李軍彭蘇萍張成業(yè)楊飛桑瀟

1. 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083

在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,化石能源占比長期超過80% ,處于絕對主體地位,其開發(fā)和利用是推動(dòng)國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要組成部分[1]。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念,平衡礦產(chǎn)開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源的低碳、清潔、高效利用,開展礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)尤為重要[2]。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測與科學(xué)評價(jià)不僅能提高人們對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的認(rèn)識(shí),還能指導(dǎo)與優(yōu)化礦區(qū)生產(chǎn)和修復(fù)活動(dòng),進(jìn)而協(xié)調(diào)煤炭生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)共同發(fā)展,促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)[3-5]。

地面調(diào)查是長期以來礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和評價(jià)的重要方式。國內(nèi)外學(xué)者在這一方面做了大量的研究,主要包括對植被[6-8]、水體[9]、土壤[10]等生態(tài)環(huán)境要素的分析和評價(jià)。例如,收集位于沉陷裂縫不同距離處的土壤樣本,對土壤中含水量[11]、酶活性[6]、重金屬含量[12]等進(jìn)行測定、分析和評價(jià)。然而,地面調(diào)查手段無法獲取礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素的歷史狀態(tài),且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高,無法定期進(jìn)行大面積同步觀測。

隨著傳感網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展,多技術(shù)融合監(jiān)測已成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的趨勢[13-17]。Suh 等[18]回顧了地理信息系統(tǒng)在礦區(qū)土壤、水和森林監(jiān)測中的應(yīng)用。韓福順[19]介紹了溫濕度、位移和形狀傳感器等地面?zhèn)鞲衅髟诘V區(qū)的應(yīng)用方式。遙感技術(shù)以其大面積快速監(jiān)測的優(yōu)勢,為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了重要手段,當(dāng)前已得到一定程度的應(yīng)用[20-23]。在此基礎(chǔ)上,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)的研究也得到進(jìn)一步發(fā)展。一些學(xué)者根據(jù)《HJ 192—2015 生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范》[24]與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn),選取多方面評價(jià)因子[25-29],從地質(zhì)[26]、資源承載力[19]、景觀生態(tài)健康[29]等角度對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析評價(jià)。

盡管遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)方面取得了一些應(yīng)用成果,但仍然存在如下挑戰(zhàn):

(1) 礦區(qū)典型要素遙感解譯的自動(dòng)化、智能化不夠。當(dāng)前針對礦區(qū)的典型地物和用地類型識(shí)別多停留在目視解譯和常規(guī)的計(jì)算機(jī)解譯算法階段,深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)尚未完全展開應(yīng)用?，F(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)樣本都是針對常規(guī)場景下的地物,針對礦區(qū)場景下典型地物的大規(guī)模樣本庫亟待建立。

(2) 定量遙感在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)中的應(yīng)用廣度有待提升。當(dāng)前定量遙感技術(shù)多用于礦區(qū)植被覆蓋變化監(jiān)測,對于植被的更多理化參數(shù)及土壤、水體、大氣等其他生態(tài)要素涉及較少。同時(shí),現(xiàn)有的遙感定量產(chǎn)品數(shù)據(jù)集分辨率較低,難以滿足中小尺度的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量評價(jià)的需求。高分辨率的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素參數(shù)定量反演與遙感產(chǎn)品生產(chǎn),仍是亟待解決的問題。

(3) 在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)方面,尚未形成學(xué)界普遍認(rèn)可的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)模型與系統(tǒng)的指標(biāo)體系。現(xiàn)有的研究主要從某一個(gè)或者幾個(gè)生態(tài)要素(植被、土壤、水、大氣等)中選取一部分指標(biāo)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。以礦區(qū)生態(tài)環(huán)境多種要素為基礎(chǔ)建立礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)模型,并評估要素協(xié)同所形成的生態(tài)功能,進(jìn)而對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行全面的科學(xué)評價(jià),尚未很好地解決。

為了更好地實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測與科學(xué)評價(jià),本文通過梳理礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變的特點(diǎn),在分析現(xiàn)階段對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)要求基礎(chǔ)上,構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感智能監(jiān)測與評價(jià)的技術(shù)框架。

1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境概述

礦區(qū)是伴隨資源開采活動(dòng)而衍生出的特殊地域場所,其生態(tài)系統(tǒng)是人類活動(dòng)與自然資源環(huán)境相互影響的有機(jī)整體[29]。礦產(chǎn)資源的一系列開采活動(dòng)會(huì)直接作用于地層構(gòu)造、地表景觀、地表(地下)水、土壤、植被、大氣等生態(tài)要素,改變生態(tài)的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征(圖1)。若對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境長期放任不管,則會(huì)產(chǎn)生自然景觀破壞、土地挖損、土地壓占、土地沉陷、礦震、地裂、坍塌、滑坡、泥石流、地下(地表)水水位下降、水質(zhì)污染、土壤污染(退化)、大氣污染、植被退化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降等生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),最終限制礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因此,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與評價(jià)顯得尤為重要。

圖1 礦區(qū)開采活動(dòng)下的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)Fig.1 Ecological environment risks under mining activities

1.1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)

礦區(qū)場景下的生態(tài)環(huán)境是受礦產(chǎn)開采活動(dòng)深度影響的一種特殊生態(tài)環(huán)境,與森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)相比,具有如下特點(diǎn):

