遥感数据来源包括2部分: ①2011— 2014年间4期土地变更调查所使用的遥感数据, 包括遥感2号(YG-2)、遥感8号(YG-8)、资源1号(ZY-1)、资源3号(ZY-3)、实践9号(SJ-9)、高分1号(GF-1)和ZY-1 02C卫星数据, 全色波段分辨率均优于2.5 m, 覆盖面积累计约400万km², 获取时相集中在各年度的9— 12月; ②覆盖重点成矿带和矿产资源开发集中区高分辨率遥感影像数据, 包括全色波段分辨率优于1 m的QuickBird-2, WorldView-2和Pleiades及分辨率优于2.5 m的SPOT5和GF-1卫星数据, 获取时相分别集中在2012年4~9月、2013年4~5月和2014年5~10月。

遥感影像坐标系统采用西安80坐标系, 投影方式为高斯-克吕格投影。对ZY-1 02C, SPOT5和GF-1影像采用高斯-克吕格6° 分带, 利用1∶ 5万比例尺地形图和P5影像生产的DEM数据进行正射纠正, 中误差和配准检查误差均小于8 m, 满足1∶ 5万比例尺制图精度要求。对QuickBird-2, WorldView-2和Pleiades影像采用3° 分带, 纠正中误差和配准检查误差均小于4 m, 满足1∶ 1万比例尺制图精度要求^[3]。

为突出采场、固体废弃物等地物的影像特征, 提高可解译程度, 采用了不同波段组合并进行影像融合和增强等处理: 对GF-1影像采用B1(R)B2(G)B3(B)波段组合, 对QuickBird-2影像采用B3(R)B2(G)B1(B)波段组合; 通过对比IHS变换、主成分变换和Brovey变换等不同方法的融合效果, 本项目主要采用了Brovey 变换^{[8, 9, 10, 11]}, 融合后的影像较好地保持了全色波段的纹理信息和多光谱波段的光谱信息。

根据遥感影像的光谱特征(色调、色彩)和空间特征(形状、大小、阴影、纹理、图形、位置和布局), 从矿山辅助设施、道路、矿堆、矸石及地裂缝、采空塌陷等的宏观和微观形态特征出发, 采用计算机自动提取和人机交互解译相结合的方法, 提取开采井口、硐口的位置, 圈定露天采场范围, 获取矿山开发占地、矿山地质灾害、矿山环境污染及矿山环境恢复治理等专题信息, 并在此基础上进行矿山地质环境变化评价。技术流程见图1。

图1

Fig.1

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	图1 新疆矿山地质环境遥感监测技术流程Fig.1 Workflow of remote sensing monitoring of mine geological environment in Xingjiang

3.1.1 矿业活动占地

矿产资源开发占用和破坏土地, 包括采矿场对土地的破坏, 中转场地、煤矸石等固体废弃物和矿山建筑对土地的占用。根据遥感调查结果, 截至2014年底, 新疆矿山开发土地占损面积共计124 396.5 hm²(含采空塌陷区1 249.79 hm²), 占损的土地类型主要为荒草地和耕地, 其中, 占损耕地面积18 719.26 hm²。按不同矿山地物类型划分, 采场52 934.26 hm², 占全部占损土地的42.55%, 占比最大; 其次为中转场地和固体废弃物, 面积分别为44 236.22 hm²和21 771.95 hm²; 矿山建筑面积最小, 为4 204.30 hm², 仅占全部占损土地的3.38%(表1和图2)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 2014年新疆矿山占地遥感调查结果 Tab.1 Remote sensing investigation data of mine land occupation in Xingjiang in 2014 矿山 占地 采场 中转 场地 固体 废弃物 矿山 建筑 地下开采 塌陷区 面积/hm2 52 934.26 44 236.22 21 771.95 4 204.30 1 249.79 百分比/% 42.55 35.56 17.50 3.38 1.00

表1 2014年新疆矿山占地遥感调查结果 Tab.1 Remote sensing investigation data of mine land occupation in Xingjiang in 2014

图2

Fig.2

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	图2 2014年新疆矿山占地分布Fig.2 Mine land occupation in Xinjiang in 2014

对比2012、2014年矿山数量和占地变化情况, 矿山由4 146个增加到5 475个, 增幅32.1%; 占地总量由91 533.83 hm²增加到124 396.5 hm², 增幅35.9%; 平均每增加1个矿山, 占损土地面积增加24 hm²。

对比各地物类型占地变化情况, 中转场地面积增加最大(增幅达55.84%)(图3), 主要是因近年新疆煤炭资源和建材开发达到前所未有的规模, 主要分布在吐哈、准东、伊犁、和什托洛盖和库拜等地。

