李聰聰，王 佟，王 輝，胡智峰，江曉光，梁振新 ，王偉超，杜 斌

(1.中國煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，陜西 西安 710199; 2.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038; 3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 4.青海煤炭地質(zhì)局，青海 西寧 810007; 5.中國煤炭地質(zhì)總局 勘查研究總院，北京 100039)

黃河流域是我國的能源流域，也是我國重要的生態(tài)屏障[1]。青海省木里煤田地處黃河重要支流大通河的源頭，是黃河上游重要的水源涵養(yǎng)地，同時(shí)又是我國西北地區(qū)主要的優(yōu)質(zhì)煉焦用煤產(chǎn)地，在黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展中具有重要意義。我國的資源稟賦特征決定了煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍占據(jù)主要地位，煤炭資源開發(fā)易造成一系列的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題，如何統(tǒng)籌保障國家能源供給和礦山生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是綠水青山建設(shè)中面臨的主要挑戰(zhàn)，煤炭地質(zhì)勘查向資源保障和環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè)相結(jié)合的生態(tài)地質(zhì)勘查轉(zhuǎn)變是必然趨勢(shì)[2]，礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理是解決煤礦山地質(zhì)環(huán)境問題的主要途徑。隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取、雷達(dá)遙感技術(shù)、低空無人機(jī)及信息化技術(shù)的發(fā)展，極大地豐富了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)和方法。我國學(xué)者運(yùn)用遙感技術(shù)在礦區(qū)土地退化[3-4]、礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)[5-8]、復(fù)墾復(fù)綠評(píng)估[9-12]等方面做了大量的研究，特別是無人機(jī)搭載不同性能的傳感器在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用趨于廣泛，在基礎(chǔ)測(cè)量、三維模擬和監(jiān)測(cè)管護(hù)等方面體現(xiàn)了高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)[13-16]。

青海省木里煤田處于青藏高原典型的生態(tài)脆弱區(qū)[17]，具有不穩(wěn)定性、敏感性、易變性等特征，對(duì)全球氣候變化和人類干預(yù)響應(yīng)十分敏感，屬于我國煤炭生態(tài)地質(zhì)恢復(fù)治理類型八大分區(qū)中的高原高寒區(qū)，是生態(tài)環(huán)境修復(fù)和資源保護(hù)的難點(diǎn)地區(qū)[18]。國內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)木里煤田的生態(tài)環(huán)境背景[19-20]、修復(fù)治理技術(shù)[18,21-24]等進(jìn)行了研究，并應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)在土地覆被及景觀格局變化[25-26]、荒漠化[27]、地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)[28]等礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)方面做了有益的探索，同時(shí)基于GIS與 RS 技術(shù)手段，對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行初步評(píng)價(jià)[29-30]。通過監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)了該區(qū)礦山環(huán)境質(zhì)量、植被覆蓋時(shí)空變化和土地利用動(dòng)態(tài)變化和水土保持生態(tài)特征，從不同的方面反映了20余年來木里煤田開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理工程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。綜合而言，前人對(duì)木里煤田的礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)主要集中于礦山開采前期和開采中的生態(tài)環(huán)境背景監(jiān)測(cè)，針對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理全過程的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究較少，且尚未形成系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系，有必要結(jié)合礦山環(huán)境修復(fù)治理的實(shí)踐，針對(duì)監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2020年8月青海省啟動(dòng)了《木里地區(qū)以及祁連山南麓青海片區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治三年行動(dòng)》，其中聚乎更礦區(qū)是木里地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治工作的重點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)處于黃河上游生態(tài)脆弱區(qū)，較之黃河流域中下游其他地區(qū)面臨更加復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境因素，涉及學(xué)科問題多，修復(fù)治理難度大，是我國高原高寒地區(qū)煤炭資源開發(fā)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的科學(xué)難題。經(jīng)多年的露天開采，出現(xiàn)天然草甸損毀、水系濕地與凍土層破壞和邊坡不穩(wěn)定等一系列問題，對(duì)礦區(qū)原生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的擾動(dòng)和破壞，影響了區(qū)域生態(tài)安全屏障、水源涵養(yǎng)能力和土壤保持及生物多樣性保護(hù)功能。目前礦區(qū)修復(fù)治理中面臨生態(tài)環(huán)境問題分布特征不清、生態(tài)環(huán)境影響機(jī)理不明，缺乏系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系等問題，不利于聚焦具體的生態(tài)環(huán)境問題開展專項(xiàng)修復(fù)，影響礦區(qū)環(huán)境修復(fù)治理工作的安全高效開展。有必要針對(duì)不同的生態(tài)環(huán)境問題開展系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，開展專項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究，建立綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的高效修復(fù)提供保障。