(1) 我國主要礦產(chǎn)開采西移趨勢明顯,大部分礦區(qū)生態(tài)環(huán)境本底較為脆弱。

以我國儲(chǔ)量豐富的煤礦資源為例,其分布在地域上呈現(xiàn)西多東少、北多南少的格局。特別是近20年來,全國的煤炭資源開發(fā)重心逐漸向黃河流域中上游轉(zhuǎn)移,現(xiàn)階段主要礦區(qū)分布在華北、西北的黃河中上游流域[30]。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2018年》,在2014—2017年間,我國西部晉陜蒙寧甘新地區(qū)原煤產(chǎn)量分別占全國原煤總產(chǎn)量的70.27% 、71.48% 、72.29% 、74.9% ,并呈繼續(xù)增加趨勢。這些區(qū)域大多屬于干旱半干旱區(qū)域,水資源短缺,生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、水土保持的功能較低,本身就存在干旱缺水、水土流失、土地沙漠化等生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。其他資源如油氣、鐵礦、銅礦、鋁礦等礦區(qū),也有相當(dāng)比例位于生態(tài)敏感脆弱區(qū)[31-34]。

(2) 密集的礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)使生態(tài)環(huán)境變化明顯且持續(xù)時(shí)間長。

以煤炭礦區(qū)為例,大型礦區(qū)的煤炭年產(chǎn)量超過10 Mt,中型礦區(qū)的年產(chǎn)量也超過3 Mt[35]。多數(shù)礦區(qū)開采持續(xù)時(shí)間長,且一直伴隨著煤炭的密集開采。例如,我國神東礦區(qū)自1985年開發(fā)建設(shè)以來,至今仍是我國重要的煤炭資源生產(chǎn)基地,持續(xù)擁有十余個(gè)生產(chǎn)礦井。礦區(qū)長期密集的資源開采,引發(fā)明顯的生態(tài)環(huán)境變化。

(3) 礦區(qū)開采活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的影響具有立體性特點(diǎn)。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境是以人類礦產(chǎn)資源開采加工活動(dòng)為中心的自然環(huán)境。此場景下,人類開采活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的影響具有立體性特點(diǎn),即對地下-地表-大氣形成的礦區(qū)立體生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的不同部分產(chǎn)生不同程度的影響,這明顯區(qū)別于城市、農(nóng)田、森林等其他類型。

礦區(qū)開采活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的立體性影響主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面:①礦產(chǎn)開采影響地下環(huán)境。礦產(chǎn)開采的實(shí)質(zhì)是巖石開挖與礦產(chǎn)搬運(yùn)。煤層、石油等均埋藏在較深的地下,埋深1 km 以上的預(yù)測煤炭資源量約占全國預(yù)測總量的40.5% ,這一范圍也是我國煤炭開采的主要范圍[36]。地下開采會(huì)造成地下巖層結(jié)構(gòu)改變、地下水水位下降等地下環(huán)境變化。②礦產(chǎn)開采影響地表環(huán)境。礦產(chǎn)資源的開采加工活動(dòng)經(jīng)常帶來地表的土地利用和覆蓋變化。例如,耕地、植被變?yōu)楣さV用地,形成了工礦建筑、道路、覆煤區(qū)、煤矸石堆、露天采場等；開采沉陷、地表裂縫、土壤含水量降低等會(huì)造成生態(tài)環(huán)境影響。③礦產(chǎn)開采影響地上大氣環(huán)境。煤炭開采過程不僅會(huì)產(chǎn)生粉塵顆粒等物理現(xiàn)象,不同氣體還可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改變礦區(qū)大氣環(huán)境。

(4) 礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的影響具有明顯的階段性特征。

礦區(qū)開采前,其生態(tài)環(huán)境主要受氣溫、降水等自然地理和氣候因素的影響。在礦區(qū)開采起步階段,開采規(guī)模小、配套設(shè)施建設(shè)不完備,礦區(qū)建筑、建設(shè)廢棄物等土地占用對生態(tài)環(huán)境的影響程度較?。辉诘V區(qū)開采迅速發(fā)展階段,開采加工產(chǎn)業(yè)鏈形成,開采量迅速加大,對生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為地層構(gòu)造改變、地表塌陷、土地壓占、土壤質(zhì)量下降、植被生長受限、大氣質(zhì)量下降等；在礦區(qū)開采后期及閉礦階段,由于生態(tài)累積效應(yīng)的滯后性等特點(diǎn),生態(tài)環(huán)境的變化會(huì)持續(xù)一段時(shí)間,但是如果伴隨著邊采邊復(fù)或采后再復(fù)的生態(tài)修復(fù)活動(dòng),生態(tài)環(huán)境變化可能向好恢復(fù)。

1.2 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變的科學(xué)問題

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的上述特點(diǎn)決定了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變的研究需要重點(diǎn)關(guān)注以下問題[4,30,37]。

