吉林一號(hào)星座數(shù)據(jù)在內(nèi)蒙古黃崗梁礦區(qū)生態(tài)修復(fù)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

文 | 趙宇恒 王春月 劉思言 徐貴貴 秦磊 于海洋 付璐

長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司

一、前言

傳統(tǒng)的監(jiān)督方式以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主，由于礦區(qū)分布廣泛，多在險(xiǎn)遠(yuǎn)山區(qū)，對(duì)巡護(hù)工作造成了較大困難，消耗了大量人力和物力。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，礦山監(jiān)測(cè)有了跨時(shí)代的進(jìn)步。目前已有很多工作者基于遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究工作[3-7]。然而現(xiàn)階段遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要為美國(guó)陸地衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)和歐洲哨兵衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)雖然具有多光譜信息，但是空間分辨率較低，很容易受到混合像元因素的影響，導(dǎo)致結(jié)果存在一定誤差。隨著商業(yè)遙感衛(wèi)星的不斷建設(shè)，衛(wèi)星技術(shù)蓬勃發(fā)展，尤其是吉林一號(hào)衛(wèi)星星座，憑借其高空間分辨率、多光譜觀測(cè)能力的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)各領(lǐng)域遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)中。

本文基于前人研究基礎(chǔ)，利用亞米級(jí)吉林一號(hào)星座數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)蒙古黃崗梁礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)基于吉林一號(hào)星座，多光譜數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)近三年植被覆蓋情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用以評(píng)估監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)礦山對(duì)植被的破壞程度，為礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)和精度保障。

二、監(jiān)測(cè)區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1．監(jiān)測(cè)區(qū)介紹

內(nèi)蒙古黃崗梁礦區(qū)位于黃崗梁國(guó)家森林公園內(nèi)。黃崗梁國(guó)家森林公園成立于1996 年8 月，位于內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗東北部，公園總規(guī)劃面積180 萬平方米。《森林公園管理辦法》明確規(guī)定，禁止在森林公園毀林開荒和森林采石、采砂、采土以及其他毀林行為。但是，個(gè)別企業(yè)在黃崗梁國(guó)家森林公園內(nèi)長(zhǎng)期違規(guī)開采，大量尾礦和廢石露天堆放，未采取防雨、防揚(yáng)塵和防流失措施，污染較為突出。礦區(qū)四周隨意堆放廢石，未對(duì)礦區(qū)多處廢石場(chǎng)開展生態(tài)修復(fù)治理，廢石長(zhǎng)期侵占土地，露天堆放，破壞植被，嚴(yán)重破壞了森林公園內(nèi)部生態(tài)景觀。

2．?dāng)?shù)據(jù)源介紹

吉林一號(hào)星座是長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司在建的核心工程，工程擬計(jì)劃由138 顆涵蓋高分、寬幅和視頻等系列的高性能光學(xué)遙感衛(wèi)星組成。目前，吉林一號(hào)在軌衛(wèi)星數(shù)量108 顆，建成了目前全球最大的亞米級(jí)商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，可對(duì)全球任意地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)每天35 ～37 次重訪，具備全球一年覆蓋3 次、全國(guó)一年覆蓋9 次的能力。吉林一號(hào)高重訪、分辨率高、幅寬大等優(yōu)勢(shì)可以為礦山開采生態(tài)監(jiān)測(cè)提供更加豐富的遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務(wù)。本文使用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為吉林一號(hào)星座亞米級(jí)空間分辨率的寬幅01A 星數(shù)據(jù)和吉林一號(hào)星座光譜星數(shù)據(jù)。

吉林一號(hào)寬幅01A 星于2020 年1 月15 日發(fā)射，該星空間分辨率為0.75m，幅寬136km，具有高空間分辨率、大幅寬的優(yōu)勢(shì)。該數(shù)據(jù)能夠豐富表達(dá)出地物信息，顯著提升礦區(qū)地物的解譯精度。

吉林一號(hào)光譜星包含光譜01 星和光譜02 星，于2019 年1 月以“一箭雙星”的形式發(fā)射，攜帶了多光譜成像儀、短波紅外相機(jī)、中波紅外相機(jī)、長(zhǎng)波紅外相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)5m 分辨率、110km 幅寬、26 譜段的遙感數(shù)據(jù)獲取[8]。高空間分辨率多光譜的優(yōu)勢(shì)使其在礦區(qū)植被覆蓋度監(jiān)測(cè)中具有較重要的應(yīng)用價(jià)值。

三、監(jiān)測(cè)工作流程與方法

1．技術(shù)路線

礦區(qū)邊界提取工作中，由于礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地物信息混亂，具有一定的監(jiān)測(cè)難度。目前雖然有較多優(yōu)秀的礦區(qū)提取算法，但其邊界提取效果依然存在較大偏差?？紤]礦區(qū)邊界分析研究中對(duì)邊界的精準(zhǔn)性要求較高，因此本文在局部地區(qū)礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)面積分析工作中采用人機(jī)交互的解譯方式進(jìn)行邊界提取。技術(shù)路線如圖1 所示。