基于聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理實(shí)踐，綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感和信息化等技術(shù)，充分發(fā)揮InSAR、熱紅外和三維遙感的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等手段，因地制宜，建立了聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理監(jiān)測(cè)模式，在礦山環(huán)境綜合整治工程中得到了充分的應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，從遙感監(jiān)測(cè)的角度探索了高原高寒地區(qū)煤礦山環(huán)境修復(fù)治理的技術(shù)方法，隨著修復(fù)治理工程的開展和技術(shù)研究的不斷深入，監(jiān)測(cè)技術(shù)方法和模式將進(jìn)一步完善，以期為黃河流域生態(tài)脆弱區(qū)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理提供借鑒。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)基本條件

木里煤田聚乎更礦區(qū)位于青藏高原東北部，屬青海省海西蒙古族藏族自治州天峻縣，地理位置為東經(jīng)99.05°～99.27°，北緯38.05°～38.27°，地處中祁連山高海拔地區(qū)，海拔3 800～4 200 m，以高原冰緣地貌類型為主。礦區(qū)植被類型分為高寒沼澤類和高寒草甸類，具有較明顯的高寒地區(qū)形態(tài)特征，植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，植被稀疏，對(duì)人類活動(dòng)的抗干擾力較弱。

聚乎更礦區(qū)為典型的高原大陸性氣候，屬于祁連山高寒山地多年凍土區(qū)，區(qū)內(nèi)凍土(巖)廣泛發(fā)育，多年凍土厚度40～160 m，平均厚度120 m，多年凍土層深度上限0.95～5.50 m。位于黃河重要支流大通河流域源頭區(qū)(圖1)，地表水系較發(fā)育，主干水系為大通河及其二級(jí)支流上哆嗦河和下哆嗦河，夏季季節(jié)性凍土融化，在地表形成泉流，多以下降泉的形式溢出，地表湖泊發(fā)育，以小湖泊為主，此外，區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育凍土融凍作用形成的小型熱融湖塘。

礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為一NW—SE向復(fù)式向斜，煤系呈南北2個(gè)條帶展布，北條帶為南翼局部倒轉(zhuǎn)的不對(duì)稱向斜構(gòu)造形態(tài)，南條帶為傾向南西的單斜構(gòu)造形態(tài)，深部逆斷層發(fā)育，煤層露頭淺部多發(fā)育小型平移正斷層。含煤地層為中侏羅統(tǒng)上部的江倉組和下部的木里組，基底為三疊系，上覆第四系松散堆積物薄，共含煤11層，主要開采煤層為下1、下2煤層，平均煤層厚度7～12 m，煤類以焦煤、1/2中黏煤及弱黏煤為主，主要作為煉(配)焦用煤，煤炭資源量超過17.5億t，礦區(qū)煤炭開采方式全部為露天開采，9個(gè)井田中已有6個(gè)井田開發(fā)。

1.2 生態(tài)環(huán)境問題

聚乎更礦區(qū)零星采煤始于20世紀(jì)70年代，自2003年起開始大規(guī)模勘查開發(fā)，曾因煤炭開發(fā)造成草原濕地生態(tài)破壞，引起輿論關(guān)注。2014年起，根據(jù)青海省政府要求，礦區(qū)停止了一切礦建工程和開采活動(dòng)，開展生態(tài)環(huán)境綜合整治工作，并取得了一定的治理效果，但由于治理區(qū)域面積大，治理任務(wù)重，加之自然環(huán)境氣候限制，雖經(jīng)整治生態(tài)功能有所提升，但生態(tài)修復(fù)治理尚未達(dá)到預(yù)期效果。木里煤田中目前已開發(fā)的3個(gè)區(qū)中，聚乎更礦區(qū)煤炭資源露天開采規(guī)模最大，共劃分為9個(gè)井田，除聚乎更一號(hào)井、二號(hào)井和六號(hào)井尚未開采之外，其余6個(gè)井田均已開采，在地表形成了規(guī)模不等的6個(gè)采坑和12座渣山，采坑總面積1 118.74萬m2，渣山總體積35 068.1萬m3。區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，易被破壞，且恢復(fù)難度大。礦山開發(fā)活動(dòng)最直觀的改變了自然地貌景觀、高寒沼澤草甸及原河流生態(tài)系統(tǒng)，影響周邊植物生長(zhǎng)，采坑-渣山-工業(yè)場(chǎng)地等工程景觀與周邊自然景觀不協(xié)調(diào)。

