矿山环境效应遥感概述——以湖北省重点矿集区为例
第一章绪论
遥感是一种在不与地物直接接触的情况下，获取，传输、处理及提取地物信息的手段。与常规手段相比，遥感技术具有多点位;、多波段;、多时相;等特征，以高空鸟瞰的形式，对地面进行立体的多角度观察，还能够获取可见光之外的地物光谱信息，拓展人眼的观察领域，能对同一目标进行多次重复观测，提供客观现象（特别是动态变化现象）在时间维上的演化轨迹⑴。过去20年来，遥感技术在林业、农业、地质调查、海洋生态等领域有着广泛而成功的应用，是资源与环境研究领域中不可缺少的技术手段。对于矿山环境的调查而言，遥感技术不受地理条件的限制，能够快速、宏观、动态的获取大范围矿山环境信息。论文以矿山环境为主要研究对象，以遥感为主要研究技术手段，探、矿山环境遥感调查的相关理论、方法，并深入研究了尾矿库、矿山占地、矿山地质灾害等矿山环境要素遥感调查的具体方法。
1.1选题依据
1.1.1选题来源
矿产资源是国民经济、社会发展和人民生活不可缺少的重要物质基础。我国矿产资源的开发与利用长期处于低效率;、高消耗;、高污染;的不合理开发现实，同时引发了系列严重的环境问题如地面形变（地面塌陷、地裂缝）、崩塌、滑坡、泥石流、水土污染、大气污染、土地和植被的压占与破坏、地形地貌人文景观破坏等一系列严重的地质灾害、资源损毁和环境污染问题，不仅威胁到人民群众的生命财产安全，而且严重影响和制约着社会和经济的发展。这与建设资源节约型、环境友好型;和谐社会和实现社会经济的全面协调可持续发展的主题极为不符。
近年来，由于矿业活动引发的环境问题已愈发尖锐，矿山环境保护与治理恢复措施开始受到各级政府和社会各界的高度重视。国土资源部从2003年开始部署了重点矿山的遥感调查与监测工作的试点研究，2006年部中国地质调查局正式启动了我国矿产资源幵发多目标遥感调查与监测项目，利用先进的遥感技术，对我国重要成矿带、矿集区和规划区实施矿产资源开发利用状况、矿山环境和矿产资源规划执行情况的遥感调查与监测工作。通过对矿山环境的遥感调查与监测，了解和掌握了我国重点矿区矿业活动秩序、矿山环境问题及热点区矿业活动占地情况、矿区地质灾害分布状况和矿山环境污染情况，为矿区环境综合整治提供决策数据，同时也为矿山环境恢复治理工作提供监督手段。
我国幅员辽阔，矿山数量众多、分布面广，矿山环境问题复杂且多样。传统的实地调查周期长、成本高，且耗费大量的人力、物力和财力。因此，使用先进的遥感技术方法对矿山环境进行调查是十分有必要的。
1.1.2选题目的和意义
遥感技术在农业、林业、环境、土地利用动态变化等领域的成功应用为矿山环境效应研究带来了新的技术方法。国内外也有不少矿山环境效应遥感研究的成功例子。然而，至今，尚无一套比较完善且较为成熟稳重的矿山环境效应遥感研究的理论体系，因此，本研究着力于完善已有的矿山环境效应遥感研究理论，同时基于高分遥感数据（高空间分辨率、高光谱分辨率）、实测光谱数据及相关样品成分测试数据，综合研究矿山环境各要素特征及其在遥感图像上的光谱、纹理特征，在此基础上建立适于尾矿库、矿业活动土地利用动态变化及矿山地质灾害等的遥感监测方法，为矿山环境的监测提供新的技术手段，为矿山环境恢复治理提供客观基础数据。
理论意义：以矿山环境各要素为研究对象，建立并完善矿山环境各要素在遥感图像上的识别标志，探索矿山环境调查、监测的技术路线和基本方法，初步建立矿山环境遥感的理论体系，为实现对人类行为的引导和调控，建立和谐统一、良性循环的人地关系作出贡献幻。
