楊建成，周麗蕓，彭祖武，李雪宇，曹創(chuàng)華，李紅慶

摘要：利用2014～2022年獲取的12期國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星影像和礦區(qū)修復(fù)前后3期無人機(jī)影像，對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)、融合、鑲嵌等一系列處理后，采用目視解譯方法提取研究區(qū)域圖斑變化信息，用以監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)譚家山煤礦區(qū)經(jīng)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(fù)前后的生態(tài)環(huán)境變化情況和治理效果。所提取信息能很好地反映煤礦區(qū)自2020年工程修復(fù)開始至2022年結(jié)束的全過程生態(tài)環(huán)境變化情況，并清晰顯示修復(fù)后的譚家山煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)水系聯(lián)通與恢復(fù)、裸露山體復(fù)綠、土地資源恢復(fù)提質(zhì)，修復(fù)區(qū)人居生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。提出采用多源、長時(shí)序遙感影像分析礦區(qū)變化情況，結(jié)果客觀、準(zhǔn)確，可為礦區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供參考和途徑。

關(guān)鍵字：生態(tài)修復(fù)；目視解譯；國產(chǎn)衛(wèi)星；監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)；多源數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P237? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題已成為影響礦山正常生產(chǎn)和人居生態(tài)環(huán)境安全的重要因素[1]，因此礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)刻不容緩。2018年10月，湖南省申報(bào)的《湖南省湘江流域和洞庭湖山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)方案（2018-2020年）》成功入圍國家第三批山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)[2]。湘潭市譚家山煤礦區(qū)屬于試點(diǎn)方案中五大礦集區(qū)修復(fù)治理對(duì)象之一。目前，譚家山煤礦區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)已基本完成，尚未開展修復(fù)前后生態(tài)環(huán)境變化的系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)分析。

遙感技術(shù)作為成本低、時(shí)效性強(qiáng)、覆蓋范圍廣的一種監(jiān)測(cè)手段，可方便監(jiān)測(cè)分析礦山環(huán)境動(dòng)態(tài)變化情況[3，4]。近些年來，中國遙感衛(wèi)星發(fā)展迅猛，衛(wèi)星遙感進(jìn)入高分時(shí)代[5]。高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)可以迅速查明監(jiān)測(cè)區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀且成果客觀、準(zhǔn)確[6]，許多學(xué)者多以此進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題分析評(píng)價(jià)。高分一號(hào)作為性能卓越的國產(chǎn)衛(wèi)星，能有效識(shí)別露天礦山開發(fā)和環(huán)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(shì)[8]，多期遙感影像產(chǎn)品可開展礦產(chǎn)資源開采強(qiáng)度變化情況分析[9]及礦山地質(zhì)環(huán)境遙感評(píng)價(jià)并可為生態(tài)修復(fù)對(duì)策提供依據(jù)[10]。

以上研究多是借助遙感技術(shù)進(jìn)行礦山問題現(xiàn)狀的分析研究，對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)工程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究相對(duì)較少。本文采用2014～2022年國產(chǎn)衛(wèi)星影像和無人機(jī)影像為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行譚家山煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的變化監(jiān)測(cè)，分析修復(fù)前礦山存在的問題，研究修復(fù)工程進(jìn)程、內(nèi)容及效果，以期為礦區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供參考。

1 礦區(qū)概況

譚家山煤礦區(qū)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(cè)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(qū)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(zhì)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(shí)有大小煤礦52家，大小礦井近百個(gè)，歷史高峰期年開采量達(dá)224萬噸，累計(jì)開采量達(dá)5 443萬噸。隨著國家煤礦產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)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(yán)重，導(dǎo)致礦地矛盾異常突出，最終礦區(qū)煤礦全部關(guān)停、責(zé)任主體滅失。

長期粗放開采給礦區(qū)帶來了一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患頻現(xiàn)、水資源環(huán)境破壞明顯、林地?fù)p毀隨處可見、農(nóng)田大面積無法耕種。針對(duì)生態(tài)環(huán)境問題現(xiàn)狀、結(jié)合地方規(guī)劃及當(dāng)?shù)刈匀环A賦，對(duì)于河道溪溝水系聯(lián)通、露采坑高陡邊坡處置、滲漏山塘與濕地修復(fù)、塌陷坑治理、廢棄工業(yè)廣場(chǎng)整治、受損耕地修復(fù)等項(xiàng)目重點(diǎn)與難點(diǎn)，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(tǒng)礦山環(huán)境治理模式向礦區(qū)山水林田湖草綜合治理模式轉(zhuǎn)型的路徑。工程修復(fù)面積達(dá)5 km2，極大改善了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活、生態(tài)空間，有效化解了礦區(qū)水系連通、國土空間優(yōu)化難題，為礦區(qū)產(chǎn)業(yè)植入、轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 遙感解譯