聚乎更礦區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問題為：地貌景觀破壞(含植被破壞)、土地?fù)p毀(土地沙化、凍土層破壞)、水系濕地破壞(天然濕地破壞、人工采坑積水)、不穩(wěn)定邊坡(凍融泥流、滑坡、崩塌)和殘煤高溫異常等5種類型(圖2)。因煤礦開采導(dǎo)致采坑-渣山-工業(yè)場(chǎng)地人工景觀的出現(xiàn)，礦區(qū)由原來的高寒草甸變?yōu)槁愕鼐坝^，景觀破碎程度增加，植被覆蓋度嚴(yán)重下降，且距離采坑越近，植被覆蓋度下降現(xiàn)象越明顯。礦區(qū)處于祁連山高寒山地多年凍土區(qū)，露天開采形成的采坑、渣山在對(duì)礦區(qū)原有土地造成損毀壓占的同時(shí)，還改變了原有的多年凍土層結(jié)構(gòu)、破壞原有的凍融平衡關(guān)系，同時(shí)采坑積水的熱融效應(yīng)，均造成多年凍土層的破壞。除采場(chǎng)、排渣場(chǎng)、工業(yè)場(chǎng)地等占地對(duì)濕地直接造成破壞外，多年凍土的完整性破壞，使地下水、地表水發(fā)生水力聯(lián)系，導(dǎo)致濕地退化，造成植被退化，水源流通能力和水源涵養(yǎng)功能下降。不穩(wěn)定邊坡主要位于采坑高陡邊坡和渣山四周，由于壓實(shí)處理不到位、排水設(shè)施不完善，加之區(qū)內(nèi)特有的凍脹融沉作用等原因，渣山局部出現(xiàn)蠕動(dòng)變形、滑塌、淋溶水浸出、不均勻沉降等，采坑邊坡較陡、坡體松散，在重力作用下坡體產(chǎn)生拉張裂縫，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，以四號(hào)井南渣山滑坡體規(guī)模最大，坡體總體積達(dá)3 650萬m3，且處于不斷滑動(dòng)中，直接影響礦山修復(fù)治理工程的安全開展。

圖2 聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題遙感解譯現(xiàn)狀Fig.2 Remote sensing interpretation status of ecological environment problems in Jvhugeng mining area

除上述普遍問題之外，露天開采遺留的煤炭資源在高原地區(qū)經(jīng)長(zhǎng)期的風(fēng)氧化易發(fā)生自燃，在五號(hào)井和八號(hào)井發(fā)現(xiàn)殘煤及渣山的高溫異常，對(duì)下一步修復(fù)治理工程造成不良影響。查清區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境問題是下一步修復(fù)治理工作的基礎(chǔ)，為修復(fù)治理方案設(shè)計(jì)和方法的選擇明確了方向。

2 監(jiān)測(cè)技術(shù)方法

聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題監(jiān)測(cè)技術(shù)方法主要以遙感手段為主，輔以常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等手段。其中衛(wèi)星遙感技術(shù)基于多平臺(tái)、多種類、多尺度的遙感數(shù)據(jù)，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境(地貌景觀、植被覆蓋度、地表沉降、不穩(wěn)定邊坡等)進(jìn)行中等比例尺度的調(diào)查和監(jiān)測(cè)。低空無人機(jī)遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺(tái)，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外等傳感器，對(duì)礦區(qū)修復(fù)治理工程進(jìn)行大比例尺高分辨率的監(jiān)測(cè)。

2.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法

衛(wèi)星遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了重要作用。其中多光譜衛(wèi)星遙感主要應(yīng)用于解決地貌景觀與植被覆蓋度變化、凍土演化等方面監(jiān)測(cè)的問題，雷達(dá)衛(wèi)星遙感主要用于地表形變監(jiān)測(cè)，掌握不穩(wěn)定邊坡變化速率，指導(dǎo)地形地貌修復(fù)治理工程的安全開展。同時(shí)還可以采用多光譜遙感如Landsat8 ETM[31],MODIS[32]等進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)含量評(píng)估，采用高光譜遙感進(jìn)行高寒草地牧草關(guān)鍵營養(yǎng)成分和重要生長(zhǎng)參數(shù)的估測(cè)[33-34]，為后續(xù)大范圍的土壤重構(gòu)和復(fù)綠工作提供決策支持。