现实意义：在大规模金属矿山的釆选冶过程中，产生了大量三废;物质，严重破坏了矿区的生态地质环境。矿山环境问题日益突出，急需解决。传统基于地球化学的调查方法耗时、耗力，且无法做到长期动态监测。国内外已有的遥感调查监测模里多基于经验方法、半经验方法构建，稳定性较差。本论文的研究可为矿山环境监测提供快速、有效、低成本的全新技术手段，为矿山环境的恢复治理提供客观、真实的基础资料。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1矿山环境效应遥感研究的国外现状
遥感技术在矿山环境监测方面的应用主要经历了从低空间低光谱分辨到高空间高光谱分辨率的发展过程，技术层面上从对污染能够分辨发展到能够识别污染物，再进一步发展到对污染的定量化描述，矿山环境遥感研究取得了很大的进展。
早在1969年美国就开始关注矿山环境及矿山灾害，并启动了相关项目实施矿山环境和矿山灾害的监测;，此外，他们还基于遥感技术来监测煤肝石堆的动态变化情况，预防石干石堆的自燃爆炸；同时，基于遥感影像对采煤区土地复垦情况进行了成功的动态监测，为土地复垦的管理提供了大量客观、详实的资料，提高了相关部门的执法力度。
2000年，法国地调局联合多个单位采用遥感技术动态监测矿业活动引发的矿山环境效应俄罗斯科研人员采用1964到1996年的：星遥感数据ola在半岛进行了矿山开发产生的固体废弃物、废水及废气对环境产生影响的调查与评价工作，监测了半岛环境的变迁过程。
伴随着传感器技术的发展，以星载的Hyperion高光谱成像仪投入使用为标志，成像光谱技术的出现使人们识别遥感图像地物从依靠色调、形状、纹理等定性特征转换到依靠地物的光谱吸收和反射特征，从而定量化描述地物特征。
1999年，Ferrie等人利用高光谱影像长期跟踪了西班牙Rodaquiar铜矿区，并研究了由于铜矿过度地开采而形成了巨大的采空区，进而引发的地面塌陷的变化趋势及对其他环境要素产生的影响。
近年来，将遥感技术应用于矿山环境监测是外研究的个热点问题，如美国地调局、欧共体、澳大利亚、荷兰ITC等都先后开展了相关的研究，其中矿区土地利用动态变化情况监测、矿业活动引发的环境效应遥感监测等均是重要的研究内容。在上述研究中，最具代表性的是欧共体实施的MINEO项目该项目是国际上综合应用RS、GIS等技术监测和评价矿产资源开发对环境产生影响研究的典范，项目组选择了不通气候条件下的不同类型矿山，应用高光谱及多光谱遥感阁像来监测矿山环境，取得许多成果，对于我国开展矿山环境遥感监测具有重要的启发和借鉴意义，mineo项目情况见表1-1。
第二章研究区概况
湖北省主要矿集仅括鄂东南铁铜多金属矿集区和鄭西的憐矿集，本论文以鄭东南大冶铁铜多金属成矿区和鄂西荆襄憐矿区为主要研究基地，探讨基于遥感技术的矿山环境调查及监测的理论和方法。鄂东南地区具有可供开发利用的铁、铜、金、银、鹤、银等金属矿产以及煤、膨润土、水泥用灰岩、溶剂用灰岩等非金属矿产，矿种多，配套齐全。该区矿产资源种类多样，矿山类型齐全，是进行矿山环境深入研究的理想之地。鄂西地区可供开发利用的矿产以憐矿、煤炭等非金属为主，其次为非金属及建材类矿产。磷矿及煤炭的开采利用方式均为地下开采，是进行地下矿业活动引发环境效应研究的典型地区。
2.1自然地理环境
2.1.1区位及交通状况
鄂东南大冶铜铁多金属矿集区地处长江中游南岸，位于九省通衢;湖北省的东南部，是中国重要的铁矿和有色金属矿产生产基地和港口城市。鄂东南地区东北临长江，与本省蕲春县、稀水县和武穴县隔江相望；东南与北武宁县、瑞昌市接壤；两南与咸宁市、通山县为邻，紧接潇湘；西北靠武汉市，遥望荆楚。在陆面交通上，有沪蓉高速横贯北部，上通渝蓉高速，下通宁沪高速和武昌黄石九江铁路，东连浙赣线，西接京广线；在水路上，依托长江向东沿江而下，可至九江、南京、上海，直达长江口。向西逆江而上，可至武汉、宜昌、重庆等地。运输发达、交通十分便利，区域地理优势明显，见图2-1。