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)源

為分析譚家山煤礦區(qū)在生態(tài)修復(fù)前后的變化情況和治理效果，本文選取2014～2022年國產(chǎn)遙感衛(wèi)星影像和無人機(jī)影像作為研究的數(shù)據(jù)來源，如表1所示。其中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共12期，包括2期高分一號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，6期高分二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，1期高分七號(hào)數(shù)據(jù)，2期高景一號(hào)數(shù)據(jù)，1期吉林一號(hào)數(shù)據(jù)。3期無人機(jī)數(shù)據(jù)分別拍攝于生態(tài)修復(fù)前、生態(tài)修復(fù)中和生態(tài)修復(fù)之后。衛(wèi)星遙感影像經(jīng)過配準(zhǔn)、融合、鑲嵌、裁剪等一系列處理，最終與無人機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到CGCS 2000坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.2 遙感解譯

礦山的開采伴隨一系列地質(zhì)環(huán)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(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程涉及區(qū)內(nèi)水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)、農(nóng)業(yè)與農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)和生物多樣性保護(hù)修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域[2]，結(jié)合譚家山煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題現(xiàn)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(gè)方面，對(duì)比分析15期影像數(shù)據(jù)，采用目視解譯的方式進(jìn)行遙感解譯，具體解譯要素如表2所示。

本文共解譯54個(gè)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(chǎng)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(yè)廣場(chǎng)4處，面積約12.98 hm2，解譯圖斑如圖1所示。

3 變化監(jiān)測(cè)分析

3.1 水資源破壞治理工程監(jiān)測(cè)分析

由于礦區(qū)開采年代久遠(yuǎn)，長期大量抽排地下水，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)水資源破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)井泉干枯、水塘漏失、渠道開裂、河堤變形、農(nóng)田砂化等嚴(yán)重現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重影響了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，以河、渠、山塘、水庫為棲息地的動(dòng)植物種群及數(shù)量發(fā)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(chǎn)生的各類礦山問題直接或間接地影響和改造水環(huán)境系統(tǒng)[12]。通過前期調(diào)查及多期影像對(duì)比，礦區(qū)大部分山塘存在滲漏現(xiàn)象。圖2所示山塘于2017年前水面較為豐盈，深黑色調(diào)幾乎填充整個(gè)山塘。隨著時(shí)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(shì)低洼之處，水位下降明顯，而綠色植物呈擴(kuò)張趨勢(shì)，占據(jù)大部分甚至整個(gè)山塘?？v觀整個(gè)煤礦區(qū)，多個(gè)坑塘可見明顯干涸跡象，山塘逐漸喪失了蓄水調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致居民生產(chǎn)生活用水困難。2020年起，開始對(duì)滲漏山塘進(jìn)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(cè)向截滲”的方式防止山塘滲漏。至2021年，山塘已完成修復(fù)，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(shì)平坦地區(qū)，兩側(cè)多為水田，為重要的農(nóng)業(yè)灌溉水源。礦區(qū)東側(cè)溝渠呈南北走向，貫穿整個(gè)礦區(qū)，整個(gè)溝渠處于連通狀態(tài)，未見堵塞或斷流，然溝渠水面時(shí)寬時(shí)窄，最窄處僅1 m左右，岸堤兩側(cè)植被發(fā)育，水面大部分被樹葉掩蓋。礦區(qū)南側(cè)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(dòng)，水量較小，且局部水質(zhì)較為渾濁，嚴(yán)重影響兩側(cè)農(nóng)田的灌溉。由圖3可見礦區(qū)自2020年起開始溝渠整治，圖斑色調(diào)、形狀發(fā)生明顯變化。堤岸兩側(cè)呈白色、土黃色調(diào)，平順連接，與河勢(shì)流向相適應(yīng)，河道水面開闊，水中綠色植被已基本清除；溝渠兩側(cè)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(qū)溝渠整治主要從疏浚、護(hù)砌和綠化三個(gè)方面進(jìn)行。2021年底基本完成溝渠整治，礦區(qū)水環(huán)境水生態(tài)得到明顯優(yōu)化。