2.1.1植被覆蓋度監(jiān)測(cè)方法

選取聚乎更礦區(qū)2001年7月landsat7影像數(shù)據(jù)，2013年8月、2017年8月和2020年7月的Landsat8影像數(shù)據(jù)，分別對(duì)不同時(shí)相影像進(jìn)行校正、融合處理，形成7波段多光譜影像。采用歸一化植被指數(shù)NDVI法，對(duì)區(qū)內(nèi)植被覆蓋程度和動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行調(diào)查評(píng)估，NDVI為植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，NDVI計(jì)算公式INDV=(RNI-Red)/(RNI+Red)，其中INDV為歸一化植被指數(shù)NDVI；Red為可見光紅色波段Red反射值；RNI為近紅外波段RNI反射值。在Landsat8影像數(shù)據(jù)中，Red為第4波段，NIR為第5波段，根據(jù)植被光譜信息，結(jié)合波段間的比值運(yùn)算，生成植被指數(shù)變化圖。

2.1.2凍土監(jiān)測(cè)方法

聚乎更礦區(qū)處于祁連山高寒山地多年凍土區(qū)，多年凍土層是區(qū)域生態(tài)功能的重要調(diào)節(jié)因素。凍土分布厚度與年平均陸地表面溫度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而年平均陸地表面溫度又與陸地表面溫度之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。因此，利用衛(wèi)星遙感熱紅外波段進(jìn)行溫度信息的反演是進(jìn)行凍土厚度計(jì)算的基礎(chǔ)。選取2018-11-28 Landsat8數(shù)據(jù)，在ENVI5.3軟件平臺(tái)上使用IDL編程功能，利用工作區(qū)30 m精度的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序編寫，完成了基于緯度、經(jīng)度和海拔高度模型的年平均陸地表面溫度提取工作。選取利用landsat8數(shù)據(jù)反演的陸地表面溫度與由DEM求得的對(duì)應(yīng)位置之間的年平均陸地表面溫度進(jìn)行擬合，在穩(wěn)定狀態(tài)下，多年凍土厚度Hf與年平均地表溫度Tε間的關(guān)系可近似表示為

Hf=-Tεq/λ+hq+h

其中，q為地中熱流,q=gλ,g為地溫梯度；λ為土的導(dǎo)熱系數(shù)；h為地溫年變化深度[35]。對(duì)勻質(zhì)地層，可認(rèn)為λ不變，多年凍土厚度只與年平均地表溫度、地溫梯度，地溫年變化深度有關(guān)。在自然條件下，因地表溫度受氣候、人為活動(dòng)等干擾因素的影響較大，遙感凍土厚度反演需要考慮的綜合因素較多，解釋結(jié)果不確定性較高，需要利用礦區(qū)以往煤田鉆孔資料對(duì)反演的凍土厚度進(jìn)行驗(yàn)證，該方法適用范圍較為局限。

2.1.3形變監(jiān)測(cè)方法

收集2017年10月至2020年4月73景Sentinel-1A衛(wèi)星升軌SAR影像，分辨率為5 m×20 m，數(shù)據(jù)時(shí)相間隔12 d，數(shù)據(jù)重訪周期較短，確保了干涉相位的相干性。DEM數(shù)據(jù)為AW3D DEM數(shù)據(jù)，格網(wǎng)間隔為30 m，精密軌道數(shù)據(jù)采用成像21 d之后發(fā)布的POD精密軌道數(shù)據(jù)，定位精度可以達(dá)到5 cm，然后進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，聯(lián)合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，其中距離向配準(zhǔn)采用強(qiáng)度互相關(guān)配準(zhǔn)方法，配準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.1個(gè)像元。采用基于光譜屬性的配準(zhǔn)方法，在方位向配準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.001個(gè)像元，滿足干涉的要求。對(duì)獲取的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上，采用小基線集(SBAS)技術(shù)手段，進(jìn)行時(shí)間序列干涉分析，干涉對(duì)時(shí)間基線閾值為120 d，空間基線閾值為200 m，共計(jì)組合210個(gè)干涉對(duì)。并選取線性形變速率模型進(jìn)行反演，依據(jù)形變信息提取，獲取礦區(qū)地面沉降速率和時(shí)序累計(jì)形變量等信息，結(jié)合野外調(diào)查驗(yàn)證對(duì)礦區(qū)沉降機(jī)理進(jìn)行分析，準(zhǔn)確反映礦區(qū)地表形變情況。