(1) 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各要素的時(shí)空變化特征及其差異性。

在礦區(qū)開采活動(dòng)影響下,地下/地表水、土壤、植被、大氣等礦區(qū)主要的生態(tài)環(huán)境要素,在時(shí)間與空間維度上的變化具有各自的規(guī)律性。以煤炭井工開采塌陷區(qū)植被為例,在時(shí)間維度上,隨著開采活動(dòng)的進(jìn)行,地表塌陷逐漸顯現(xiàn),地表裂縫引發(fā)植物根系的損壞以及土壤水肥的流失[38],易造成植被退化,但隨著塌陷區(qū)的逐漸穩(wěn)定,周邊的有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)隨降雨匯聚至此,植被有可能會(huì)恢復(fù)生長；在空間維度上,隨著距開采中心距離的不同,植被也表現(xiàn)出相應(yīng)的變化特征。地下/地表水、土壤、大氣等礦區(qū)其他生態(tài)要素的時(shí)空變化特征與植被要素又有所不同,各具獨(dú)特規(guī)律。對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境不同要素的理化參數(shù)進(jìn)行長時(shí)間序列的研究,厘清不同要素時(shí)空變化特征的差異性,有助于進(jìn)一步理解礦區(qū)開采背景下生態(tài)環(huán)境的演變過程。

(2) 礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境要素影響機(jī)制及各要素協(xié)同演變規(guī)律。

礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境要素之間以及不同生態(tài)環(huán)境要素之間相互作用、協(xié)同演變的耦合關(guān)系,是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變科學(xué)研究的重要問題。例如,地下煤炭開采改變地下含水層,導(dǎo)致地下水位下降；地表沉陷造成土壤裂縫[39],導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增加、土壤含水量下降；地下水位和地表土壤含水量的降低會(huì)進(jìn)一步影響地表植被生長,造成植被退化；而植被退化會(huì)進(jìn)一步減弱生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、水土保持的功能,形成惡性循環(huán)。同樣,生態(tài)要素變化會(huì)反作用于礦區(qū)后續(xù)的開采和修復(fù)活動(dòng)措施,從而形成了開采—地下/地表水—土壤—植被—修復(fù)等耦合關(guān)系和協(xié)同演變。

結(jié)合礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)的不同階段,系統(tǒng)全面地研究各階段中采礦、生態(tài)修復(fù)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境要素的耦合關(guān)系及其協(xié)同演變規(guī)律,進(jìn)而厘清礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境各要素及其形成的整體生態(tài)系統(tǒng)功能的影響機(jī)制,可以科學(xué)指導(dǎo)礦產(chǎn)開采與生態(tài)修復(fù)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.3 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)的要求

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)及其演變決定了對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與評價(jià)有其特殊要求。

(1) 生態(tài)要素狀態(tài)監(jiān)測的定量化。在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究中,定性遙感主要用于獲取礦區(qū)的土地覆蓋信息,從而監(jiān)測各類生態(tài)要素面積的時(shí)空變化[40-41]。就植被而言,定性遙感只能發(fā)現(xiàn)地物是否為植被,而無法進(jìn)一步探測植被的理化參數(shù)狀態(tài)及其變化。然而,要解決礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律與機(jī)制問題,僅靠監(jiān)測面積變化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要對生態(tài)要素狀態(tài)進(jìn)行定量化監(jiān)測,即定量反演植被、土壤、水體、大氣等關(guān)鍵要素的理化參數(shù)(植被葉綠素含量、水分含量,土壤水分含量、有機(jī)質(zhì)含量,水體葉綠素濃度、懸浮物質(zhì)濃度,大氣氣溶膠光學(xué)厚度、顆粒物濃度等)及其形成的生態(tài)系統(tǒng)整體的功能參數(shù)(生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量、水土保持量、凈初級生產(chǎn)力等)。

(2) 生態(tài)環(huán)境觀測的高頻次、大面積。通常情況下,礦區(qū)存在持續(xù)密集的礦產(chǎn)資源開采活動(dòng),能夠引發(fā)生態(tài)環(huán)境的持續(xù)明顯變化。為了準(zhǔn)確捕捉并監(jiān)測礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的這種變化過程,高頻次大面積同步觀測是必須的要求,而傳統(tǒng)的人工實(shí)地調(diào)查工作復(fù)雜、耗時(shí)長,不能滿足這一需求。同時(shí),地面站點(diǎn)與觀測網(wǎng)只能獲取點(diǎn)狀分布的觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量少且無法很好地反映生態(tài)環(huán)境要素狀態(tài)的空間分布差異性。將高頻次遙感觀測數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)相結(jié)合,獲取礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素狀態(tài)的面狀分布,是滿足礦區(qū)生態(tài)環(huán)境高頻次大面積觀測要求的重要手段。

(3) 生態(tài)要素觀測的長時(shí)間和連續(xù)性。礦區(qū)資源開采、修復(fù)活動(dòng)具有階段性特征。開采活動(dòng)可分為開采初期、開采加劇期、開采穩(wěn)定期、開采下降與閉礦期；生態(tài)修復(fù)活動(dòng)可分為修復(fù)前、修復(fù)中、修復(fù)后,且開采與生態(tài)修復(fù)活動(dòng)可能出現(xiàn)階段重疊,即邊采邊復(fù)。不同階段的人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境造成的影響具有不同的特點(diǎn)。為了分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各要素的時(shí)空變化特征,揭示各階段中礦區(qū)人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境要素的耦合關(guān)系及其協(xié)同演變規(guī)律,需要對礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)觀測。遙感技術(shù)能夠發(fā)揮歷史存檔影像數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,可為回溯礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境長時(shí)間連續(xù)演變的歷史提供重要的數(shù)據(jù)源[42-44]。

