遥感解译在矿山环境监测中的应用

许冬亮

（辽宁省自然资源事务服务中心—辽宁省基础测绘院，辽宁 锦州 121003）

0.引言

“国家主席习近平2014年11月10日在APEC欢迎宴会致辞时表示，希望中国蓝天常在、青山常在、绿水常在。习近平总书记在党的十九大报告中要求：“改革生态环境监管体制”。在推进全面完成国家自然资源综合治理方面，要严厉打击偷采盗运等违法行为，加快采煤沉陷区、破损矿山地质环境整治，推进矿山生态修复。因此需要利用遥感解译技术，监测矿山及周边环境变化，从而提高自然资源利用，为自然资源合法、合理管理提供技术支撑。

1.总体技术路线

收集整理监测区域范围内多源遥感影像、基础测绘成果、地理国情监测成果等资料，经过坐标转换，统一转换为2000国家大地坐标系，对遥感影像进行解译试验，得到基本解译尺度，套合多种数据成果，首先进行自动提取，然后进行人工判读，最后进行野外核查，形成监测数据成果。对监测成果进行质量检查，建立监测数据评价体系，制作专题地图，为土地利用、矿山演变、环境质量定价提供参考数据。利用遥感解译方法进行矿山环境监测的技术路线（如图1所示）：

图1 矿山环境监测总体技术路线

2.分类及评价方法

2.1 监测分类

通过对已有资料分析，按照矿山监测总体技术路线要求，可以将基于遥感解译的矿山监测分类为土地利用和矿山监测两大类，其中土地利用可以监督农田、林地等7个分类指标，矿山监测需要监督矿山的破坏区域和治理区域的对比。矿山监测分类（如图2所示）：

图2 矿山监测分类

2.2 矿山环境评价方法

2.2.1 环境评价

环境评价是在一个特定的评价范围内，对某一既定目标制定相关标准，例如以环境作为评价对象，在有限程度上预测其发展趋势，综合评估人类活动对环境产生的影响，最终得出评价结论。我国从二十世纪七十年代末开始引入环境评价的相关机制，经过四十余年的不断革新，从最初的一个分类、一个标准、单一体系、普适分析，发展到如今的多个分类、多个标准、层叠体系、广义分析，并且能够做到动态预测、实时播报，为环境评价方法的革新作出了重要贡献。随着计算机、软件、通信、物联网等高新技术的不断发展，信息技术在进行环境评价时的应用较之前更多、更广泛，特别是3S技术的持续发展，给环境评价工作带来了新的方向。

环境评价一般包含数量评价、标准评价和方法评价三个部分。经过多年验证，这样的分类和评价方法是科学的，环境评价的三个部分具体要求如下：

（1）数量评价：定义在有效的评价方法之上，并与评价指标相关，具备客观性、可测性和可比性。

（2）标准评价：评价指标应该是客观的，必须实现评价方法和环境相统一，并且具有一定的包含或交叉领域。

（3）方法评价：旨在找到评价对象的内在联系，并且参照相关学科的基本理论，不能脱离自然和社会，尽量做到简单易行，减小误差。

2.2.2 矿山环境评价

矿产资源的不断开发，造成非常严重的问题，给人类的生存环境带来了非常大的破坏。因此，科学地评价矿山周边环境是一个值得研究的方向。矿山周边环境的相关评价是建立在采集、分类、走访、计算等步骤之上，将收集到的可靠数据导入评价模型进行模拟分析，在有限范围内预测未来一段时间内矿山周边环境可能出现的问题，做到为决策支持提供可靠数据。而且在矿山周边环境评价开始初期，先对其存在的问题进行研究，其次根据调查结果和基础资料的精度，选择不同的方法进行评价。最后给出解决其存在的问题、保护和修复其治理的对策。

评价方法是在矿山环境评价时一种不可或缺的方式。通过对各种环境指标进行监测或分析，找出影响环境质量的主要指标，从而计算单指标环境质量评价值和综合环境质量评价值。评价模型对比表（如表1所示），矿山周边环境评价方法（如表2所示）：

表1 评价模型对比表

表2 矿山周边环境评价方法

2.3 权重的确定与网格法

监测区环境质量评价的目的是通过分析、研究矿山开采活动对监测区环境质量的影响，从而发现存在的问题，然后提出环境治理措施及建议。本文选用层次分析法及粗糙集理论相结合的方法进行矿山环境监测研究。

