楊 創(chuàng)， 李聰聰， 萬余慶

(中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，西安 710199)

0 引言

遙感技術(shù)在我國煤田地質(zhì)領(lǐng)域應用歷史悠久，自20世紀50年代中期開始，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，煤田遙感應用技術(shù)取得長足的進展，遙感平臺從早期的航空遙感走向高空、中空、低空等多平臺遙感，遙感數(shù)據(jù)源從最初的全色相片發(fā)展為多光譜、高光譜和微波遙感，應用范圍涉及地形圖制作、煤田遙感調(diào)查、煤田地質(zhì)填圖、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測等應用領(lǐng)域[1-5]。

進入21世紀以來，隨著計算機和信息化技術(shù)的發(fā)展，煤田遙感地質(zhì)應用的技術(shù)和方法逐漸趨于成熟，煤田遙感應用技術(shù)不斷開拓新領(lǐng)域并深度發(fā)展，已形成航天高分辨率、航空高光譜、地面精細化探測與GPS和GIS相結(jié)合的“3S”技術(shù)應用體系，2015年以來，隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取、雷達遙感技術(shù)和低空無人機技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在為常規(guī)的煤炭資源領(lǐng)域注入新活力的同時，隨著我國發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，遙感技術(shù)由常規(guī)的煤炭資源勘查向煤炭資源綠色開發(fā)和資源環(huán)境領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，在生態(tài)地質(zhì)勘查和煤炭礦區(qū)開發(fā)資源環(huán)境領(lǐng)域快速發(fā)展，特別是礦山環(huán)境監(jiān)測[6-10]、礦山地質(zhì)災害調(diào)查[11-14]、礦山環(huán)境恢復治理[15-17]等方面取得了豐富的研究成果，取得了良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，近年來，結(jié)合溫室氣體的排放引起的全球性氣候問題，遙感在 “雙碳戰(zhàn)略”中對碳源監(jiān)測、碳匯評估等方面逐漸成為研究的熱點。

隨著新時代生態(tài)文明思想的提出，我國新的發(fā)展理念和美麗中國建設(shè)的發(fā)展目標，對煤炭行業(yè)發(fā)展提出了新的要求。本文在前人研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了多個煤礦山環(huán)境遙感監(jiān)測評價應用實踐，提出了新時代遙感技術(shù)應用于煤礦山環(huán)境監(jiān)測評價的方法體系，旨在推進遙感技術(shù)在煤炭資源全生命周期地質(zhì)保障體系中的深度應用，助力我國煤炭行業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。

1 煤炭遙感技術(shù)的發(fā)展

近10年來，遙感技術(shù)得到了飛速發(fā)展，進入了能夠快速準確地提供多種對地觀測海量數(shù)據(jù)及應用研究的新階段，特別是新型高分辨率遙感和無人機等技術(shù)的發(fā)展，為煤田遙感應用提供了新的數(shù)據(jù)源，同時對傳統(tǒng)的遙感煤田技術(shù)和方法也提出了新的要求，主要從遙感數(shù)據(jù)源、遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)三個方面進行論述。

1.1 遙感數(shù)據(jù)源

常規(guī)的煤田遙感多用于大區(qū)域的構(gòu)造解譯和找煤，主要采用的數(shù)據(jù)源從最早的航空相片到多波段的TM和ETM圖像，以及分辨率較高的SPOT、QuickBird、ALOS等，隨著遙感數(shù)據(jù)多樣化和精細化的發(fā)展，煤田應用方面采用的數(shù)據(jù)源的時空分辨率及光譜分辨率普遍提高。隨著遙感應用領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛蔬b感數(shù)據(jù)需求及遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)不斷的發(fā)展，應用于煤田遙感的各類數(shù)據(jù)分辨率的提高將成為普遍發(fā)展趨勢，為煤田遙感由常規(guī)宏觀的解譯向?qū)ｎ}精細的分析發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2010年，我國高分專項自批準實施以來，已成功發(fā)射高分1號高分寬幅、高分2號亞米全色、高分3號1m雷達、高分4號同步凝視、高分5號高光譜觀測、高分6號陸地應急監(jiān)測、高分7號亞米立體測繪等7顆民用高分衛(wèi)星。低軌遙感衛(wèi)星分辨率由2.1m提高到0.65m，靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率由千米級提高到50m，高分專項數(shù)據(jù)已成為我國主體業(yè)務(wù)重要的手段，大大提高了中國天基對地觀測水平，已成為國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要信息技術(shù)支撐。