(4) 生態(tài)多要素的協(xié)同觀測。人類開采修復(fù)活動(dòng)與各個(gè)生態(tài)環(huán)境要素之間、不同生態(tài)環(huán)境要素之間存在協(xié)同演變的耦合關(guān)系。為了研究揭示人類開采修復(fù)活動(dòng)與各個(gè)生態(tài)環(huán)境要素的協(xié)同演變過程,需要對礦區(qū)各類生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行大范圍的同步觀測,進(jìn)而利用定量遙感等技術(shù)手段反演得到生態(tài)環(huán)境的多要素參數(shù)信息,滿足多要素協(xié)同觀測的要求。利用遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)多要素協(xié)同觀測,能夠有效地獲取同一時(shí)間的礦區(qū)多種生態(tài)要素狀態(tài)空間分布,為分析人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境要素的耦合關(guān)系及其協(xié)同演變規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐。

(5) 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容契合自然地理特征。我國幅員遼闊,不同礦區(qū)的地形地貌、氣象水文、植被覆蓋等自然地理特征存在較大差異[45],礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容和方法等需契合自然地理特征。例如,內(nèi)蒙古東部草原礦區(qū)(呼倫貝爾、錫林郭勒),植被覆蓋主要為草地,降水量少,定量遙感監(jiān)測以草原為主,應(yīng)面向礦區(qū)草地場景開展輻射傳輸建模；黃土高原、鄂爾多斯高原礦區(qū),地形復(fù)雜,地貌主要為溝、壑、梁、峁、塬等,植被以低矮草灌為主且類型十分復(fù)雜,要著重地形因素,以建立面向低矮草灌植被的復(fù)雜輻射傳輸模型；新疆準(zhǔn)格爾盆地的礦區(qū),地貌以戈壁荒漠為主,降水極少,應(yīng)以裸土相關(guān)參數(shù)為主,面向戈壁荒漠地表開展輻射傳輸建模；華東中低山丘陵區(qū)的礦區(qū),降水量相對較大,植被生長旺盛,應(yīng)以喬木林地及高植被覆蓋下的土壤參數(shù)為主,開展復(fù)雜的輻射傳輸建模；其他區(qū)域(云貴地區(qū))礦區(qū),也需要根據(jù)其地形地貌、氣象水文、植被覆蓋等自然地理特征,有側(cè)重地開展定量遙感建模與參數(shù)反演研究。

(6) 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)應(yīng)考慮礦區(qū)場景特點(diǎn)。礦區(qū)場景具有不同于城市、農(nóng)田、森林等場景,有密集開采活動(dòng)、階段性、立體性等特點(diǎn),因此礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)需考慮評價(jià)要素、影響類型、空間范圍、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)維度的差異。例如,在煤礦礦區(qū)存在煤、煤矸石等特色地物,而且在開采過程中會(huì)產(chǎn)生煤粉塵等顆粒物,因此在構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系時(shí)要將這些特殊要素納入,以評估其對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。此外,礦山開采活動(dòng)會(huì)破壞地下巖層結(jié)構(gòu),進(jìn)而破壞地下水的平衡,造成地下水污染,評價(jià)礦區(qū)的水質(zhì)量必須同步考慮地上和地下水。

2 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測評價(jià)的技術(shù)框架

圍繞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的主要科學(xué)問題,基于礦區(qū)場景的定量化、高頻次、長時(shí)間、多要素協(xié)同的監(jiān)測與評價(jià)要求,本文提出了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測評價(jià)的技術(shù)框架。該技術(shù)框架立足于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各要素的時(shí)空變化特征及其差異性、礦區(qū)開采修復(fù)活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境要素影響機(jī)制及各要素協(xié)同演變規(guī)律等內(nèi)容構(gòu)建,從礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的“數(shù)據(jù)-監(jiān)測-評價(jià)-應(yīng)用”逐層遞進(jìn)角度設(shè)計(jì)技術(shù)流程,主要包含礦區(qū)多源大數(shù)據(jù)、礦區(qū)生態(tài)要素定量遙感監(jiān)測、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)化應(yīng)用四個(gè)模塊,如圖2 所示。

圖2 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)框架Fig.2 Technology framework for quantitative remote sensing-based monitoring and evaluation of ecological environment in mining areas

2.1 礦區(qū)多源大數(shù)據(jù)

礦區(qū)多源大數(shù)據(jù)是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的數(shù)據(jù)支撐,是進(jìn)行生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測、質(zhì)量評價(jià)及應(yīng)用的前提。礦區(qū)多源大數(shù)據(jù),主要包括光學(xué)高分、光學(xué)多光譜/高光譜、熱紅外、微波(雷達(dá))、重力衛(wèi)星等遙感數(shù)據(jù),以及地面觀測站點(diǎn)/傳感網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工調(diào)查采樣數(shù)據(jù)、地球物理勘探數(shù)據(jù)、鉆探鉆孔數(shù)據(jù)、礦區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地表參數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、氣象氣候數(shù)據(jù)、礦區(qū)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)。

光學(xué)高分遙感數(shù)據(jù)具有空間分辨率高的顯著優(yōu)勢,主要用于礦區(qū)土地覆蓋與生態(tài)要素的識(shí)別與空間分布變化的監(jiān)測[46]。