2.2 無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)方法

在聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理中，充分發(fā)揮無人機(jī)遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用正射飛行、傾斜攝影飛行和熱紅外飛行等手段，高效全面地解決了基礎(chǔ)地形測(cè)量、殘煤高溫異常區(qū)圈定、生態(tài)治理效果的可視化評(píng)價(jià)、工程監(jiān)管和方量計(jì)算等方面的問題，取得了良好的應(yīng)用效果，具有較好的推廣意義。

2.2.1基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)獲取方法

高精度的基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)是開展礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理的關(guān)鍵，相比常規(guī)的測(cè)繪，無人機(jī)航空攝影測(cè)量可快速高效地獲取礦區(qū)的現(xiàn)狀地形和高分辨率的遙感影像，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的診斷調(diào)查、治理方案設(shè)計(jì)等提供了詳細(xì)的資料。

聚乎更礦區(qū)治理工程無人機(jī)飛行測(cè)量經(jīng)航空線路設(shè)計(jì)、地面像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量、低空航攝成像等流程的控制，選取晴天無云的天氣，風(fēng)力4級(jí)以下，飛行高度550 m，航向重疊率設(shè)置為75%，旁向重疊率設(shè)置為60%，單景照片像元數(shù)為7 360×4 192，地面分辨率為0.08 m，滿足1∶1000航測(cè)精度要求。通過無人機(jī)飛行測(cè)量獲取原始地形數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和修正、利用GIS軟件生成地表高程模型(DSM)、正射影像(DOM)、和數(shù)字線劃圖(DLG)等基礎(chǔ)地形產(chǎn)品，上述數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映治理區(qū)的全貌，可作為治理工作的基礎(chǔ)底圖(圖3)。

圖3 聚乎更礦區(qū)基礎(chǔ)底圖Fig.3 Basic base map of Jvhu geng mining area

2.2.2三維立體可視化監(jiān)測(cè)方法

聚乎更礦區(qū)治理范圍大，因采礦造成的地形條件和施工條件復(fù)雜，常規(guī)的調(diào)查受地形條件限制大且效率低。在治理中利用無人機(jī)搭載5鏡頭相機(jī)可快速高效獲取治理區(qū)三維實(shí)景數(shù)據(jù)，經(jīng)空三加密、實(shí)景模型自動(dòng)生成、修飾與質(zhì)量檢查等處理，得到治理區(qū)三維實(shí)景模型，相比正射影像能全面真實(shí)反映治理區(qū)地形地貌現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維地表的重現(xiàn)。

通過三維實(shí)景模型可以反映讀取礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、水系、坡度和坡向、采坑和渣山分布等現(xiàn)狀，結(jié)合地質(zhì)資料，能夠?yàn)榈V山生態(tài)環(huán)境問題調(diào)查和工程治理設(shè)計(jì)等提供詳實(shí)的參考信息，可作為治理方案部署的關(guān)鍵參考，同時(shí)在治理工程中直觀展示礦山環(huán)境治理狀況和治理設(shè)計(jì)方案執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)恢復(fù)治理效果的精準(zhǔn)可視化評(píng)價(jià)(圖4)。

圖4 聚乎更五號(hào)井三維實(shí)景模型對(duì)比Fig.4 Comparison of 3D real scene models of Jvhugeng No.5 Well

2.2.3地表溫度異常監(jiān)測(cè)方法

利用大疆 M210多旋翼無人機(jī)搭載禪思 XT2 熱像儀，配備 RTK 同步記錄飛行參數(shù)，選取上午10點(diǎn)以前或者下午6點(diǎn)以后進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避開太陽直射的時(shí)間，飛行高度400 m，航向重疊率設(shè)置為75%，旁向重疊率設(shè)置為65%，單景照片像元數(shù)為640×512，地面分辨率為0.4 m。獲取地面現(xiàn)時(shí)的熱紅外影像，通過高分辨率的熱紅外影像進(jìn)行地表溫度的反演工作，精準(zhǔn)確定溫度異常分布區(qū)的范圍。同時(shí)，獲取工作區(qū)內(nèi)熱紅外影像同一POS點(diǎn)位置的真彩色相片，經(jīng)過Pix4D軟件生成礦區(qū)的正射影像圖，通過比對(duì)完成對(duì)反演的火區(qū)溫度及位置進(jìn)行查證。并結(jié)合同步地表測(cè)溫的標(biāo)定，能準(zhǔn)確地反映地面高溫異常區(qū)的溫度，利用圖像分割功能對(duì)溫度圖像進(jìn)行數(shù)值分割，把高溫區(qū)間以紅色顯示，把低溫區(qū)間以深綠到淺綠顯示[36]，形成地表溫度異常監(jiān)測(cè)圖。