3.2 地形地貌景觀破壞治理工程監(jiān)測(cè)分析

多年開采嚴(yán)重破壞了礦區(qū)的土地資源與景觀資源。煤矸石經(jīng)長期堆放壓實(shí)，不僅使土質(zhì)變差，局部呈現(xiàn)土壤荒漠化，甚至短時(shí)期內(nèi)難以恢復(fù)利用，導(dǎo)致長期壓占土地資源、甚至污染堆積場(chǎng)地及周邊土壤，破壞土石環(huán)境。

3.2.1 廢（矸）石堆修復(fù)

礦區(qū)煤矸石堆露天無序堆放，矸石易發(fā)生揚(yáng)塵，污染的淋濾水四處橫流，嚴(yán)重污染礦區(qū)的大氣環(huán)境和水環(huán)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(diào)以灰黑色、土黃色為主，紋理結(jié)構(gòu)粗糙。由于廢棄煤矸石的隨意堆放，在影像上表現(xiàn)為近似圓錐的正地形，且多分布于采場(chǎng)附近。礦區(qū)共解譯廢（矸）石堆共12處，呈星狀散布全區(qū)。最小規(guī)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(fù)始于2020年，根據(jù)所處地形地貌及坡度大小采取了不同的修復(fù)方式。地勢(shì)平坦區(qū)的廢（矸）石堆采取覆土結(jié)合造林的方式，而地勢(shì)起伏較大區(qū)，則根據(jù)地形將場(chǎng)地修整為坡臺(tái)，并在其上覆土平整。平整后的圖斑紋理光滑，形狀規(guī)則，邊界輪廓明顯，人工措施明顯[13]。場(chǎng)地四周及中間修有截排水溝，中間截排水溝呈南北向，一側(cè)修建了3 m寬的道路，并于兩側(cè)間隔種植喬木，場(chǎng)地之中播撒草籽。2022年，場(chǎng)地已覆蓋少量綠色植物，林地資源正逐步恢復(fù)。

3.2.2 露天采礦場(chǎng)修復(fù)

露天采礦場(chǎng)多在斜坡上挖掘，地表植被被剝離，在影像上呈土黃色調(diào)，圖斑切割破壞痕跡明顯，邊界清晰且易于識(shí)別[14]。礦區(qū)露天采礦場(chǎng)裸露面積大，巖體較破碎，坡臺(tái)縱橫，坡面不規(guī)則，造成了自然景觀的嚴(yán)重破壞。礦區(qū)共解譯露天采礦場(chǎng)4處，規(guī)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(chǎng)于2014年前便已挖掘，隨后不斷向外擴(kuò)張，山體破壞程度日趨嚴(yán)重，2019年停止開采。此時(shí)，山體景觀已遭到嚴(yán)重破壞。鑒于此，2020年開始露天采礦場(chǎng)生態(tài)修復(fù)，其工程包括土方工程和復(fù)綠工程。土方工程充分利用現(xiàn)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(xì)膩，為階梯狀弧形紋理，場(chǎng)地內(nèi)無廢石（土）堆積；復(fù)綠工程則在此基礎(chǔ)上播撒草籽、種植綠色植物，以人工復(fù)綠為主。至2022年，開采面大部分地區(qū)已恢復(fù)生機(jī)。

3.3 土地綜合整治工程監(jiān)測(cè)分析

土地綜合整治工程分受損耕地修復(fù)和廢棄工業(yè)廣場(chǎng)整治兩部分。

3.3.1 受損耕地修復(fù)