光學(xué)多光譜/高光譜遙感數(shù)據(jù)、熱紅外遙感數(shù)據(jù)、微波(雷達(dá))遙感數(shù)據(jù),主要用于植被、土壤、水體、大氣等生態(tài)要素的理化參數(shù)以及生態(tài)系統(tǒng)功能量參數(shù)的定量反演。根據(jù)光學(xué)多光譜/高光譜、熱紅外、微波等不同遙感成像波段和成像方式的特點(diǎn),不同數(shù)據(jù)可反演的參數(shù)有所不同。例如,光學(xué)多光譜/高光譜遙感數(shù)據(jù)[47]可用于反演植被的葉綠素含量、水分含量、氮素含量、葉面積指數(shù),土壤的含水量、有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)含量,水體的葉綠素a 濃度、懸浮物質(zhì)濃度、總磷,大氣的氣溶膠光學(xué)厚度、顆粒物濃度,以及生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源量、水土保持量、固碳釋氧量等；高光譜數(shù)據(jù)還能反演植被類型的多樣性；熱紅外遙感數(shù)據(jù)主要用于反演地表各類生態(tài)要素的比輻射率、表面溫度等參數(shù)[48]；微波遙感數(shù)據(jù)主要用于土壤介電常數(shù)、土壤含水量、土壤粗糙度等參數(shù)[49]。此外,多源數(shù)據(jù)協(xié)同也可實(shí)現(xiàn)更高精度或更高分辨率的參數(shù)反演,如光學(xué)多光譜數(shù)據(jù)與熱紅外數(shù)據(jù)協(xié)同反演土壤含水量,以及提高土壤含水量微波遙感產(chǎn)品的空間分辨率。

重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地球物理勘探數(shù)據(jù),可用于大區(qū)域、局部尺度的地下水資源反演。

地面觀測站點(diǎn)/傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、人工調(diào)查采樣數(shù)據(jù)、地表參數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù),主要用于參數(shù)遙感反演模型構(gòu)建與結(jié)果驗(yàn)證。

氣候氣象數(shù)據(jù)、礦區(qū)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、礦區(qū)基礎(chǔ)地理信息等,主要用于礦區(qū)開采活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境要素協(xié)同演變分析。

不同類型的數(shù)據(jù)源,按照其數(shù)據(jù)的功能特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與映射、加工與清洗、聚合與管理,共同服務(wù)于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià),是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。

2.2 礦區(qū)生態(tài)要素定量遙感監(jiān)測

礦區(qū)生態(tài)要素定量遙感監(jiān)測是在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過建模、反演得到生態(tài)環(huán)境各要素的狀態(tài)及變化信息,是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的基礎(chǔ)。它主要包括礦區(qū)土地利用/覆蓋分類、礦區(qū)典型地物識(shí)別、礦區(qū)地形監(jiān)測、生態(tài)要素的理化參數(shù)定量反演4 部分內(nèi)容。

礦區(qū)土地利用/覆蓋分類是依據(jù)各類型用地(耕地、水域、建設(shè)用地、道路等)在遙感影像上呈現(xiàn)的不同色調(diào)、形狀、紋理等特征,對礦區(qū)內(nèi)地表景觀進(jìn)行類別劃分,其結(jié)果直接反映了開采修復(fù)活動(dòng)與自然地貌綜合作用后的土地利用/覆蓋的空間格局。

礦區(qū)典型地物識(shí)別是指通過遙感觀測數(shù)據(jù)對礦區(qū)所特有的地物類型進(jìn)行解譯,如露天礦坑、排土場、煤堆、廢石堆等。

礦區(qū)地形監(jiān)測是指利用InSAR、LiDAR、攝影測量等技術(shù),對不同開采時(shí)期的礦區(qū)地表變化進(jìn)行觀測。

生態(tài)要素的理化參數(shù)定量反演是指利用經(jīng)驗(yàn)或物理模型原理,從遙感觀測數(shù)據(jù)中反演生態(tài)環(huán)境要素的詳細(xì)理化屬性,如土壤的含水量、粗糙度。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素定量遙感監(jiān)測涉及的主要理論方法包括:

(1) 礦區(qū)典型地物樣本庫構(gòu)建。礦區(qū)場景的遙感地物識(shí)別關(guān)鍵是能有效識(shí)別礦區(qū)特色地物[50-52],為此需要建立大規(guī)模的礦區(qū)典型地物樣本庫。樣本庫要充分涵蓋各類礦物類型、開礦規(guī)模、開采方式、地域、地貌類型等所對應(yīng)的典型地物特征差異,以便訓(xùn)練更具有普適性、更精準(zhǔn)的識(shí)別模型。

(2) 遙感地物識(shí)別人工智能算法。人工智能算法以深度學(xué)習(xí)算法為主,如FCN、U - Net、PSPNet、DeepLab V3+等,通過對大量樣本的學(xué)習(xí)構(gòu)建深層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):一是用于遙感影像地物識(shí)別[53-54],特別是針對礦區(qū)典型地物需采用合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；二是用于生態(tài)要素理化參數(shù)定量反演的解算,如氣溶膠光學(xué)厚度反演[55]、葉綠素反演[56-57]等。

(3) 生態(tài)要素理化參數(shù)的遙感反演模型。利用遙感影像像元值與生態(tài)要素參數(shù)值的數(shù)學(xué)關(guān)系對生態(tài)要素的理化參數(shù)進(jìn)行反演,主要方法有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型反演與物理模型反演。

