

在礦山生態環境管理中,遙感技術的應用已經成為必不可少的一項手段。遙感技術可以獲得大量的環境信息數據,為礦山環境管理部門提供更加全面、詳盡和可靠的數據基礎。未來,隨著新技術的不斷涌現和遙感技術的不斷優化,遙感技術在礦山生態環境監測和保護中的應用將更加廣泛和深入,可為礦山生態環境保護和可持續發展提供更加強有力的支持。同時,為了更好地發揮遙感技術在礦山環境監測中的作用,還需在以下方面加強與完善。

(1)開發遙感數據處理和分析技術,對遙感數據進行精度和有效性的檢驗,提高數據的可靠性和精度。

(2)完善遙感技術應用于礦山生態環境監測的標準和規范,建立科學、規范、完備的數據管理和應用平臺,確保監測數據的可靠性和準確性。

(3)將遙感技術與其他技術相結合,構建多元化的礦山生態環境監測體系,以實現礦山生態環境的全面監測和精細化管理。

(4)加強數據交流與共享,建立開放式的礦山生態環境監測系統,實現數據的歸一化和共享,提高信息資源利用效率。