耕地在影像上易于識(shí)別，其紋理結(jié)構(gòu)平滑、形狀規(guī)整、連片分布，且多靠近村莊。礦區(qū)地勢(shì)平坦、水利灌溉便利、交通便捷，有利于農(nóng)作物的耕種、收割和運(yùn)輸，然受長期地下開采導(dǎo)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(diào)整為苗木、桑樹等經(jīng)濟(jì)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(shí)保護(hù)耕地”是我國一項(xiàng)基本國策，開展礦區(qū)受損耕地修復(fù)十分重要。結(jié)合礦區(qū)地形地貌、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施條件，修復(fù)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(yōu)質(zhì)良田。數(shù)年之后，該片農(nóng)田已雜草叢生，無法耕種，造成耕地資源的浪費(fèi)。煤礦區(qū)從2020年開始進(jìn)行受損耕地修復(fù)工程，首先清除田中灌草，圖斑色調(diào)由綠色變?yōu)榛野咨?。其次，修建田間道路，寬約2.5 m，呈直線貫穿整個(gè)圖斑，用田埂將圖斑劃分為多個(gè)規(guī)則的塊狀。圖斑東北側(cè)和西北側(cè)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(nóng)田的灌溉需求。最終形成田成方、路成框、渠成網(wǎng)、林成行的生態(tài)格局。礦區(qū)恢復(fù)耕地種植面積約400畝。

3.3.2 廢棄工業(yè)廣場(chǎng)修復(fù)

（1）礦山建筑整治。礦山建筑主要為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的場(chǎng)地和生活辦公用地，在遙感影像上特征明顯[15]，色調(diào)多為灰黑色，形狀規(guī)整，集中分布，距離工業(yè)廣場(chǎng)較近。

礦區(qū)共解譯2處礦山建筑，規(guī)模分別為1.34 hm2和2.22 hm2。對(duì)比分析多期影像可知礦山建筑整治包括建筑物拆除、場(chǎng)地平整和人工復(fù)綠。圖7所示礦山建筑于2020年開始修復(fù)，8月份完成建筑物拆除，圖斑色調(diào)以土黃色為主，場(chǎng)內(nèi)廢土堆散亂隨意堆積；3個(gè)月后完成場(chǎng)地平整，紋理結(jié)構(gòu)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(qū)生態(tài)環(huán)境得到有效改善。

（2）綜合整治。工業(yè)廣場(chǎng)是為分選、運(yùn)送、裝儲(chǔ)和外運(yùn)各種礦石提供的場(chǎng)地，場(chǎng)內(nèi)除作業(yè)設(shè)備外，還有少量建筑物、煤矸石堆分布，其色調(diào)雜亂，影紋結(jié)構(gòu)粗糙，形狀不規(guī)則，與背景地物有明顯的差異，且規(guī)模較大，在影像上容易識(shí)別。礦區(qū)共解譯出4處工業(yè)廣場(chǎng)，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(yè)廣場(chǎng)仍在作業(yè)，后逐漸廢棄，場(chǎng)內(nèi)遺留大量作業(yè)設(shè)備和煤矸石堆，造成土地資源的浪費(fèi)和污染。自2020年開始廢棄工業(yè)廣場(chǎng)的修復(fù)，其過程分為建（構(gòu)）筑物拆除、場(chǎng)地平整和人工復(fù)綠三步。由圖8可見，8月完成了場(chǎng)地內(nèi)所有建（構(gòu)）筑物的拆除、礦渣的清除，11月完成場(chǎng)地的平整和覆土，修整已有道路。2021年6月，圖斑色調(diào)已由原來的灰黑色變成綠色，場(chǎng)地內(nèi)逐漸恢復(fù)生機(jī)，生態(tài)環(huán)境得以改善和美化。

4 結(jié)論

（1）利用2014～2022年12期國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像和3期無人機(jī)影像，采用目視解譯的方法進(jìn)行譚家山煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)圖斑的提取。礦區(qū)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(chǎng)4處，受損耕地8處礦山建筑2處，廢棄工業(yè)廣場(chǎng)4處，修復(fù)面積約95 hm2。

（2）分析多期影像可知，譚家山礦區(qū)修復(fù)始于2020年，修復(fù)內(nèi)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(fù)工程涉及疏浚、護(hù)砌、平整覆土、拆除建筑物、人工復(fù)綠等，兩年之后基本實(shí)現(xiàn)水系聯(lián)通與恢復(fù)、裸露山體復(fù)綠、土地資源恢復(fù)提質(zhì)，有效地改善了當(dāng)?shù)厝司由鷳B(tài)環(huán)境。

（3）采用多源、長時(shí)序遙感影像分析礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理前后的變化情況，成果客觀、準(zhǔn)確，可為礦區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供參考。

致謝：本研究所用衛(wèi)星影像原始數(shù)據(jù)來源于湖南省第二測(cè)繪院衛(wèi)星云遙平臺(tái)，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)/References

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