礦區生態擾動監測研究進展與展望
汪云甲1,2
1. 中國礦業大學環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116;
2. 國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室, 江蘇 徐州 221116
基金項目：國家自然科學基金（51574221）；測繪地理信息公益性行業科研專項（201412016）
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之一作者簡介：汪云甲(1960-), 男, 教授, 博士生導師, 研究方向為國土環境及災害監測、室內定位系統、礦山測量等。E-mail:wyj4139@cumt.edn.cn
摘要：礦區資源開發致使其面臨著嚴重的生態環境問題，監測和分析礦區生態環境各種典型信號和異常已成為環境保護、生態恢復等工作的重要基礎。本文從地表形變與沉降、地下煤火與煤矸石山自燃及其他生態要素監測等方面討論了礦區生態擾動監測研究進展，進行了國內外進展比較及發展趨勢展望。由于采動沉陷與生態環境變化的特殊性、復雜性和高度動態性，單一監測手段難以奏效，將空天地一體化對地觀測傳感網和礦山物聯網相結合，發展礦區生態擾動多源多尺度空天地協同監測與智能感知體系，是未來研究的重點及努力方向。
關鍵詞：礦區 生態擾動 地表形變與沉降 地下煤火 煤矸石山自燃 監測
Research Progress and Prospect on Ecological Disturbance Monitoring in Mining Area
WANG Yunjia1,2
Abstract: Due to the exploitation of resources, serious ecological and environment problem had been aroused in the mining area. Monitoring and *** yzing various typical signals and anomalies in the ecological environment of the mining area had become an important basis for environmental protection and ecological restoration. The research progress had been reviewed from such aspects as ground deformation and subsidence, underground coal fire and spontaneous combustion of coal gangue and other ecological disturbance factors monitoring. For the particularity, complexity and highly dynamic of mining subsidence and ecological environment change, the single monitoring method is not enough, integrating the aerospace-borne and ground based integrated earth observation sensor Web and mine Internet of Things, to develop multi-source and multi-scale aerospace-borne and ground based cooperative monitoring and intelligent sensing system for ecological disturbance is the future research focus and direction in mining area.
Key words: mining area ecological disturbance ground deformation and subsidence underground mine fire spontaneous combustion of coal gangue monitor
礦區資源開發，致使其面臨嚴重的地表沉降、土地破壞、植被退化、水質污染、大氣污染等生態環境問題。盡管各類環境生態擾動表現方式和演變機制各不相同，但在生態環境災害孕育、形成和衰退階段都會在地表和近地表層呈現出特定的幾何、物理或化學性異常。監測和分析礦區生態環境各種典型信號和異常，方便、快速、低成本地獲取精確、可靠、及時的礦區生態擾動數據資料，客觀、準確地反映礦區生態擾動狀況是環境保護、生態恢復等工作的重要基礎及關鍵，也是國內外研究的熱點、重點和難點。