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型是通過典型樣本的衛(wèi)星遙感與地面同步實(shí)測值,建立遙感影像像元值與生態(tài)要素參數(shù)值的簡單數(shù)學(xué)關(guān)系(如回歸方程),用于各類參數(shù)反演[58-64]。

物理模型則是通過研究電磁波與大氣、地物的復(fù)雜作用關(guān)系,建立遙感影像像元值與生態(tài)要素參數(shù)之間的方程,此類方法具有明確的物理意義,普適性強(qiáng)。反演植被生態(tài)要素參數(shù)的定量遙感物理模型有PROSPECT+SAIL、LIBERTY 等,反演土壤參數(shù)的模型有Hapke 模型、水云模型等。為使物理模型更適應(yīng)礦區(qū)特色場景、反演結(jié)果精度更高、更穩(wěn)定,一些學(xué)者嘗試優(yōu)化和改進(jìn)反演模型,如趙東發(fā)[65]、李軍等[66]利用微波數(shù)據(jù)反演礦區(qū)土壤含水量；Zhang 等[67]對植被PROSPECT-5 物理模型進(jìn)行改進(jìn),反演銅脅迫下的葉片特征。

2.3 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是依據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系對單個(gè)生態(tài)要素與生態(tài)環(huán)境整體進(jìn)行質(zhì)量評價(jià),并分析其演變特征、耦合機(jī)制和驅(qū)動(dòng)機(jī)理,主要包括生態(tài)要素質(zhì)量與生態(tài)功能評價(jià)、生態(tài)要素時(shí)空演變特征分析、要素耦合機(jī)制與驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析3 部分內(nèi)容。生態(tài)要素質(zhì)量與生態(tài)功能評價(jià)指依據(jù)土壤、水體、植被、大氣等各個(gè)要素的理化參數(shù)評價(jià)單個(gè)要素質(zhì)量,并評價(jià)所形成的生態(tài)系統(tǒng)功能[68],如涵養(yǎng)水源量、固碳釋氧量、水土保持等。生態(tài)要素時(shí)空演變特征分析是指探索在不同的開采修復(fù)階段,各生態(tài)要素隨時(shí)間演變的特點(diǎn)、空間分布特征及不同要素間的差異[69-70]。要素耦合機(jī)制與驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析,是揭示生態(tài)要素之間、氣候氣象條件與生態(tài)要素之間、開采修復(fù)活動(dòng)與生態(tài)要素之間的協(xié)同關(guān)系,并分析各生態(tài)要素的主要驅(qū)動(dòng)因子和作用過程[71-73]。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)涉及的主要理論方法包括:

(1) 構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系的驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)模型、層次分析法、Delphi 法、熵值法等。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建,需要針對礦區(qū)場景特點(diǎn),綜合考慮生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)涵,遵循科學(xué)性、客觀性、可量化性、可操作性等原則。

(2) 時(shí)空分析方法:用于分析生態(tài)要素時(shí)空演變特征。例如,采用緩沖區(qū)分析法判斷開采活動(dòng)對植被要素的影響邊界,采用時(shí)序分析法揭示土壤水分隨礦山開采的演變規(guī)律。此外還包括莫蘭指數(shù)、熱點(diǎn)分析等方法。

(3) 關(guān)聯(lián)分析方法:用于揭示要素間的耦合機(jī)制。例如,用相關(guān)系數(shù)判斷兩兩要素間是否存在關(guān)聯(lián),采用回歸分析與地理加權(quán)回歸法計(jì)算各生態(tài)要素的主要驅(qū)動(dòng)因子及在不同區(qū)域的差異等。

2.4 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)化應(yīng)用

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)化應(yīng)用則針對政府、企業(yè)、社會(huì)公眾三方在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中的具體需求,提供有效的解決方案。在礦區(qū)多源大數(shù)據(jù)的支撐下,通過礦區(qū)生態(tài)要素定量遙感監(jiān)測和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)框架,可進(jìn)行以下幾個(gè)方面的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評價(jià)工作。

(1) 非法開采監(jiān)測與識(shí)別。在多源遙感大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)算法支持下,通過高頻次定期觀測,可以有效監(jiān)測和識(shí)別礦區(qū)土地利用和覆蓋變化,結(jié)合礦產(chǎn)資源和開采管理信息,助力政府部門對礦區(qū)的非法開采問題進(jìn)行有效監(jiān)管。例如,對青海省木里礦區(qū)非法開采活動(dòng),可利用本文提出的技術(shù)框架提前發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、調(diào)查取證等。

(2) 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定期體檢與問題分析。礦區(qū)的開采活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境影響明顯,且具有階段性特征。通過礦區(qū)生態(tài)要素定量遙感監(jiān)測和評價(jià)技術(shù)框架,可以發(fā)揮高頻次、長時(shí)間持續(xù)觀測的優(yōu)勢,監(jiān)測生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵要素及其形成的生態(tài)功能的時(shí)空變化特征,全面評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的定期體檢與問題分析,為礦區(qū)進(jìn)一步的開采計(jì)劃與生態(tài)保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