受到雙冷源新風(fēng)機(jī)組安裝位置的限制，無法安裝制冷系統(tǒng)室外機(jī)，只能考慮將排風(fēng)作為制冷系統(tǒng)的排熱源，而受到房間正壓控制的需要，排風(fēng)量只有新風(fēng)量的80%左右，排風(fēng)不能完全帶走制冷系統(tǒng)的冷凝熱。因此考慮采用蒸發(fā)冷卻的方式，在排風(fēng)量一定的情況下利用水蒸發(fā)吸熱的特性加大排風(fēng)帶走的熱量，滿足機(jī)組制冷系統(tǒng)的需求。同時(shí)利用機(jī)組除濕過程中產(chǎn)生的冷凝水，利用提升泵送至蒸發(fā)冷卻器的補(bǔ)水箱，減少蒸發(fā)冷卻器的水的補(bǔ)充量。

圖1 礦區(qū)生態(tài)修復(fù)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)路線圖

礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作主要表現(xiàn)在地物變化、地表地形地貌變化以及礦區(qū)植被變化。因此本文以采礦區(qū)內(nèi)部礦坑、礦石堆以及尾礦庫(kù)的變化情況作為生態(tài)修復(fù)工作開展的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以植被覆蓋度作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)進(jìn)展工作的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其流程如下：

1）首先基于吉林一號(hào)星座寬幅星高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)礦區(qū)進(jìn)行提?。?/p>

2）利用提取到的礦區(qū)邊界對(duì)高空間分辨率和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪；

3）創(chuàng)建礦區(qū)地物解譯標(biāo)志，對(duì)礦區(qū)內(nèi)部尾礦庫(kù)、礦坑、礦石堆等地物進(jìn)行提??；

4）利用吉林一號(hào)星座光譜星數(shù)據(jù)對(duì)礦區(qū)多年植被覆蓋度進(jìn)行分析；

5）最后基于礦區(qū)地物變化及植被覆蓋度變化情況對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2．礦山地表解譯標(biāo)志

現(xiàn)階段基于高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行礦區(qū)地物解譯工作已十分成熟，文章基于前人大量研究成果，建立礦區(qū)主要監(jiān)測(cè)對(duì)象的解譯標(biāo)志[9-10]。解譯標(biāo)志及樣例展示如圖2 所示。

圖2 礦區(qū)地物解譯標(biāo)志

3．植被覆蓋度分析

植被覆蓋度即植被的葉、莖、枝等在地面垂直投影面積占研究區(qū)總面積的百分比，是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)之一，也是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化具有重要指示作用。植被覆蓋度基于可見光紅波段和近紅外波段，利用歸一化植被指數(shù)和像元二分模型進(jìn)行植被狀況監(jiān)測(cè)[11]。

植被覆蓋度反演結(jié)果可依據(jù)各像元植被覆蓋度數(shù)值進(jìn)行植被覆蓋等級(jí)劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 植被覆蓋度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

四、遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用結(jié)果分析

1．礦區(qū)生態(tài)治理活動(dòng)監(jiān)測(cè)

基于吉林一號(hào)星座寬幅星亞米級(jí)空間分辨率可見光遙感數(shù)據(jù)，對(duì)2019—2022 年礦區(qū)范圍內(nèi)的開采區(qū)、礦山建筑區(qū)、礦石堆放區(qū)、尾礦庫(kù)、中轉(zhuǎn)場(chǎng)等目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)各目標(biāo)變化情況進(jìn)行分析。

通過高空間分辨率吉林一號(hào)衛(wèi)星影像，發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)部礦石堆共計(jì)6 處，尾礦庫(kù)6 處，采區(qū)7 處。各區(qū)域隨時(shí)間變化情況如下：

1）其中礦石堆占地面積37961m2，最大礦堆占地面積1603m2，最小礦堆占地面積460m2。影像中顯示，2021 年4 月19 日6 處礦堆均處于露天堆放狀態(tài)，無防塵防雨遮蓋措施，并且長(zhǎng)期占地，沒有及時(shí)得到清理，督查組報(bào)道過后，6 處礦堆均進(jìn)行了整改。圖3 為黃崗梁鐵礦區(qū)內(nèi)占地面積最大的礦堆隨時(shí)間變化情況監(jiān)測(cè)圖。在督查組報(bào)到前，該礦堆一直處于無防雨、防塵、防流失的露天堆放狀態(tài)，2022 年4 月28 日影像中看到督查組報(bào)道后礦區(qū)立即進(jìn)行了整治措施，2022 年6 月1 日完成礦堆清理工作，并已開展土地生態(tài)修復(fù)工作。