2.3.1 层次分析法

层次分析法的相关计算步骤：首先是建立层次结构，其次是代入判断矩阵。根据两个评价指数之间的重要性关系，构建判断矩阵如式（1）所示：

式中表示元素i与j的相对重要性，得出的结果可以用标准度方法来表示（如表3所示）：

表3 矩阵标准度及其含义

2.3.2 计算权向量

计算每行矩阵元素的乘积mi如式（2）所示：

其中i，j＝（1，2，．．．．．．，n）。

计算mi的n次方根如式（3）所示：

对特征向量W＝［W1，W2，……，Wn］T进行归一化如式（4）所示：

求矩阵P的最大特征值如式（5）所示：

2.3.3 求一致性指标C.I.如式（6）所示：

2.3.4 判断矩阵合理性检验如式（7）所示：

其中，R.I.为一致性随机指数，其值（如表4所示）：

当C.R.＜0.10时，认为判断矩阵具有合理性，当C.R.≥0.10时，说明判断矩阵不满足要求，需要进行修改。

表4 一致性随机指数

2.3.5 粗糙集相关理论

粗糙集相关理论提供了一种数据挖掘方法，这种方法构建在自然语言基础上，一般的分析对象基于对数据的分析和处理。它不仅是人工智能领域的一个热点，而且为信息科学研究提供了一种新的思路。粗糙集理论定义：

定义1：S＝（U，A，V，f）是一个决策系统。其中U≠Φ为论域；A＝C∪D，C和D分别为条件和决策属性集，且C∪D≠Φ；V为属性的值域集，Va为属性a的值域；f：U×A→V为一个信息函数，对∀x∈U，a∈A，存在f（x，a）∈Va。每一个属性子集P⊆A存在一个二元不可区分关系如式（8）所示：

关系IND（P），P∈A表示U的一个等价划分，记作U/IND（P），U／/ND（P）中的任意元素[X]p称为等价类。

定义2：设X∈U，R为U上的等价关系，U/R为R对U的划分，则如式（9）和式（10）所示：

分别称为X关于R的下近似和上近似。

定义3：令P和Q为U中的等价关系，Q的P正域记为POSP(Q)，Q和P之间的依赖程度记为其中0≤γ（Q）≤1，属性的差异带来的直接影响就是导致决策结论不一致，因此需要逐一排查特定的属性，经过迭代后找到变化趋势最大的属性，确定该属性为对决策结论影响最大的属性。属性变化的幅度直接影响到决策结论变化的幅度。

定义4：在定义1中的决策支持关系中，属性子集C'∈C关于D的重要定义如式（11）所示：

若C={a1，a2，......，an}，则属性ai的权重如式（12）所示：

3.遥感监测

3.1 研究区概况

以辽东半岛南部作为研究区域，面积约157300.34公顷。该区域为温带季风气候，年平均降雨量约为610-720毫米。研究区域影像（如图3所示）：

图3 研究区域影像图

3.2 数据来源

本论文选择了高分一号、高分二号及资源三号卫星遥感影像，基础测绘DLG成果，2018年地理国情监测影像分类成果，另外还收集了地区行政区划、研究区域内矿权文本数据等资料。

3.3 数据处理

数据处理一般包括影像融合和几何校正。其中影像融合通过融合算法，对影像进行处理，避免畸变，融合后地物更加清晰，提高人工判读准确性。几何校正的目的是纠正影像的几何变化，便于影像配准，几何校正是必须的，这样做可以消除地物变形问题。

3.4 遥感解译

首先将融合、几何校正后的影像进行多尺度分割，通过试验对比，得出适合试验区域的分割尺度，采集特征点，自动解译土地利用中农田、林地、草地、水库等类别，通过基础测绘数据自动提取建设用地、道路和矿区，通过人工判读进行修正，并人工解译历史影像中矿山破坏区域和矿山治理区域。矿区恢复治理前后对比影像（如图4所示）：

图4 矿区恢复治理前后对比影像

4.监测结果分析

通过监测结果分析可知，较为严重影响的矿区面积约为6338.17公顷，占试验区域面积的4.03%，次一级严重影响区域面积约为21961.28公顷，占试验区面积的13.96%，较轻影响区域面积约为129000.89公顷，占试验区面积82.01%。研究试验区域属于矿区治理轻度影响区域，与研究区域实际情况相符，说明试验区域影像解译尺度合理，特征点采集准确，可以作为研究区域矿山演变、环境保护等自然资源管理的决策依据。

5.结束语

通过对监测区域范围内多源遥感影像进行解译试验，我们不难发现，监测试验区域开发进程加快，采矿用地在逐年增大。矿山恢复治理速度跟不上开发进程。通过遥感解释，直观体现出矿山恢复治理率的大幅下降。监测区域内有关部门应进一步加强对矿山监管和治理。

遥感解译监测在矿山环境监测中，是获得矿山环境监测数据较为直观且精准的技术路线，可以作为大范围推广的矿山环境监测手段。为生态环境监管、治理提供了重要的数据支持及治理依据，对我国环境生态保护具有重要的意义。