(3) 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警。長期的礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響具有累積效應(yīng)。很多生態(tài)因子(水資源承載力等)通常具有生態(tài)閾值極限的指標(biāo),一旦超出其閾值范圍,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境難以修復(fù)。礦區(qū)高頻次的生態(tài)要素定量遙感監(jiān)測與質(zhì)量評價(jià),能夠及時(shí)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各要素和功能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警,為礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境健康保駕護(hù)航。

(4) 礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效果評估。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)是進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理、解決礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑,而礦山生態(tài)修復(fù)的效果往往是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)“誰開發(fā)、誰保護(hù),誰污染、誰治理”的原則,礦山企業(yè)對生態(tài)環(huán)境負(fù)有治理修復(fù)的責(zé)任,政府管理部分負(fù)有監(jiān)督監(jiān)管的責(zé)任。本文提出的技術(shù)框架有望對生態(tài)修復(fù)的各個(gè)階段(修復(fù)前、修復(fù)中、修復(fù)后)進(jìn)行對比評價(jià),對生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行科學(xué)評估,服務(wù)于生態(tài)修復(fù)周期內(nèi)企業(yè)的修復(fù)決策、政府的監(jiān)督監(jiān)管和公眾的關(guān)心。

3 應(yīng)用實(shí)例

為了展示本文所提出的技術(shù)框架的有效性與應(yīng)用方式,本節(jié)介紹兩個(gè)方面的應(yīng)用實(shí)例。

3.1 生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測與評價(jià)系統(tǒng)

依據(jù)技術(shù)框架的思路,以錫林浩特煤電基地為研究區(qū),從“數(shù)據(jù)-監(jiān)測-評價(jià)-應(yīng)用”四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)功能模塊,構(gòu)建了錫林浩特煤電基地生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測與評價(jià)系統(tǒng),主界面如圖3 所示。

圖3 錫林浩特煤電基地生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測與評價(jià)系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of quantitative remote sensing monitoring and evaluation system of environment in Xilinhot Coal Power Base

3.1.1 錫林浩特煤電基地多源大數(shù)據(jù)庫

針對錫林浩特煤電基地的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需求和自然條件特點(diǎn),參照2. 1 節(jié)的數(shù)據(jù)體系,通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)下載、實(shí)地測量、數(shù)據(jù)加工、訪談?wù){(diào)研等方式,收集錫林浩特煤電基地1991—2020年30年間各類型數(shù)據(jù)并構(gòu)建了多源大數(shù)據(jù)庫。表1 列舉了多源大數(shù)據(jù)庫中的主要數(shù)據(jù)及其用途。

表1 錫林浩特煤電基地多源大數(shù)據(jù)庫Tab.1 Multi-source database for Xilinhot Coal Power Base

3.1.2 長時(shí)序高頻次生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測

利用各類參數(shù)反演方法,在長時(shí)序衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)/產(chǎn)品基礎(chǔ)上,對錫林浩特煤電基地的植被、土壤、大氣、水體4 大類要素的理化參數(shù)進(jìn)行定量遙感建模與反演,獲取30年間各類生態(tài)參數(shù)(植被覆蓋度、植被葉綠素含量、植被水分、土壤含水量、土壤粗糙度、水體懸浮物濃度、大氣顆粒物濃度等)的高頻次監(jiān)測信息。典型的生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測結(jié)果介紹如下。

(1) 土地利用/覆蓋分類。以Landsat 系列衛(wèi)星和GF-1/2/6 衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源,結(jié)合國家土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2017),將土地利用/覆蓋類型分為水域、耕地、林地、草地、工礦用地、不透水面(不含工礦用地)及裸地7 類,如圖4 所示。

圖4 錫林浩特煤電基地土地利用/覆蓋Fig.4 Land use/cover of Xilinhot Coal Power Base

(2) 典型生態(tài)環(huán)境參數(shù)。以Landsat 系列衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源,利用PROSAIL 模型和光譜響應(yīng)函數(shù)正向模擬得到植被冠層反射率,作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,在GEE 平臺(tái)上通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法反演植被葉綠素含量,如圖5 所示。

圖5 錫林浩特煤電基地葉綠素含量分布Fig.5 LAI of Xilinhot Coal Power Base

以GLDAS、AMSR-E/2 為數(shù)據(jù)源,結(jié)合Landsat衛(wèi)星遙感影像,通過降尺度的方法得到土壤含水量分布,如圖6 所示。

圖6 錫林浩特煤電基地土壤含水量分布Fig.6 Soil moisture of Xilinhot Coal Power Base

(3) 典型氣候氣象要素。利用ECMWF 提供的1991—2020年期間的ERA5-Pressure levels 月平均數(shù)據(jù),通過高程轉(zhuǎn)換、高程內(nèi)插、氣象參量轉(zhuǎn)換等步驟,獲取氣象參數(shù)。錫林浩特煤電基地30年間的氣溫和降雨量分布和變化如圖7 和圖8所示。

圖7 錫林浩特煤電基地氣溫分布Fig.7 Temperatures of Xilinhot Coal Power Base

圖8 錫林浩特煤電基地降雨量分布Fig.8 Precipitation of Xilinhot Coal Power Base

3.1.3 生態(tài)環(huán)境演變數(shù)據(jù)立方體

在上述生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測基礎(chǔ)上,結(jié)合氣候氣象分析數(shù)據(jù)和各種人類活動(dòng)量化建模數(shù)據(jù),生成了錫林浩特煤電基地生態(tài)環(huán)境演變數(shù)據(jù)立方體(圖9)。生態(tài)環(huán)境演變數(shù)據(jù)立方體能支持對錫林浩特煤電基地指定時(shí)間、任意位置、任意屬性的狀態(tài)進(jìn)行查詢,反映了生態(tài)環(huán)境要素及關(guān)聯(lián)因子在30年間的演變過程。