2.2.4工程監(jiān)管和方量計(jì)算方法

傳統(tǒng)的施工方量計(jì)算主要是在常規(guī)測(cè)量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用方格網(wǎng)、三角網(wǎng)和斷面法等進(jìn)行計(jì)算，存在受地形影響大、作業(yè)效率低等缺點(diǎn)，聚乎更礦區(qū)修復(fù)治理工程方量計(jì)算采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，獲取治理前后的地形數(shù)據(jù)，通過GIS軟件分析，對(duì)變化前后的三維地形和影像數(shù)據(jù)疊加計(jì)算，根據(jù)點(diǎn)云網(wǎng)格模型差值區(qū)域的體積求得變化的工程量(圖5)。

圖5 工程方量GIS計(jì)算Fig.5 GIS calculation of fill and excavation amount of engineering construction

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度變化

露天開采導(dǎo)致原有高寒草甸植被破壞，渣山長(zhǎng)期堆積壓占草甸，導(dǎo)致礦區(qū)植被覆蓋度降低，出現(xiàn)植被退化現(xiàn)象?；贜DVI指數(shù)變化的分析(圖6)，結(jié)合高分辨率遙感影像解譯結(jié)果，2001，2013，2017，2020年木里礦區(qū)內(nèi)高寒草甸比例呈逐漸降低趨勢(shì)，2001年礦區(qū)大規(guī)模開采前，高寒草甸景觀為礦區(qū)的背景景觀，植被覆蓋度達(dá)77.43%，煤礦開采后，景觀發(fā)生了根本性改變，呈破碎化和斑塊狀分布。原來的高寒草甸和沼澤化草甸完整景觀被工業(yè)場(chǎng)地、排土場(chǎng)、露天剝采區(qū)、生活區(qū)和道路所分隔異化，形成以排土場(chǎng)、露天剝采區(qū)、生活區(qū)為區(qū)塊式的小區(qū)域異化景觀。2013年降為70.91%，因2014年之后實(shí)施了大規(guī)模的礦山恢復(fù)，植被重建后，礦區(qū)景觀發(fā)生重大變化，特別是排土場(chǎng)形成了獨(dú)特的階梯狀人工草地景觀，增加了礦區(qū)植被覆蓋度和景觀多樣化，植被覆蓋下降趨勢(shì)減緩，2017年植被覆蓋度變?yōu)?0.90%[37]，2020年8月植被覆蓋度降為70.88%，說明煤炭開采導(dǎo)致礦區(qū)植被覆蓋度整體下降，2014年之后雖實(shí)施了恢復(fù)治理，但高寒草地生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，破壞之后短期內(nèi)難以恢復(fù)。

圖6 聚乎更礦區(qū)植被指數(shù)變化Fig.6 Vegetation index changes o Jvhugeng mining area

3.2 凍土變化

本次凍土厚度反演結(jié)果多分布于45～90 m，在西南部海拔高度大于4 600 m時(shí)，可達(dá)120 m，這與前人的實(shí)測(cè)結(jié)果具有規(guī)律上的相似性[19,38-40]。凍土厚度反演結(jié)果與鉆孔揭露數(shù)據(jù)及周邊地區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)的永久性凍土厚度在50～136 m，主要分布于45～90 m。整體呈現(xiàn)出西部厚度大，東部厚度小的特征，礦山開發(fā)形成的采坑和渣山普遍造成局部地形的顯著變化，改變了原地形地貌，對(duì)凍土季節(jié)融化深度的影響更為明顯。目前因礦山開采對(duì)凍土造成的直接影響主要體現(xiàn)在采坑對(duì)多年凍土活動(dòng)層和多年凍土的直接性破壞、渣山對(duì)多年凍土的影響。雖然，礦山開采對(duì)凍土產(chǎn)生了顯著的影響，但基于該區(qū)處于高原高寒高海拔地區(qū)，凍土隨著時(shí)間的推移同時(shí)在形成新的平衡。