1.2 遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

隨著無人機和傳感器的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)采集技術(shù)取得了進步，可以用攜帶傳感器的微小衛(wèi)星快速獲取高分辨率的成像光譜儀數(shù)據(jù)，除此之外，機載和車載遙感平臺以及超低空無人機載平臺，都為快速獲取遙感數(shù)據(jù)提供了便利，特別是利用無人機作為遙感平臺，集成小型高性能的遙感傳感器和其它輔助設(shè)備，形成快速獲取遙感數(shù)據(jù)的模式已成為當前的主要趨勢，在煤田遙感、煤礦區(qū)資源環(huán)境等領(lǐng)域方面廣泛應用。

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著遙感技術(shù)的進步，遙感數(shù)據(jù)面向高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率發(fā)展，遙感技術(shù)綜合應用的深度和廣度不斷擴展，從單一信息源分析向多源信息的復合分析發(fā)展；從定性判讀向定量分析發(fā)展；從單時相的靜態(tài)研究向多時相的動態(tài)研究發(fā)展。對傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，海量的遙感數(shù)據(jù)亟待自動化、智能化的遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)，目前多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理趨于高效化和精細化，并已取得初步成效。

近年來，國內(nèi)外相繼推出了遙感圖像自動化批處理商業(yè)平臺，基于國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)、國產(chǎn)陸地衛(wèi)星(高分系列)、資源衛(wèi)星(資源02C星)、海洋衛(wèi)星和商業(yè)衛(wèi)星(北京二號、高景一號、珠海一號)數(shù)據(jù)的標準化處理，提供多尺度、標準化、有效、多星融合的衛(wèi)星影像產(chǎn)品，可實現(xiàn)以國產(chǎn)衛(wèi)星影像為主，持續(xù)、快速處理。同時GIS技術(shù)的發(fā)展為遙感提供了各種有用的輔助信息和分析手段，提高了遙感信息的識別精度，實現(xiàn)從空天地一體化數(shù)據(jù)采集、自動化的幾何處理和智能化的專題信息提取等。

2 煤炭資源開發(fā)利用環(huán)境評價

隨著我國資源開發(fā)程度的提高，煤炭行業(yè)由資源開發(fā)向資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的變化，遙感技術(shù)在煤炭資源開發(fā)利用環(huán)境監(jiān)測與評價方面取得長足的進展，大量新型的遙感數(shù)據(jù)在煤礦山環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域投入使用，多源、多平臺、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)綜合形成礦山全周期的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，從不同的角度反映煤礦山地質(zhì)環(huán)境問題，為煤礦山環(huán)境修復治理與環(huán)境保護提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星遙感技術(shù)基于多平臺、多種類、多尺度的遙感數(shù)據(jù)，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境(露天采礦場、開采塌陷地、礦山固體廢棄物排棄場、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂縫)進行中等比例尺度的調(diào)查和監(jiān)測。低空無人機遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外、LiDAR等傳感器，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行大比例尺高分辨率的調(diào)查和監(jiān)測。

2.1 煤礦山環(huán)境監(jiān)測

煤礦山的開發(fā)引發(fā)一系列的礦山環(huán)境問題，以往通常采用衛(wèi)星遙感技術(shù)，開展煤礦區(qū)資源開發(fā)狀況和礦山環(huán)境遙感地質(zhì)解譯、礦山環(huán)境問題區(qū)監(jiān)測，通過實地調(diào)查驗證，評價礦山環(huán)境分布狀況。隨著低空無人機技術(shù)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，面向生產(chǎn)的煤礦山，遙感礦山環(huán)境監(jiān)測由單純的遙感解譯提升為“衛(wèi)星遙感+無人機遙感+物聯(lián)網(wǎng)”的礦山環(huán)境監(jiān)測模式(圖1)。

圖1 面向生產(chǎn)煤礦的礦山環(huán)境監(jiān)測模式Figure 1 Mine environmental monitoring modefor operating coalmines

利用衛(wèi)星高分遙感影像對植被類型、植被損毀面積、復墾區(qū)植被面積、植被覆蓋度及土地利用類型圖斑的解譯。采用雷達遙感數(shù)據(jù)，如Sentinel-1、ALOS等，利用InSAR技術(shù)通過多期數(shù)據(jù)的疊加分析，獲取煤礦區(qū)地表沉降區(qū)域，圈定沉降中心、沉降范圍及沉降量，評價采煤沉陷區(qū)穩(wěn)定性和趨勢預測，指導礦區(qū)安全生產(chǎn)。