鄂西聚憐区地处湖北街的西部，长江中游，东临大洪山、江汉平原西缘；西靠大巴山、巫山山系；南部为淸江流域和恩施土家族苗族自治州；北接荆山和武当山北麓。长江和汉江流贯全境，316国道及汉丹、湘渝铁路横贯东丙，209、207国道和焦柳铁路纵穿南北，宜昌三峡机场、荆州沙市、襄樊等机场构成航空运输网等，构成了立体交通格局，交通优势明显，见图2-1。
2.2区域地质背景
都东南矿集区成矿条件优越，矿产资源丰富，矿产采冶历史悠久。北部成矿岩体吞烛了大量富镁的碳酸盐物质，其边缘多与碳酸盐直接接触，发生在岩体与碳酸盐岩接触带上的纵向断裂，因多次活动，形成规模较大的接触断裂复合构造带。中部和南部从志留系到第四系均有出露，除第四系，以志留系和三叠系分布最广，志留系常组成背斜部，三叠系常组成斜轴部，整体属于扬子区大冶小区。
鄂西矿集区主要产碟矿、煤矿及建材类矿产，区内憐矿属沉积类憐矿床。该区属于准扬子地台，憐矿赋存于震旦系上统陆山花组的屮下部，矿集区地质背景。
2.2.1岩浆岩
鄂东南矿集区内地质构造的复杂性造成岩架活动频繁，以燕山期为主，喜山期为次，有三个侵入或喷出阶段（燕山早期、燕山晚期、喜山早期），六次侵入活动，按岩体的产出规模形成了五大告体（铁山、金山店、灵乡、殷祖、阳新）和数十个小岩体（如铜山口、铜鼓山、丰山洞等）。中酸性侵入岩一喷出岩相当发育，以屮生代闪长岩一中生代花岗岩为特征，成矿作强烈，矿产资源丰富，是长江屮下游铁铜金多金属成矿带的重要组成部分。
2.2.2矿产资源分布规律
鄂东南矿集矿产分布面广，矿产地相对集中，矿床规模以中、小型为主。与岩架岩关于的这些矿产沿着六大侵入岩;和岩的接触带及其他小岩体出露分布，并相对集中于铁山、铜绿山、金山店、灵乡、铜山口、鸡笼山等地。与二叠系和三叠系地层关于的矿床、矿点。研究区内大型矿床有斑岩型铜山口铜一钼矿床、砂卡岩型金山店铁一铜矿床、砂卡岩型铜绿山铜一金矿床、砂卡岩型程潮和铁山铁矿床等。
第三章矿环境及矿山环境遥感研究.......29
3.1矿山环境......29
3.1.1矿山环境概念.........29
3.1.2矿山环境研究内容..........29
第四章尾矿库专题研究......49
4.1尾矿库环境效应.........49
4.1.1尾矿库概述......50
4.1.2尾矿库的环境效应......50
第五章矿山开发占地专题研究........73
5.1矿山开发占地解译标志.....73
5.2矿山开发占地特征.........73
第六章矿山地质灾害专题研究
地质灾害主要是由于各种自然的、人为的或综合的地质作用的发生，使得地质环境发生了破坏，突发事件造成人民生命或财产严重损失的事件。矿山地质灾害则是指发生矿山开采活动中的，由于大规模的矿产资源开釆活动对矿山地质环境造成破坏，并威胁矿区周围正常生产生活的具有破坏性的灾害地质作用。
在采矿活动过程中会有物质转移和能量交换的过程，这是矿山地质环境产生变异的主要原因。人为的矿产资源幵采活动使得原有的矿山地质环境发生改变，并诱发各种地质灾害的发生。这些突发事件严重影响了矿山以及矿产资源的可持续发展。对于矿山地质灾害发生的时间、强度、种类已经分布空间范围等，主要受矿山地质环境以及开釆方式等因素综合影响。
6.1矿山地质灾害解译标志
6.1.1矿山地质灾害的孕灾条件