3.3 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

在聚乎更礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)中，InSAR技術(shù)使用效果好，快速獲取了礦區(qū)內(nèi)10余處形變區(qū)域，主要分布在排土場(chǎng)渣山處(圖7)，以a，b，c，d，e五處區(qū)域形變沉降量最大，其中a區(qū)位于四號(hào)井北部排土場(chǎng)，該區(qū)域在2017年10月至2020年4月最大形變速率為-342.3 mm/a(LOS方向)，累計(jì)形變量為-935.7 mm；b區(qū)位于四號(hào)井南側(cè)邊坡，該區(qū)域從2017年10月至2020年4月形變起伏大，但形變一直在持續(xù)，最大形變速率為-123.3 mm/a，累計(jì)形變?yōu)?398.7 mm；c區(qū)位于四號(hào)井東北側(cè)排土場(chǎng)，最大形變速率為-236.6 mm/a，累計(jì)形變?yōu)?626.4 mm；d區(qū)位于八號(hào)井北側(cè)一處排土場(chǎng)，該區(qū)域從2017年10月至2020年4月形變速率較大，隨后趨于平緩，最大形變速率為-269.2 mm/a，累計(jì)形變?yōu)?593.5 mm；e點(diǎn)位于五號(hào)井南排土場(chǎng)，2017年10月至2020年4月最大形變速率為-324.2 mm/a，累計(jì)形變?yōu)?894.6 mm。

圖7 聚乎更礦區(qū)InSAR形變監(jiān)測(cè)Fig.7 InSAR deformation monitoring in Jvhugeng mining area

聚乎更礦區(qū)地表形變InSAR形變結(jié)果顯示，四號(hào)井采坑周邊形變量最大，整個(gè)礦區(qū)內(nèi)以四號(hào)井南渣山發(fā)育區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的不穩(wěn)定斜坡，是生態(tài)修復(fù)面臨的難點(diǎn)。InSAR形變結(jié)果顯示在該不穩(wěn)定斜坡中部，無形變信號(hào)，主要是形變量過大而造成的失相干。為了精細(xì)化分析該不穩(wěn)定斜坡形變情況，選取周邊北部4-1、南部4-2和東部4-3三處形變區(qū)域，開展時(shí)間序列分析，3個(gè)區(qū)域2017年10月至2020年4月持續(xù)形變，最大形變速率分別為-108.4,-115.5和-143.4 mm/a，累計(jì)形變量依次為-325.2,-360.0和-469.2 mm。結(jié)合高密度電法和鉆探探測(cè)結(jié)果，該處不穩(wěn)定斜坡處于原下哆嗦河古河道位置，因采礦人為改變了古河道，因物理風(fēng)化作用和雨水沖刷產(chǎn)生裂隙，地表水下滲形成導(dǎo)水通道，沿渣體與原地表基巖接觸面形成滑移面，整體穩(wěn)定性較差(圖8)。

3.4 地表溫度異常監(jiān)測(cè)結(jié)果

礦區(qū)內(nèi)局部的煤層高溫異常對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成破壞，且不利于下一步生態(tài)修復(fù)治理和復(fù)綠工作開展。通過無人機(jī)熱紅外數(shù)據(jù)的分析，在聚乎更五號(hào)井北側(cè)渣山和八號(hào)井西部出現(xiàn)2處高溫異常區(qū)(圖9)，其中五號(hào)井北側(cè)高溫異常區(qū)面積2.6萬m2，見較多因高溫灼燒成的燒變巖，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫溫度一般在30～110 ℃，高溫異常中部溫度可高達(dá)222 ℃，八號(hào)井西部高溫異常區(qū)面積約0.45萬 m2，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得最高溫度達(dá)120 ℃，見紅色燒變巖，未見明火，但裂隙中有熱氣冒出，采用無人機(jī)熱紅外結(jié)合野外調(diào)查快速圈定了高溫異常區(qū)范圍，為下一步修復(fù)治理指明了靶區(qū)。

3.5 工程監(jiān)管與方量計(jì)算結(jié)果

聚乎更礦區(qū)地形地貌整治階段工程方量計(jì)算根據(jù)治理方案分為2種類型:① 以大規(guī)模填挖方為主的區(qū)域，如聚乎更三號(hào)、四號(hào)和五號(hào)井，采用首末兩期無人機(jī)三維模型數(shù)據(jù)相差求取工程量；② 以大面積表面清坡為主的區(qū)域，如聚乎更七號(hào)井、八號(hào)井和九號(hào)井，采用多期次變化累計(jì)的方法取得工程量。經(jīng)與實(shí)際工程量對(duì)比，采用無人機(jī)GIS分析方法獲取的工程量與實(shí)際測(cè)量的工程量誤差小于2%，測(cè)量精度一致性好，作業(yè)效率高，相比傳統(tǒng)的工程測(cè)量更能全面反映實(shí)際變化情況，高效解決了修復(fù)治理工程監(jiān)管與方量計(jì)算的問題。