利用無人機航拍對煤礦地質(zhì)災害(地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌)發(fā)育情況、地形地貌景觀(包括植被損毀面積、土地壓占規(guī)模)破壞情況、土地損毀情況(損毀的面積、地類、損毀程度)、復墾區(qū)植被狀況進行監(jiān)測，與衛(wèi)星遙感監(jiān)測效果進行互補與驗證。

通過部署地表各類物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測儀器，對地表形變、地下水、降雨量等進行收集，結(jié)合實地野外調(diào)查及采樣測試，對監(jiān)測區(qū)域的地下水環(huán)境、土壤環(huán)境、各類礦山地質(zhì)環(huán)境問題的變化趨勢進行預測評價，為進行礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復治理提供依據(jù)。

2.2 煤礦綠色礦山建設(shè)

礦區(qū)環(huán)境與資源開發(fā)方式是綠色礦山建設(shè)的重要評估指標，在綠色礦山建設(shè)評估審核中，選取煤礦區(qū)的高分衛(wèi)星影像，按照《綠色礦山評估指導手冊》中綠色礦山評分表，對煤礦區(qū)開發(fā)環(huán)境進行全要素解譯，結(jié)合實地調(diào)查驗證，編制礦區(qū)綠色礦山遙感圖件，根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境特征和復墾綠化情況，直觀核查綠色礦山主要環(huán)境指標的建設(shè)效果和存在的問題(圖2)，指導進一步針對性地修整，從而為綠色礦山建設(shè)評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。通過一系列的遙感綠色礦山評估實踐，綜合而言，高分辨率遙感技術(shù)在綠色礦山基礎(chǔ)可視指標的評估中，具有宏觀、經(jīng)濟、高效的優(yōu)勢，可進一步推廣使用。

圖2 煤礦山綠色礦山建設(shè)遙感核查Figure 2 Coalmine green mine construction remote sensing checking

2.3 煤礦山環(huán)境恢復治理

以多源、多平臺遙感技術(shù)(衛(wèi)星、無人機)為主，輔以常規(guī)的地表監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等，構(gòu)建了礦山環(huán)境恢復治理遙感監(jiān)測體系(圖3)，衛(wèi)星遙感技術(shù)基于多平臺、多種類、多尺度的遙感數(shù)據(jù)，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境(露天采礦場、開采塌陷地、礦山固體廢棄物排棄場、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境(崩塌、泥石流、滑坡、地表沉降、地裂縫)進行中等比例尺度的調(diào)查和監(jiān)測。無人機遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外等傳感器，對礦區(qū)修復治理工程進行大比例尺高分辨率的監(jiān)測，對修復治理工程進展和修復治理效果進行監(jiān)管。

圖3 礦山環(huán)境恢復治理遙感監(jiān)測體系Figure 3 Mine environmental rehabilitation governance remote sensing monitoring system

在我國高原高寒地區(qū)首例礦山環(huán)境修復治理工程-青海木里礦區(qū)礦山環(huán)境修復治理中，面臨礦山環(huán)境背景資料缺乏、工期緊、施工難度大等問題，通過木里礦區(qū)從未開發(fā)至2020年30余年的歷史多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析與信息提取，快速查清了礦山環(huán)境問題，制定了科學合理的修復治理方案，并且對修復治理工程開展了無人機遙感監(jiān)管，高效獲取工程方量，直觀展示修復治理效果，實現(xiàn)礦山修復治理的精準可視化評價(圖4)，為遙感技術(shù)有效支撐礦山環(huán)境恢復治理工程化應用提供了新的服務(wù)模式和借鑒。

圖4 無人機傾斜攝影展示修復治理效果Figure 4 Drone tilt photos displayed rehabilitation governance effect

2.4 煤火區(qū)評價及碳排放監(jiān)測

煤炭自燃不僅破壞寶貴的煤炭資源，也向大氣中排放大量的CO2，加速全球變暖進程，是碳減排的主要治理目標之一。隨著遙感圖像光譜分辨率、幾何分辨率的提高，并且低空無人機和熱紅外成像儀的技術(shù)發(fā)展，遙感煤田火區(qū)技術(shù)應用向精細化、定量化發(fā)展。

煤田火區(qū)遙感探測由傳統(tǒng)的低分辨率、大范圍的監(jiān)測到高分辨率、小范圍的精細化調(diào)查發(fā)展，由面到點，由煤田到具體的火點，為滅火工程設(shè)計提供直接依據(jù)。利用衛(wèi)星遙感、低空無人機遙感和地表調(diào)查相結(jié)合的技術(shù)，面向煤田火區(qū)治理的全流程，構(gòu)建天空地時煤田火區(qū)遙感監(jiān)測方法體系(圖5)，廣泛應用于火區(qū)調(diào)查、治理設(shè)計、施工、監(jiān)測等方面，近年來，在陜北侏羅紀煤田淺部煤層自燃綜合治理區(qū)、楊伙盤生產(chǎn)礦井工作面地表火區(qū)和內(nèi)蒙古古拉本煤田等火區(qū)調(diào)查治理中，取得了良好的應用效果。

