文∣趙家樂(lè) 陳浩

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

長(zhǎng)久以來(lái),煤炭資源的亂采濫挖現(xiàn)象十分嚴(yán)重,不僅浪費(fèi)了礦產(chǎn)資源,而且破壞了礦山環(huán)境。對(duì)其進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)監(jiān)管，是當(dāng)前實(shí)施煤礦資源開(kāi)發(fā)和管理工作中面臨的重要課題。煤礦非法開(kāi)采監(jiān)測(cè)是以高分辨率遙感影像為依據(jù)，以有效遏制煤礦非法開(kāi)采事件的發(fā)生為目的,是保護(hù)煤礦安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

用傳統(tǒng)方法對(duì)煤礦開(kāi)采進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅耗資巨大，而且無(wú)法快速科學(xué)掌握煤礦資源開(kāi)發(fā)與管理的多元信息。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，高分辨率遙感影像的應(yīng)用已經(jīng)涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和環(huán)境優(yōu)化起到了巨大推動(dòng)作用。遙感影像具有直觀、動(dòng)態(tài)、快速、宏觀、真實(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，己成為便捷、科學(xué)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)煤礦資源開(kāi)采變化狀況的重要手段。基于高分遙感影像煤礦非法開(kāi)采監(jiān)測(cè),是利用高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率能力的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析不同時(shí)相數(shù)據(jù)的解譯結(jié)果，探討高分影像對(duì)礦區(qū)采礦活動(dòng)的識(shí)別能力，指出工作區(qū)存在的違規(guī)采礦行為；通過(guò)分析往年遙感影像獲取時(shí)間間隔，探討是否滿足對(duì)整個(gè)礦區(qū)所發(fā)生的非法開(kāi)采事件進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。為國(guó)土資源相關(guān)部門進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)管理、低成本快速高效打擊非法采礦行為，提供科學(xué)執(zhí)法依據(jù)。

二、技術(shù)方案分析

煤礦非法開(kāi)采監(jiān)測(cè)就是通過(guò)分析不同時(shí)期的衛(wèi)星影像，從中提取、分析采礦痕跡變化信息實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)。如何利用能獲取的高分?jǐn)?shù)據(jù)，將信息綜合起來(lái)，并快速發(fā)現(xiàn)煤礦的非法開(kāi)采活動(dòng)痕跡，是煤礦非法開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)首要解決的基本問(wèn)題。煤礦開(kāi)采活動(dòng)痕跡通常表現(xiàn)為：道路修建、采礦設(shè)施、礦渣(石)堆積、植被破壞、山體開(kāi)掘等,含有這類形狀特征及其空間關(guān)系特征的地物可作為煤礦判讀的標(biāo)識(shí)。其中道路顏色的新舊程度、現(xiàn)場(chǎng)有否運(yùn)輸設(shè)備斑點(diǎn)、堆煤場(chǎng)面積是否擴(kuò)大及建筑房屋是否增建可作為煤礦在采與否的判別標(biāo)志。

1.監(jiān)測(cè)區(qū)遙感數(shù)據(jù)源選擇

在考慮到控制監(jiān)測(cè)成本的前提下，選擇什么樣的遙感數(shù)據(jù)，要根據(jù)遙感影像的獲取周期，及監(jiān)測(cè)目的和監(jiān)測(cè)內(nèi)容而定。在目標(biāo)煤礦監(jiān)測(cè)開(kāi)采區(qū)內(nèi)，選用的遙感數(shù)據(jù)要能夠清晰分辨煤礦開(kāi)采硐口、采礦建筑、堆礦石區(qū)、礦車、汽車、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理區(qū)、寬度大于分辨率的運(yùn)輸?shù)缆返炔傻V活動(dòng)痕跡。

2.遙感圖像處理

對(duì)不同時(shí)相的遙感影像進(jìn)行幾何校正，并將全色PAN波段數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)融合處理，天然假彩色合成，然后進(jìn)行圖像增強(qiáng)及裁剪等。結(jié)果數(shù)據(jù)與采礦確權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加顯示，以人機(jī)交互的方式對(duì)監(jiān)測(cè)煤礦中各類地物和采礦活動(dòng)痕跡相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行解譯，圈定非法開(kāi)采的煤礦，最后利用解譯結(jié)果進(jìn)行野外驗(yàn)證。