4 綜合監(jiān)測(cè)模式

縱觀整個(gè)煤礦山生態(tài)修復(fù)治理的全過程，將聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理劃分為勘查設(shè)計(jì)、地形地貌整治、覆土復(fù)綠和后期管護(hù)4個(gè)階段，不同階段監(jiān)測(cè)的目標(biāo)和重點(diǎn)各有不同。

勘查設(shè)計(jì)階段主要是針對(duì)修復(fù)治理工程前生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的調(diào)查分析，查明區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和存在的主要問題，為修復(fù)治理工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。首先調(diào)查區(qū)內(nèi)因采礦造成的地質(zhì)災(zāi)害情況，確保下一步治理施工的安全，其次對(duì)區(qū)內(nèi)存在的其他地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行調(diào)查分析，初步查明區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，存在的生態(tài)環(huán)境問題即是下一步地形地貌整治階段的重點(diǎn)，本階段主要是針對(duì)修復(fù)治理的不同問題，有選擇的采用不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)。地形地貌整治階段，主要是對(duì)治理設(shè)計(jì)執(zhí)行情況、工程量和施工效果等進(jìn)行全程監(jiān)管，為精準(zhǔn)有序施工提供保障。覆土復(fù)綠階段，主要針對(duì)土壤重構(gòu)和種草復(fù)綠效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障復(fù)綠工作持續(xù)高效開展，后期管護(hù)階段主要針對(duì)修復(fù)完后的礦山治理工程，對(duì)其修復(fù)治理效果的穩(wěn)定性和持久性跟蹤監(jiān)管，綜合評(píng)估其生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)，并開展適應(yīng)性管理，確保生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到自我運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到自然修復(fù)的目的。

遵循“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的理念，基于聚乎更礦區(qū)存在的主要生態(tài)環(huán)境問題的研究，結(jié)合各采坑和渣山的穩(wěn)定程度的分析，制定“一坑一策”的治理方案，明確修復(fù)治理監(jiān)測(cè)的目標(biāo)和重點(diǎn)。利用衛(wèi)星遙感、低空無人機(jī)遙感和信息化相結(jié)合的技術(shù)，面向礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理全過程，構(gòu)建了空、天、地一體化探測(cè)監(jiān)測(cè)模式，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理和長(zhǎng)效持續(xù)監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供支持(圖10)。

圖10 聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理監(jiān)測(cè)模式Fig.10 Ecological environment restoration and management monitoring technology mode in Jvhugeng Mining Area

5 結(jié) 論

(1)通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，聚乎更礦區(qū)受煤炭露天開采的影響，地貌景觀破碎度增加，植被覆蓋度由2001年開采前的77.43%下降為2020年的70.88%；區(qū)內(nèi)凍土厚度主要為45～90 m，整體呈現(xiàn)出西部厚度大，東部厚度小的特征，礦山開采對(duì)凍土層造成直接破壞后，隨時(shí)間推移在局部地區(qū)逐漸形成新的平衡。

(2)采用InSAR技術(shù)獲取了十余處形變區(qū)域，主要分布在排土場(chǎng)渣山處，其中5處區(qū)域沉降量最大2017年10月至2020年4月最大形變速率為-342.3 mm/a，最大累計(jì)形變量為-935.7 mm；以四號(hào)井南渣山不穩(wěn)定邊坡規(guī)模最大，且處于不斷活動(dòng)中，坡體中部因形變量過大而造成的失相干，邊坡東部最大形變速率為-143.4 mm/a，最大累計(jì)形變量為-469.2 mm。

(3)采用無人機(jī)熱紅外遙感手段，結(jié)合地表測(cè)溫，在聚乎更五號(hào)井北側(cè)渣山和八號(hào)井西部出現(xiàn)兩處高溫異常區(qū)，面積分別為2.6萬m2和0.45萬m2，為下一步高溫異常區(qū)治理指明了靶區(qū)。

(4)采用無人機(jī)正射、傾斜攝影和熱紅外遙感等手段，高效全面地解決了基礎(chǔ)地形測(cè)量、生態(tài)治理效果的可視化評(píng)價(jià)、工程監(jiān)管和方量計(jì)算等方面的問題，經(jīng)驗(yàn)證與實(shí)際測(cè)量結(jié)果一致性好。

(5)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題分析的基礎(chǔ)上，面向礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理的4個(gè)階段的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，綜合集成衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感和信息化等技術(shù)，輔以地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等手段，因地制宜，建立了聚乎更礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理監(jiān)測(cè)模式，并取得了良好的應(yīng)用效果。