图3

Fig.3

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	图3 2012年和2014年新疆矿山占地统计Fig.3 Statistics of mine land occupation in Xinjiang in 2012 and 2014

3.1.1.1 空间分布特征

在区域分布上, 占损土地面积居前5位的地级行政区均位于北疆, 依次为昌吉回族自治州、哈密地区、吐鲁番地区、阿勒泰地区和塔城地区, 占地合计77 684.14 hm², 占全疆矿山占地的62.5%; 排名后5位的州(区)大部分位于南疆, 依次为喀什地区、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、博尔塔拉蒙古自治州和克拉玛依市, 占地合计15 548.09 hm², 占全疆矿山占地的12.5%。上述占损土地空间分布反映出北疆矿产资源开发的强度和规模均远大于南疆地区, 对矿山地质环境的影响也远高于南疆地区。

比较县级行政区矿山开发占地密度(即每km²内占损土地面积)(图4)可以看出, 排名靠前的有和布克赛尔县、和田市辖区、库尔勒市辖区、哈密市、奇台县和吉木萨尔县等地, 主要集中在城区周边, 由城市发展建设对砖瓦用黏土、建筑砂石的大力需求引起; 另一方面, 以煤炭资源为核心的煤电煤化工业集中区, 煤矿开发力度大, 相应的矿山开发占地密度较其他区域高, 如奇台县、吉木萨尔县、托克逊县和伊吾县等。

图4

Fig.4

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	图4 2014年新疆矿山开发占地密度Fig.4 Land occupation density of mine exploitation in Xinjiang in 2014

3.1.1.2 各矿种占损土地情况

从不同矿种分析矿山占损毁土地情况, 其总体特征为: 非金属矿产对土地的占损面积最大, 为69 283.78 hm², 占全部占损土地的55.7%; 其次为能源矿产和金属矿产, 面积分别为32 011.97 hm²和23 099.89 hm²(表2)。

在非金属矿产中, 砂石和黏土为主的建材及其他非金属矿种占损土地比重最大, 占非金属矿产的74.0%, 占全疆矿山占地的41.2%, 且分布广泛, 尤以城镇周边和交通沿线较为严重(图5(a))。

在能源矿产中, 煤矿的固体废弃物占地在空间分布上集中在哈密市、奇台县、乌鲁木齐市、拜城县、库车县和轮台县等地。在金属矿产中, 以砂金矿、金矿为主的贵金属矿种为主要类型(图5(b)), 占损土地面积11 859.46 hm²; 其次为铁、锰为主的黑色金属矿种和铜、铅、锌为主的有色金属矿种, 占损土地面积分别为8 687.4 hm²和2 437.28 hm²; 在空间分布上, 贵金属矿种占地集中在阿克陶县、托里县、哈巴河县、若羌县和哈密市等地。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 2014年新疆各矿种占损土地遥感调查统计 Tab.2 Remote sensing investigation data of land occupation of different mines in Xinjiang in 2014 能源矿产 金属矿产 非金属矿产 其他 矿种 黑色金属 有色金属 贵重金属 稀有稀土 冶金辅助原料 化工原料 特种非金属 建材及其他非金属 面积/hm2 32 011.97 8 687.4 2 437.28 11 859.46 115.75 74.92 17 868.72 68.54 51 271.6 0.87

表2 2014年新疆各矿种占损土地遥感调查统计 Tab.2 Remote sensing investigation data of land occupation of different mines in Xinjiang in 2014

图5

Fig.5

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	图5 各矿种开发占地遥感影像图Fig.5 Remote sensing image of land occupied by different mines

3.1.2 矿山地质灾害

3.1.2.1 空间分布特征

新疆矿产资源丰富, 分布广泛, 开发利用过程中产生了诸多矿山地质灾害(隐患), 其发育程度和空间分布特征受地质环境背景、矿产资源开发强度、矿种类型、矿山开采规模及开采方式等影响而呈现不同特征^{[12, 13]}。

2014年新疆矿山地质灾害(隐患)共计186个(表3), 其中采空塌陷区的数量最多(101个), 占全部地质灾害(隐患)的54.3%, 可见采空塌陷是新疆地区数量最多、分布最广、危害最大的地质灾害类型; 其次是崩塌(隐患)40个, 滑坡(隐患)39个; 泥石流和地裂缝数量较少, 各3个。在空间分布上, 矿山地质灾害(隐患)主要集中在北疆, 伊犁盆地、乌鲁木齐市东部和南部山区是新疆矿山地质灾害的易发区和高发区(图6), 主要因为这些区域煤炭资源丰富, 煤矿开采引发的采空塌陷问题突出; 降雨较为充沛, 季节性洪水多发, 为滑坡、泥石流等地质灾害提供了条件。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 2014年新疆各地、州矿山地质灾害数量遥感调查统计 Tab.3 Remote sensing investigation data of geological disasters of each city in Xinjiang in 2014 地级 行政区 伊犁哈萨克 自治州 乌鲁木齐市 昌吉回族 自治州 阿克苏 地区 阿勒泰 地区 博尔塔拉 蒙古自治州 吐鲁番 地区 哈密 地区 塔城 地区 巴音郭楞 蒙古自治州 石河子市 地灾数量 84 28 21 14 12 8 7 6 3 2 1