圖5 天空地時煤田火區(qū)遙感監(jiān)測方法體系Figure 5 Spatiotemporal coalfield burning area remote sensing monitoring system

在煤田火區(qū)碳監(jiān)測方面，通過綜合遙感圈定出的火區(qū)面積、監(jiān)測火區(qū)地表出口處的CO2濃度，從排放通量、時間和面積等多個因素考慮，開展煤田火區(qū)碳排放通量計算模型構(gòu)建，實現(xiàn)煤田火區(qū)碳排放通量的動態(tài)計算。針對煤矸石山，應用遙感技術(shù)監(jiān)測煤礦矸石山的分布、恢復治理及再生利用情況，結(jié)合熱紅外遙感，調(diào)查矸石山的自燃情況，為掌握煤炭矸石山碳排放情況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.5 遙感煤礦山環(huán)境監(jiān)測

面向礦山開采與恢復的全生命周期，以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、遙感等新技術(shù)和新方法為手段，整合礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)修復與治理工程監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，針對性開展礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作。從礦山環(huán)境問題評價、治理工程的監(jiān)管和生態(tài)環(huán)境常態(tài)化監(jiān)測等方面，展示礦山環(huán)境變化與修復治理效果，建設(shè)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測平臺，為礦山地質(zhì)環(huán)境修復治理和生態(tài)環(huán)境保護提供依據(jù)。

同時基于云平臺，開發(fā)礦山環(huán)境保護與生態(tài)修復監(jiān)管“一張圖”系統(tǒng)，全面掌握礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、治理的現(xiàn)狀和動態(tài)變化，分析其原因和發(fā)展趨勢，客觀、準確、及時的為礦山地質(zhì)環(huán)境保護和生態(tài)修復工作提供基礎(chǔ)資料和科學依據(jù)。主要包含地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、生態(tài)修復治理監(jiān)管系統(tǒng)、生態(tài)修復數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、礦山地質(zhì)環(huán)境“一張圖”應用系統(tǒng)。

3 遙感礦山環(huán)境監(jiān)測評價應用展望

新時代，生態(tài)文明建設(shè)和“雙碳”戰(zhàn)略的實施，煤炭行業(yè)將向清潔綠色高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，煤炭遙感應用由服務(wù)于煤炭勘查大幅度向煤礦區(qū)環(huán)境保護發(fā)展。隨著科技的進步，多平臺、多傳感器、多時相、多光譜以及多空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)綜合應用，已成為目前遙感技術(shù)的重要發(fā)展方向，同時人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展又促進了遙感數(shù)據(jù)與地學數(shù)據(jù)的有機融合，高光譜遙感、定量遙感的不斷創(chuàng)新，為煤炭遙感深度發(fā)展提供了保障。

遙感時空大數(shù)據(jù)將進一步精準高效服務(wù)于煤礦山環(huán)境監(jiān)測評價，未來需加強煤礦山環(huán)境遙感應用與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)的交叉融合，促進煤炭遙感向自動化、規(guī)?；?、定量化、智能化方向轉(zhuǎn)型。

4 結(jié)論

1)從煤炭遙感數(shù)據(jù)源、遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)總結(jié)了煤炭遙感技術(shù)的發(fā)展，多源、高分辨率、高光譜的數(shù)據(jù)源，快速高效經(jīng)濟的低空遙感數(shù)據(jù)獲取和高效精細化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)已是目前煤炭遙感的深度發(fā)展的引擎。

2)遙感技術(shù)在煤炭資源開發(fā)利用環(huán)境監(jiān)測與評價方面取得了快速發(fā)展，多源、多平臺、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)綜合形成礦山全周期的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，為煤礦山開發(fā)、綠色礦山建設(shè)、礦山環(huán)境恢復治理和碳排放監(jiān)測等提供了豐富的監(jiān)測手段。

3)多源、多平臺遙感時空大數(shù)據(jù)將精準高效服務(wù)于煤炭全生命周期環(huán)境監(jiān)測是必然趨勢，未來煤礦山環(huán)境遙感應用將與大數(shù)據(jù)、云計算融合，向定量化、智能化發(fā)展。