3.建立遙感影像綜合解譯標(biāo)志

非法煤礦開(kāi)采有其隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，但在開(kāi)采硐口附近有矸石堆、堆煤場(chǎng)、簡(jiǎn)易建筑等，并有道路相通。采煤區(qū)在圖像上呈黑色或灰色區(qū)域，地處山坡，輪廓通常表現(xiàn)為不規(guī)則梅花狀或尖部指向低處的扇形。礦區(qū)道路在融合影像上呈線條狀，隨地形起伏而變化，色調(diào)一般為亮白色，線條通向建筑物或堆煤場(chǎng)附近后消失，有時(shí)道路上可見(jiàn)運(yùn)輸車[1]。礦區(qū)建筑物在影像上呈淺白色花斑狀，輪廓大多數(shù)表現(xiàn)為整齊規(guī)則的矩形、有道路相通。尾礦石堆積為灰白色調(diào)，煤倉(cāng)或煤矸石堆積為灰黑色調(diào)。堆煤場(chǎng)在影像上，顯示為黑色調(diào)、地勢(shì)平坦、輪廓通常為規(guī)則多邊形或矩形、道路進(jìn)入該區(qū)后中斷、有時(shí)可見(jiàn)運(yùn)輸車停放。采煤影響區(qū)在影像上通常呈現(xiàn)為淺灰或灰白色調(diào)，紋理結(jié)構(gòu)呈深淺不一的雜色，主要分布于采煤區(qū)和堆煤場(chǎng)地的周圍及道路附近。地面塌陷區(qū)在影像上呈現(xiàn)舒緩波狀裂縫，有時(shí)會(huì)成組出現(xiàn)，及成片蘑菇狀圓坑地貌。礦井則一般出現(xiàn)在采煤區(qū)中地勢(shì)較高的位置，色調(diào)較深的點(diǎn)狀區(qū)域，道路在此處中斷。如果是扇狀采煤區(qū)，則在采煤區(qū)上部，尾礦石堆積場(chǎng)和煤倉(cāng)的結(jié)合部區(qū)域，采礦小鐵軌在此處中斷。此外，硐口形成的太陽(yáng)陰影也可以作為礦井的判讀標(biāo)識(shí)[2]。這些判讀依據(jù)都是煤礦開(kāi)發(fā)過(guò)程留下的痕跡，通過(guò)發(fā)掘這些痕跡及其特征，并追蹤這些痕跡的變化，就可以發(fā)現(xiàn)采礦活動(dòng)。

4.動(dòng)態(tài)變化信息提取

利用遙感技術(shù)進(jìn)行煤礦資源非法開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的核心，就是利用多時(shí)相遙感圖像，以對(duì)比解譯、分析為主體，根據(jù)建立的解譯標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)捕捉圖像上與非法采礦活動(dòng)有關(guān)的痕跡[3]。采礦痕跡自動(dòng)發(fā)現(xiàn)能夠監(jiān)測(cè)出兩個(gè)時(shí)相圖像中，非法開(kāi)采區(qū)域的具體位置及分布，通過(guò)人機(jī)交互解譯提取準(zhǔn)確的變化區(qū)域，進(jìn)而從影像上獲得變化處各目標(biāo)的準(zhǔn)確范圍、形狀及邊界。

5.野外驗(yàn)證

野外調(diào)查驗(yàn)證可以在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍或者實(shí)地勘察來(lái)實(shí)現(xiàn)，其目的是給遙感解譯人員提供一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的礦區(qū)環(huán)境和采礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有一定了解，從而完成建立遙感解譯標(biāo)志[4]。此外，為保證對(duì)礦區(qū)遙感解譯成果的準(zhǔn)確性、可靠性以及解譯的質(zhì)量，還對(duì)目標(biāo)區(qū)內(nèi)煤礦資源開(kāi)發(fā)狀況(現(xiàn)礦山數(shù)量、規(guī)模，停采礦山數(shù)量)、開(kāi)采活動(dòng)范圍(土地占用面積、植被破壞面積)等進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證。

三、高分?jǐn)?shù)據(jù)獲取

不同分辨率影像對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)類型的識(shí)別能力不同，不同影像的獲取成本也不同，獲取存檔數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔也不相同，如何以低成本而高效地獲取非法煤礦動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，就要選取正確的數(shù)據(jù)源及合理的獲取方式。

目前獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)主要有兩種方式，一種是靠衛(wèi)星自主拍攝獲取的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即為存檔數(shù)據(jù)。這種方式受國(guó)家應(yīng)急或其他主用戶需要的影響，獲取拍攝到同一地區(qū)影像的時(shí)間間隔不穩(wěn)定。另一種獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)的方式為衛(wèi)星編程數(shù)據(jù)定制服務(wù)，這種方式依靠指定衛(wèi)星去拍攝，獲取的編程數(shù)據(jù)采購(gòu)不設(shè)限，短時(shí)間內(nèi)多次覆蓋，影像更具針對(duì)性、時(shí)效性，獲取能拍攝到同一地區(qū)影像的時(shí)間間隔大約為一個(gè)月，但是價(jià)格也比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)要高。

雖然很多衛(wèi)星的重訪周期均在5天以內(nèi)，且從衛(wèi)星拍攝某地區(qū)影像到發(fā)布，用戶能查到該數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲僅大約為24小時(shí)，但受國(guó)家應(yīng)急或其他主用戶需要的影響，實(shí)際上獲取拍攝到同一地區(qū)影像的時(shí)間間隔不穩(wěn)定，有的需要幾個(gè)月，有的甚至需要大半年，并且只能保證同一地區(qū)每年有兩次覆蓋。