矿山地质灾害的孕育及发生与地质灾害的发生皆是内外因素共同作用的结果。区域地质环境背景，地形地貌及水文地质条件等决定地质灾害的种类，规模，强度和空间分布，是地质灾害发生的内因。人为因素及其它触发因素可诱发地质灾害，并加速地质灾害的发生和发展，是地质灾害发生的外部因素。与其它地质灾害的成因及发生、发展不同，矿山地质灾害的成因、发生和发展具有较强的可预见性和可预防性。矿山地质灾害一般发生在矿业活动区，其地质条件、地形地貌和水文地质条件的详细情况早在矿产资源开发前就已调查清楚。在整个矿区，矿山地质灾害的易发区是可预见的。此外，由矿业活动导致的人为因素是引发矿山地质灾害发生的主要原因之一。本节将从地质条件、地形地貌、水文地质条件、人为因素及其它触发因素等方面来分析矿山地质灾害的孕灾及成灾条件。
第七章结论和展望
论文以矿山环境为主要研究内容，以遥感技术为主要研究手段，并结合湖北省重点矿集矿山环境遥感调查与监测具体项目的实践和应用，对矿产资源采选冶过程中产生的环境问题及其遥感调查与监测的理论和方法进行了系统研究。矿山环境涉及到矿区地质地理背景、水土流失及污染、地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、土地资源破坏、土地沙化、尾矿库溃现、地表水及地下水水均衡条件等方面，具体研究内容涉及到地质学、地理学、环境学、生态学、水资源学等多个学科及其交叉边缘学科。通过研究，深感遥感技术在动态监测矿山环境方面具有明显优势。论文立足于矿山环境效应和国家对矿山遥感的技术需求，通过对鄂东南及鄂西矿集的典型矿山环境问题研究，得出以下结论。
7.1结论
（一）在矿山环境遥感研究的基础理论方面，文章重点探索了矿山环境遥感相关理论和研究方法，初步建立了矿山环境遥感的基础理论及一般研究方法。
（1）在已有的矿山环境相关理论基础上，结合遥感技术可探测的程度，提出了矿山环境遥感的概念、研究内容和遥感机理，初步建立了矿山环境遥感的基本理论基础。
（2）结合矿山环境和遥感技术的特征及其研究方法，初步建立了矿山环境遥感研究的一般方法包括目视解译、计算机自动分类、遥感应用模型及多源信息协同综合提取信息。
（二）针对论文所用数据源特征，提出了合适的福射纠正方法和图像融合方法。
（1）依据WorldView-2全波段图像的特征，选用合适的定标方法完成了高分图像的福射定标，并基于FLASSH模型对其进行大气校正。
（2）分析了传统高空间分辨率全色影像与多光谱影像融合的模式中，光谱不匹配是导致融合后影像光谱失真的本质原因。以Hyperion和SPOT5的融合为例，基于由传感器决定的遥感图像光谱特征，提出了一种新的融合模式。该融合模式要求从高光谱影像中抽取多个单波段影像与多光谱影像屮的个波段进行融合，并确保多个单波段影像与多光谱影像中的一个波段具有相同光谱响应范围。提出的融合模式有效避免了传统融合模式中因光谱响应范围不匹配而产生的光谱畸变问题。
（三）初步探索并提出了尾矿库信息提取的方法，完成了中国地质调査局对尾矿类二次资源;调查的任务。
（1）基于WorldView-2影像，深入分析了尾沙的成分特征、结构特征、纹理特征、分布特征及其高分遥感图像上的响应，建立了尾矿库的高分遥感图像识别因子，完成了研究区尾矿库的调査。
（2）利用ASD光谱仪实测尾沙光谱，结合实测尾沙光谱曲线遥感图像上相应的尾沙光谱曲线建立了基于WorldView-2全波段影像黄色波段和近红外2波段的改进型归一化尾沙指数，提取研究区尾矿库信息。针对含水尾沙与居民区屋顶、千涸尾沙与矿山道路的异物同谱;问题，则采用同质性纹理特征解决。最终结合MNDTI指数和同质性纹理特征建立尾沙提取模型MTI快速提取了研究区不同类型尾矿库。
参考文献（略）