表3 2014年新疆各地、州矿山地质灾害数量遥感调查统计 Tab.3 Remote sensing investigation data of geological disasters of each city in Xinjiang in 2014

图6

Fig.6

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	图6 2014年新疆矿山地质灾害分布Fig.6 Distribution of mine geological disasters in Xinjiang in 2014

图7

Fig.7

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	图7 采空塌陷遥感影像图Fig.7 Remote sensing images of ground collapse by mining

3.1.2.2 矿山地质灾害与矿种关系

不同矿种开采诱发的地质灾害类型、规模和数量等差别较大。分析2014年新疆矿权情况, 其中能源类矿山213个, 金属矿山543个, 非金属矿山3 695个。采空塌陷全部为能源矿山开采所引发(图7), 表明煤矿是诱发新疆矿山地质灾害的主要矿种, 其影响程度远大于金属和非金属矿山。

金属矿山开采引发的地质灾害54处, 灾害类型以滑坡、崩塌为主, 主要是开采金矿、铁矿、铅锌矿等诱发; 非金属矿山开采引发的地质灾害31处, 灾害类型以崩塌、滑坡为主, 主要是开采石灰岩、建筑砂石、砖瓦用黏土等矿产引发。遥感监测结果表明, 在新疆地区因煤矿开发产生的地质环境问题最多, 对环境影响最大。

3.1.2.3 矿山地质灾害与开采方式关系

新疆2014年矿权数量4 451个, 其中地下开采527个, 露天开采3 864个, 露天/地下联合开采60个, 煤矿的90.6%和金属矿的62.2%均为地下开采。因地下开采矿山引发的地质灾害140处, 是露天开采矿山诱发量的3倍。地下开采造成的地质灾害类型主要为采空塌陷和地裂缝, 其次是由采空塌陷、地裂缝导致地面变形诱发的山体开裂, 继而引发崩塌、滑坡灾害; 露天开采诱发的灾害类型则以崩塌、滑坡、泥石流为主。因此, 地下开采要预防采空塌陷的发生, 露天开采需预防崩塌、滑坡及泥石流的发生。

3.1.3 矿山环境污染

矿山环境污染主要有粉尘污染和水体污染2种类型。监测结果显示, 2014年新疆矿山环境污染27处, 包括粉尘污染24处和水体污染3处。新疆气候以干旱、半干旱为主, 大部分区域地表植被不发育, 受季风的影响, 平原、戈壁区的露天开采矿山极易产生粉尘污染, 主要以煤矿和石灰石矿为主, 煤矸石自燃也是产生粉尘污染的主要原因。水体污染主要由金属矿和煤矿开发引起, 新疆水资源较为匮乏, 季节性河流较多, 矿山开采及选矿过程中会引发水土污染, 其规模较小, 多以区域型污染为主。

3.1.4 矿山环境恢复治理

2014年新疆北部地区共有5个地市、11个县开展了矿山环境恢复治理工作, 总计开展工程治理20处; 治理内容有地灾防治、地貌景观修复以及种树植草等, 治理总面积139.79 hm², 以阿克苏地区治理面积最大, 面积达53.68 hm²(图8), 占全部治理面积的38.4%。

图8

Fig.8

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	图8 库车县俄霍布拉克煤矿煤矸石工程治理遥感影像图Fig.8 Remote sensing images of gangue recovery of Ehuobulake coal mine in Kuche County

通过4 a的工作, 逐步建立了适合新疆地区开展矿山环境遥感监测的技术体系, 在资料收集、影像图制作、信息提取等方面形成了特有、完整、有效的工作方法。

首次基本查明了新疆地区矿山开发占用和损毁土地状况、矿山地质灾害、矿区环境污染等矿山地质环境问题, 并对重点的地质灾害集中区开展了连续监测, 为矿山环境整治工作及时提供了技术服务; 以遥感监测成果为基础, 建立了新疆地区矿山地质环境遥感监测本底数据库, 为新疆地区矿山环境动态监测奠定了数据基础。