四、高分影像煤礦監(jiān)測(cè)結(jié)果

以甘肅省多個(gè)煤礦區(qū)作為試點(diǎn)，將2m分辨率、1m分辨率及0.5m分辨率數(shù)據(jù)的煤礦監(jiān)測(cè)實(shí)際效果進(jìn)行展示及對(duì)比。

將高分一號(hào)、高分二號(hào)及GeoEye-1衛(wèi)星影像作為不同分辨率的代表進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。通過(guò)人工交互解譯結(jié)果，結(jié)合批準(zhǔn)的采礦界限，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)疑似越界開(kāi)采痕跡。如圖1所示。

圖1 疑似越界開(kāi)采區(qū)域監(jiān)測(cè)

由圖1（b）可以清晰的看到矸石堆、采礦設(shè)施等地物，由圖1（c）可以識(shí)別出運(yùn)煤車，由此可以判讀兩個(gè)疑似越界開(kāi)采區(qū)域?qū)儆谡陂_(kāi)采的煤礦，應(yīng)該列為疑似非法開(kāi)采區(qū)域。

圖2為高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從圖上只可大致識(shí)別出礦區(qū)1采礦建筑、運(yùn)輸?shù)缆?、堆煤?chǎng)以及堆煤場(chǎng)逐年變大的痕跡。

圖2 堆煤場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)

圖3為礦區(qū)2堆煤場(chǎng)關(guān)閉痕跡影像圖。從圖3上可以直觀地識(shí)別出堆煤場(chǎng)以及堆煤場(chǎng)關(guān)閉的痕跡，根據(jù)甘肅省發(fā)布的關(guān)閉淘汰小煤礦名單的公告，礦區(qū)2屬于淘汰落后煤礦實(shí)施關(guān)閉，與影像反應(yīng)情況相吻合。

圖3 堆煤場(chǎng)關(guān)閉痕跡監(jiān)測(cè)

圖4為運(yùn)煤汽車影像識(shí)別，圖像為高分二號(hào)、GeoEye-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)。從圖4可以清晰地識(shí)別出運(yùn)煤汽車、采礦建筑、運(yùn)輸?shù)缆?、堆煤?chǎng)以及堆煤場(chǎng)逐年變大的痕跡。與高分二號(hào)影像相比，GeoEye-1影像上的運(yùn)煤車等其他地物更容易識(shí)別。

圖4 運(yùn)煤汽車影像識(shí)別

圖5為采礦建筑變化監(jiān)測(cè)圖，從圖5上可以清晰地識(shí)別出采礦建筑、堆煤場(chǎng)逐年變大的痕跡。與高分二號(hào)衛(wèi)星影像相比，GeoEye-1衛(wèi)星影像上的采礦建筑及其他采礦活動(dòng)痕跡更容易識(shí)別。

圖5 采礦建筑變化監(jiān)測(cè)

五、結(jié)論

綜合以上分析，可以得出結(jié)論：

1）高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)煤礦識(shí)別能力。1m分辨率及0.5m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠識(shí)別煤礦開(kāi)采硐口、汽車、礦車、堆礦石區(qū)、采礦建筑、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理區(qū)、寬度大于2m的運(yùn)輸?shù)缆返炔傻V活動(dòng)痕跡，且0.5m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)更清晰，顏色更真實(shí)，更容易識(shí)別運(yùn)煤汽車、采礦建筑等其他采礦活動(dòng)痕跡，更適合用于監(jiān)測(cè)煤礦的非法采礦活動(dòng)。而2m分辨率數(shù)據(jù)對(duì)煤礦的開(kāi)采狀況顯示效果欠佳，對(duì)采礦活動(dòng)痕跡的細(xì)節(jié)顯示模糊，不適合用于監(jiān)測(cè)煤礦的非法采礦活動(dòng)。

2）煤礦非法開(kāi)采判讀。針對(duì)不同時(shí)相的高分?jǐn)?shù)據(jù)，專業(yè)人員可以根據(jù)開(kāi)采硐口、采礦建筑及煤矸石等固體廢棄物堆放情況，結(jié)合批準(zhǔn)的采礦界限來(lái)判讀是否越界開(kāi)采或一證多井違法開(kāi)采；還可以根據(jù)運(yùn)輸?shù)缆返男屡f情況及現(xiàn)場(chǎng)是否有運(yùn)輸設(shè)備，來(lái)判讀已經(jīng)關(guān)閉的煤礦是否還在違法開(kāi)采。

3）高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)效性。存檔衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔不穩(wěn)定，編程衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔可以控制在1～3個(gè)月內(nèi)。

4）高分衛(wèi)星選取。國(guó)內(nèi)高分編程數(shù)據(jù)獲取較困難。國(guó)外高分編程數(shù)據(jù)周期相對(duì)較短，建議在重點(diǎn)礦區(qū)使用；在非重點(diǎn)礦區(qū)建議使用分辨率相對(duì)低的高分二號(hào)存檔數(shù)據(jù)（1m）。