遥感技术在矿区生态环境中的应用与发展

杨 敏,蔡宗明,聂兴信,张 鑫

(西安建筑科技大学 资源工程学院,陕西 西安 710055)

0 引言

煤炭、铁矿、稀土矿等矿产资源的持续大规模开发为中国经济社会的高速发展提供重要的能源与物质条件,然而持续剧烈的矿产资源开采活动在矿区一定范围内引发了地表沉降、土地破坏、植被退化、土壤质量下降、水质污染、大气污染等一系列的生态环境问题[1-2],引起社会各界的广泛重视。在此背景下,未来的矿业开发活动越来越需要兼顾资源开采与生态环境保护治理,而对矿区生态环境的科学监测是保护与治理的前提条件[3]。

矿山生态环境监测可以分为3个层次,即传统监测、遥感监测和综合监测。传统监测主要使用人工采样、分析和统计等方法,虽然方法简单,但容易受到人为因素干扰,在数据处理和分析过程中也容易出现误差。遥感监测是利用遥感技术对矿山生态环境进行高效、精确的监测。综合监测是将传统监测和遥感监测相结合,形成全面的环境监测方案。

在现有的矿山生态环境监测手段中,遥感技术的应用越来越普遍。矿山状况、土地利用、农田覆盖度、植被生长、水土流失等环境信息都可以通过遥感影像获取。同时,根据影像反演模型对影像数据进行处理,可以得到更为精确的环境参数信息,如土地利用类型、土壤水分、降雨量、温度等。利用遥感技术进行矿山生态环境监测,可以快速、非侵入性地获取反映矿山生态环境的多维信息,从而为矿山生态环境的管理和保护提供有效的依据。遥感技术在生态环境监测方面具有时效性好、监测范围广、数据获取速度快等优势[4],因此通过遥感监测技术手段获得矿区各类参数的时空分布特征,已经成为矿区研究的重要技术手段。结合多时相遥感影像数据,还可以对该区域内未来的环境发展趋势进行预测,同时还可以为当地政府部门对矿区的管理、规划和决策提供相关数据和技术支持,这些对社会的政治、经济发展和自然环境的演变都有重要意义[5]。

1 遥感技术的原理以及发展现状

1.1 原理

遥感是一种通过遥距方式获取地球表面信息的技术。它利用各种传感器(如卫星、飞机上的相机等)捕获可见光、红外线、雷达等电磁波谱段的信息[6],并将这些数据转换为数字图像、地图等形式,以便进行分析和解释。具有探测范围广采集数据快、能动态反映地面事物的变化、获取的数据具有综合性等特点,如图1所示。

图1 遥感原理示意Fig.1 Diagram of remote sensing principle

1.2 发展现状

遥感技术是从20世纪60年代开始发展的,经过几十年的发展,已经成为现代地球观测和信息获取的重要手段,其发展可以分为以下几个阶段。

起始阶段(1960—1970年):遥感技术刚刚起步,主要应用于军事领域,主要以黑白摄影为主。遥感技术自20世纪70年代应用以来持续积累了数十年的全球地表观测数据,时间分辨率和空间分辨率不断提升,成为矿区生态环境监测的重要手段。1972年美国发射了第一颗具有业务性质的“地球资源技术卫星”(后更名为“陆地卫星”),开启了常态化遥感对地观测的先河[7]。随后许多国家开始效仿和跟进。遥感,特别是卫星遥感,形成了百花齐放的繁荣局面[8]。

数字化阶段(1980—1990年):遥感技术开始数字化,遥感数据也开始数字化存储和处理。卫星遥感技术得到了快速发展,多普勒雷达遥感技术、激光雷达遥感技术等新技术也开始应用[9]。中国政府也特别重视遥感科技的发展,尤其是20世纪80年代以后,中国航天遥感事业取得长足进步,风云气象卫星(1988年以来)、资源系列卫星(1999年以来)、环境减灾系列卫星(2008年以来)、高分系列卫星(2013年以来)、碳卫星(2016年)等重要遥感卫星的成功发射,使中国也跻身于世界遥感科技的前列。为矿区生态环境定量遥感监测带来新的机遇[10]。从数据角度来说,新的卫星和传感器不断发射,持续提供新的遥感数据源。形成空间全覆盖、全天候、全天时的高分辨率对地观测系统[11]。吉林一号系列、高景系列、珠海一号、五米光学星等卫星数据不断进行助力。

综合化阶段(2000—2010年):遥感技术开始与地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、无人机等技术相结合,形成了遥感与地理信息集成系统[12]。这个阶段也是遥感数据应用广泛的时期。

大数据阶段(2010年代至今):随着遥感技术的不断发展,遥感数据的数量也急剧增加。这个阶段,遥感技术开始与人工智能、云计算等技术结合,形成了遥感大数据分析和应用平台。从算法角度来说,新传感器、新数据正在引发新一轮的模型和算法革新,而深度学习的迅速崛起更为遥感影像的解译与反演开辟了新的思路,多传感器组合和模型算法的不断完善使得定量遥感的应用能力得到了进一步提升。在这些遥感新数据、新技术、新平台的支持下,国内外矿区生态环境定量遥感监测得到了进一步的发展,涌现出了一系列的优秀成果。

2 遥感技术在矿山生态环境监测中的应用

遥感技术在矿山生态环境监测中具有广泛的应用。通过遥感图像的解译和分析,可以提取矿山生态环境监测中所需要的多种信息,例如矿山的植被覆盖、水文地形、土地破坏情况等。这些信息可以帮助环境保护部门和矿山企业监测矿区生态环境的变化,对矿区周边环境的影响进行评估。