2）黃崗梁礦區(qū)內(nèi)，6 處尾礦庫(kù)占地面積1.74×106m2，根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)圖像可見各尾礦庫(kù)隨時(shí)間變化情況。編號(hào)1、2 區(qū)域尾礦庫(kù)特征明顯變化，有明顯治理痕跡：2022 年6 月1 日影像顯示，1 號(hào)尾礦庫(kù)進(jìn)行土地復(fù)墾工作，對(duì)原尾礦區(qū)進(jìn)行土地翻新用于后續(xù)生態(tài)植被恢復(fù)工作（圖4），2 號(hào)礦區(qū)大量施工車輛進(jìn)行礦堆清理（圖5）。其余尾礦庫(kù)以儲(chǔ)水坑塘形式存在，沒有明顯的變化痕跡，其中4 號(hào)尾礦庫(kù)坑塘有向東北擴(kuò)張趨勢(shì)。

圖3 礦石堆變化情況

圖5 2 號(hào)尾礦庫(kù)變化情況

3）截至2022 年4 月，黃崗梁國(guó)家森林公園內(nèi)共分布7 處露天采區(qū)，總占地面積為8.5×105m2，根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)圖像可見各采區(qū)隨時(shí)間變化情況。其中7 號(hào)采區(qū)已完成回填和土地復(fù)墾工作，目前處于植被恢復(fù)階段。1—6 號(hào)采區(qū)為長(zhǎng)期開采遺留的礦坑區(qū)域，2022 年4 月28 日影像顯示，這些礦區(qū)未采取回填治理，由6月1 日影像中可看出，大部分礦坑均已經(jīng)完成回填工作（圖6），6 號(hào)礦坑治理速度較慢，并有開采跡象。

圖6 1 號(hào)采區(qū)變化情況

2．礦區(qū)植被覆蓋度監(jiān)測(cè)

為評(píng)估黃崗梁礦區(qū)周邊生態(tài)狀況，對(duì)礦區(qū)建立1000m 緩沖區(qū)，并基于2019 年、2021 年以及2022 年6 月的吉林一號(hào)星座多光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)緩沖區(qū)范圍內(nèi)植被覆蓋情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。各年植被覆蓋度分級(jí)如圖7 所示。圖中紅色區(qū)域表示裸土區(qū)域、綠色區(qū)域表示高植被覆蓋區(qū)域。

圖7 黃崗梁礦區(qū)植被覆蓋度分級(jí)圖

由植被覆蓋度數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線（圖8）可知，2019—2022 年礦區(qū)植被覆蓋度均值由0.5 下降為0.3，標(biāo)準(zhǔn)差值基本維持在0.3，整個(gè)區(qū)域植被覆蓋度分布穩(wěn)定，但是整體呈現(xiàn)覆蓋度降低趨勢(shì)。

圖8 2019、2021、2022 年植被覆蓋度均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線

針對(duì)礦區(qū)植被覆蓋度均值逐年降低的現(xiàn)象，對(duì)各等級(jí)植被覆蓋度區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2 所示。

表2 各年份植被覆蓋度面積變化情況km2

從表中數(shù)據(jù)可知，2022 年裸土區(qū)域、低植被覆蓋區(qū)域以及高植被覆蓋區(qū)域面積數(shù)值較2019 年變動(dòng)較大：裸土面增長(zhǎng)8.25km2；低植被覆蓋區(qū)域減少2.77km2；高植被覆蓋區(qū)域減少4.46km2。中植被覆蓋區(qū)域面積變化相對(duì)較小，較2019 年減少1.02km2。2019—2022 年礦區(qū)周邊植被覆蓋情況呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，裸土面積不斷上漲，主要因素包含以下兩點(diǎn)：1）礦區(qū)長(zhǎng)期暴露，無防護(hù)措施，導(dǎo)致周邊水土持續(xù)流失。土壤營(yíng)養(yǎng)成分遭到破壞，土壤荒漠化嚴(yán)重，進(jìn)一步阻礙了植被恢復(fù)。2）2022年6 月礦區(qū)治理工作力度加大，大量的施工車輛和設(shè)施用于礦區(qū)回填治理工作中，勢(shì)必對(duì)草原造成一定程度破壞，也會(huì)造成礦區(qū)周邊植被覆蓋情況變差。

五、結(jié)論與展望

本文基于三期吉林一號(hào)星座寬幅01 星和光譜星遙感影像對(duì)黃崗梁公園內(nèi)部歷史遺留礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明，具有高空間分辨率、多光譜信息的吉林一號(hào)星座數(shù)據(jù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)分析應(yīng)用服務(wù)中有較大優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)榈V區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)保障和分析依據(jù)。

吉林一號(hào)星座憑借高空間分辨率、多光譜、大幅寬以及高重訪次數(shù)等優(yōu)勢(shì)，為礦區(qū)生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)領(lǐng)域提供了更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障，但由于礦區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，目前礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)還需要人工介入，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)智能解譯算法建設(shè)。此外為滿足各地方監(jiān)管需求，會(huì)加強(qiáng)智能監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)，提升礦區(qū)生態(tài)修復(fù)監(jiān)管的智能化和便捷度。