圖9 錫林浩特煤電基地生態(tài)環(huán)境演變數(shù)據(jù)立方體Fig.9 Data cubes of environmental evolution for Xilinhot Coal Power Base

3.1.4 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素時(shí)空演變特征分析

在錫林浩特煤電基地30年歸一化植被指數(shù)(NDVI)的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算RCG 指數(shù)[74]揭示植被要素的變化特點(diǎn)。錫林浩特煤電基地內(nèi)不同區(qū)域的植被演變特征分布如圖10 所示,演變類型可劃分為退化、穩(wěn)定和恢復(fù)3 種。

圖10 錫林浩特煤電基地的植被演變特征Fig.10 Evolution feature of vegetation for Xilinhot Coal Power Base

3.1.5 礦區(qū)生態(tài)要素演變驅(qū)動(dòng)模式分析

礦區(qū)生態(tài)要素受自然條件、人類活動(dòng)等多種因子的耦合影響,而且這些因子在不同地理位置、不同時(shí)間的影響程度不同,存在空間異質(zhì)性與時(shí)間異質(zhì)性。在生態(tài)環(huán)境演變數(shù)據(jù)立方體基礎(chǔ)上,建立地理時(shí)空加權(quán)回歸模型,能夠識(shí)別出各類自然條件和人類活動(dòng)因子與生態(tài)要素之間的驅(qū)動(dòng)模式。圖11展示了各驅(qū)動(dòng)因子對植被覆蓋度的影響程度。樣點(diǎn)處在不同時(shí)間植被覆蓋度(FVC)受放牧強(qiáng)度(G)、氣溫(T)、降雨量(P)的驅(qū)動(dòng)方程見表2。

表2 樣點(diǎn)處不同時(shí)間植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)模式方程Tab.2 The driving model equation of fractional vegetation coverage at different times at sample points

圖11 各驅(qū)動(dòng)因子對植被覆蓋度的影響程度Fig.11 Impact distribution of different driving factors on fractional vegetation cover

3.2 基于遙感影像深度學(xué)習(xí)的尾礦庫變化監(jiān)測

基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像構(gòu)建高質(zhì)量的尾礦庫樣本庫,將樣本庫輸入到U-Net 深度卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,得到尾礦庫遙感識(shí)別模型[75]。圖12展示了尾礦庫的快速識(shí)別結(jié)果,圖13 詳細(xì)地展示某個(gè)尾礦庫隨時(shí)間的變化過程,圖14 為尾礦庫變化檢測結(jié)果。

圖12 基于衛(wèi)星遙感和深度學(xué)習(xí)算法的尾礦庫識(shí)別Fig.12 Tailing pond detection based on satellite remote sensing and deep learning algorithms

圖13 不同時(shí)期的尾礦庫范圍識(shí)別Fig.13 Tailing pond identification at different time periods

圖14 尾礦庫變化檢測Fig.14 Change detection of tailing ponds

4 結(jié) 語

在“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明建設(shè)理念下,本文立足于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境場景的特點(diǎn),瞄準(zhǔn)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變的主要科學(xué)問題,以新時(shí)期礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)的要求為導(dǎo)向,設(shè)計(jì)并提出了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定量遙感監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)框架。該框架充分利用以遙感影像數(shù)據(jù)為主體的礦區(qū)多源大數(shù)據(jù),發(fā)揮人工智能與定量遙感等優(yōu)勢,以高頻次、大面積、長時(shí)間連續(xù)、多要素協(xié)同、定量反演的方式對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行量化監(jiān)測和質(zhì)量評價(jià),回答解決礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素時(shí)空變化差異性、礦區(qū)人類開采修復(fù)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境要素耦合關(guān)系等科學(xué)問題,實(shí)現(xiàn)在礦區(qū)非法開采識(shí)別與監(jiān)測、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境定期診斷、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效果評估等方面的落地應(yīng)用。該框架有望服務(wù)于我國礦山生態(tài)文明建設(shè)、協(xié)調(diào)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

盡管定量遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面表現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力,但仍存在一些不足之處,例如:①光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的獲取易受天氣影響,在陰雨天氣,光學(xué)衛(wèi)星/無人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)受限,微波遙感雖可穿透云層但存在空間分辨率低的問題；②礦區(qū)生態(tài)參數(shù)的遙感反演精度雖在一定程度上能滿足監(jiān)測與評價(jià)需求,但與地面實(shí)地采樣精度相比仍有一定差距,需繼續(xù)改進(jìn)反演算法,以提高精度；③定量遙感建模的物理原理過程復(fù)雜,需要融合電磁波理論、地貌學(xué)、大氣科學(xué)、信號(hào)處理、工程光學(xué)等多學(xué)科理論知識(shí),工程應(yīng)用過程復(fù)雜。這些不足有待學(xué)者們進(jìn)一步研究改進(jìn),使定量遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評價(jià)中發(fā)揮更多的作用。