以中国知网为数据源,对2000—2023年期间发表的相关文献数量进行变化分析,如图2所示,显示遥感在生态环境中的应用越来越广泛。

图2 遥感在生态环境中的应用Fig.2 Application of remote sensing in ecological environment

2.1 矿山开发与土地利用

矿山的开发必然要伴随土地利用方式的改变,因此,如何对矿山开发过程中的土地利用进行准确监测,成为了研究的重点。利用遥感技术可以有效地获取到土地利用类型、土地覆盖度、森林覆盖度和土地景观类型等信息[13]。同时利用高分辨率遥感影像数据进行土地利用类型分类和变化检测,能够准确反映矿山开发对土地的影响,从而更好地指导矿山开发管理。

2.2 矿山植被覆盖监测

矿山环境中植被的覆盖情况是反映矿山生态环境的重要指标之一,对于植被覆盖信息的获取和监测,遥感技术无疑是最为有效和便捷的手段。通过遥感影像数据的分类和分析,可以获取到植被覆盖度、植被生长情况、植被造林面积等信息[14],并能够对矿山生态恢复过程中的植被覆盖变化进行跟踪和评估。此外,通过植被指数反演模型,还可以获取到更多与植被生长密切相关的参数,如植被叶面积指数、光合有效辐射等,进而推断出植被的生长和生态环境的变化情况。

2.3 矿山地质水文环境监测

矿山地质水文环境监测是对地下水、地表水、土壤水分等方面进行监测。利用遥感技术,可以获取矿山区域的水体信息、地表覆盖类型、土壤水分含量等参数[15]。此外,也可以通过遥感技术反演模型推算矿山内部水文系统变化、水资源的利用情况、水文循环变化、水分输送与蒸发的过程等,为水资源管理和保护提供参考。

2.4 矿山环境污染监测

矿山生态环境中常常会出现大气污染、水体污染等问题,这些污染问题对生态环境的影响非常大。利用遥感技术可获取矿山区域的大气污染信息、水体污染信息等环境信息,并利用反演模型对数据进行处理,能够为环境治理部门提供有效的污染监测数据[16]。此外,也可通过遥感技术与大气流模型联合,对矿山空气污染的传输规律进行研究,从而提出有效治理措施。

3 遥感技术在矿山生态环境监测中的发展方向

随着遥感技术的不断发展,目前已经涌现出一些新的技术和手段,如高光谱遥感、LiDAR技术[17]、机载遥感、超低空遥感等。这些技术手段的应用对于矿山生态环境监测和保护具有非常重要的意义。

3.1 高光谱遥感技术

高光谱遥感技术在矿山生态环境监测中具有重要地位。高光谱遥感可以提供高精度、高信息量的多光谱影像,利用它可获取矿山生态环境中更加详细、准确的信息[18]。例如,可通过高光谱遥感监测土壤重金属含量、植被的冠层密度、光学化学计量等。高光谱遥感技术不仅能够提供更加精准的数据,同时可以对多元化的矿山生态环境信息进行深入研究,为矿山生态环境的保护提供可靠数据支撑。

3.2 LiDAR技术

LiDAR技术也是一项有望应用于矿山生态环境监测的前沿技术。该技术可以获取植被高度、数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)[19]等三维信息。与传统的测绘方法相比,LiDAR技术极大地提高了数据的精度和效率。同时,该技术也具有非常高的空间分辨率,可以提供更加详细的地形信息,进而对矿山生态环境进行更加全面和准确的监测和分析。此外,通过LiDAR技术的应用,可以实现矿山生态环境的立体化管理和矿山复绿过程的精细化调控。

3.3 机载遥感技术

机载遥感技术是指通过航空或者卫星等载体,采集高光谱和多光谱图像、LiDAR三维影像等数据[20]。在遥感技术中,机载遥感技术拥有较高的空间分辨率和时间分辨率,可以快速、大规模地获取环境信息。因此,在矿山生态环境监测中,机载遥感技术在空间分辨率方面具有明显的优势,能够研究更小尺度的生态环境问题,并对矿山生态环境的演变和风险进行快速、高效的监控。

3.4 超低空遥感技术

超低空遥感技术是指利用无人机等设备在非常低的高度上进行遥感图像的采集和处理。该技术在矿山生态环境监测中可应用于精细化验收和高精度矿山环境监测。在低高度下进行遥感监测时,相机可以以更大的视场范围和更高的分辨率完成图像采集和分析,不仅可以获取更加细节化的信息,同时也可以极大地提升效率和准确度。超低空遥感技术应用于矿山生态环境监测中,将有望提高矿山环境数据质量,推动矿山环境保护和调控水平进一步升级。

4 结语

在矿山生态环境管理中,遥感技术的应用已经成为必不可少的一项手段。遥感技术可以获得大量的环境信息数据,为矿山环境管理部门提供更加全面、详尽和可靠的数据基础。未来,随着新技术的不断涌现和遥感技术的不断优化,遥感技术在矿山生态环境监测和保护中的应用将更加广泛和深入,可为矿山生态环境保护和可持续发展提供更加强有力的支持。同时,为了更好地发挥遥感技术在矿山环境监测中的作用,还需在以下方面加强与完善。

(1)开发遥感数据处理和分析技术,对遥感数据进行精度和有效性的检验,提高数据的可靠性和精度。

(2)完善遥感技术应用于矿山生态环境监测的标准和规范,建立科学、规范、完备的数据管理和应用平台,确保监测数据的可靠性和准确性。

(3)将遥感技术与其他技术相结合,构建多元化的矿山生态环境监测体系,以实现矿山生态环境的全面监测和精细化管理。

(4)加强数据交流与共享,建立开放式的矿山生态环境监测系统,实现数据的归一化和共享,提高信息资源利用效率。