礦區生態擾動監測是指運用各種技術探測，判斷和評價礦區資源開發對生態環境產生的影響、危害及其規律，分為宏觀微觀監測、空天地監測、干擾性生態監測、污染性生態監測和治理性生態監測等類型，具有綜合性、空間性、動態性、后效性、不確定性等特征。從20世紀90代開始，美國及歐洲的一些發達國家利用先進的光學、紅外、微波、高光譜等對地觀測技術和數據，針對礦區各類生態環境及災害要素，如開采沉陷、水污染、植被變化、土壤濕度、大氣粉塵等進行了長期有效的動態監測，為礦區環境保護監測目標的定量分析提供了依據。受技術和數據限制，國內相關研究起步較晚，但發展很快，如有關高校“九五”期間就將“礦區生態環境監測與治理”列入“211”重點學科建設項目，深入研究了地面測試和空間對地觀測集成研究的作業模式、精度匹配，以及地理、環境和資源環境遙感與非遙感數據復合處理的關鍵理論和技術 *** 。隨著各種衛星的發射升空，以及各類天基、地基、巷基傳感器等裝備及信息系統的成功研制和使用，我國學者綜合運用對地觀測、無人機遙感監測、三維激光掃描、地面生態監測等手段及物聯網等技術，在礦區生態環境領域開展了多方面的基礎和探索研究，并取得了較大成果。然而，礦區生態擾動監測研究往往局限在小尺度和單一礦區，尚難以對各類環境和災害要素的時間和空間演化特征進行精準評價，礦區生態擾動單一監測手段難以奏效，亟須發展多源多尺度空天地協同監測與智能感知體系。
1 研究進展
礦區生態擾動監測對象、 *** 涉及內容眾多，研究區域及目標不同，其監測對象、指標、監測 *** 也有所差異。這里主要考慮應用需求及研究的關注度與深度、廣度，側重地球空間信息技術應用角度，從地表形變與沉降、地下煤火與煤矸石山自燃及其他生態擾動要素監測方面對主要研究進展進行敘述。
1.1 地表形變及沉降監測[1-19]
礦產開采引起上覆巖層以及地表產生移動與變形，這是開采沉陷及其衍生災害產生的根源。快速獲取巖層、地表的移動與變形是進行沉陷災害評估預測、土地復墾與生態修復的前提。國內外學者在地表沉降變形監測方面作了大量研究，傳統的地表沉陷觀測手段主要是通過布設地表移動觀測線或觀測網來獲取地表移動和變形數據，通過對這些觀測數據的處理，反演出相應的物理力學與幾何參數，進而預測未來地表形變強度及其影響范圍，采用的 *** 包括三角測量、精密導線測量、精密水準測量、近景攝影測量、GPS等。但常規的監測 *** 雖然精度較高，卻存在工作量大、成本高、變形監測點密度低且難以長期保存等缺點，不便于獲取地表形變的三維空間形變信息、歷史信息以及大范圍的作業；GNSS連續運行參考站系統(CORS)具有定位精度高、觀測時間短、可以提供三維坐標等優點，但存在只能進行點、線測量，只適用于小范圍的靜態變形監測等問題。
合成孔徑雷達測量(synthetic aperture radar，SAR)技術為解決上述問題提供了新的技術途徑，成為近年來的研究熱點，德國、澳大利亞、法國、英國、韓國等國外及香港學者在實踐、理論、算法與應用等方面取得了眾多成果。我國于21世紀初將InSAR技術用于礦區開采沉陷監測，隨著ENISAT、ALOS、RadarSAT-2、TerraSAR等衛星的升空，可用于干涉處理的SAR影像數據越來越多，并且影像的分辨率、波長、入射角等也不盡相同，推動了國內的相關研究。實踐表明，與傳統的開采沉陷監測 *** 相比，InSAR技術監測地面沉降具有大面積、大時間跨度、成本低的優勢，探測地表形變的精度可達厘米至毫米級。但由于開采地表沉降量大、速度快，且不少礦區地表植被覆蓋好，使得InSAR技術極易造成失相干，出現了諸多問題需要解決。為此，人們逐漸從以往的高相干區域轉移到了長時序上個別的高相干區域甚至是某些具有永久散射特性的點集上，通過分析它們的相位變化來提取形變信息，以此對InSAR技術進行了拓展，如永久散射體差分干涉測量(PS-InSAR)、人工角反射器差分干涉測量(CR-InSAR)、短基線差分干涉測量(SBAS)等，以提高形變監測的精度，這些技術在徐州、西山、神東、唐山、皖北等礦區得到應用，取得了重要成果，但仍然發現存在諸多問題，如礦區地表沉降是以非線性形變為主要成分，上述技術的解算模型則是建立在線性模型的基礎上；礦區開采導致地表變形大，現有的解纏 *** 并不能得到大變形梯度條件下的地表變形等。
此外，國內外學者還采用PPP、CORS、三維激光掃描及無人機等現代測量技術， *** 傳統高程及平面監測數據，構建了復雜礦山高精度測繪框架，開發了相應的軟件系統，在此基礎上，進行變形監測及開采沉陷參數反演等研究。
近幾年，針對空天地沉降監測中多源數據時空分辨率多樣、技術 *** 各異、數據質量和可靠性存在差異等問題，結合各類數據、 *** 、技術優勢，國內深入開展了多源數據融合和信息提取關鍵技術的研究與開發，主要工作及取得創新成果有：
(1) 基于知識的礦區形變SAR信息提取技術
研究了基于DInSAR和概率積分預計模型的聯合解算地表沉降 *** 、融合累積DInSAR和子像元偏移 *** 提取礦區地表變形 *** 等結合開采沉陷知識的礦區大變形SAR信息提取技術。以峰峰礦區萬年、徐州龐莊、榆林大柳塔等煤礦為試驗區域，獲取了礦區概率積分法參數，得到了大形變梯度條件下地表沉降，證明了 *** 的有效性，為礦區地表沉降提供了新的研究思路。
引入了超短基線干涉測量技術進行老采空區沉降監測。該 *** 相比傳統的干涉差分SAR技術具有無需外部DEM的優勢，避免了外部DEM的引入所帶來的誤差。利用該 *** 獲取了老采空區沉降速率和形變時間序列，在此基礎上建立了地表殘余下沉速度循環周期與采厚、下沉速度循環峰值與深厚比的經驗關系式，為預測和評價老采空區殘余形變提供了基礎。
對于礦區塌陷裂縫, 提出采用濾波后的差分干涉圖對應的偽相干圖進行精確定位, 采用紋理分析法實現地裂縫的自動提取, 采用不同期的偽相干圖揭示地裂縫的時空活動特征。采用偽相干圖一次性探測了神木煤礦十余個礦井的塌陷位置信息, 與已有的煤礦分布圖具有很強的一致性。
針對InSAR技術大尺度形變監測, 采用SBAS *** (短基線集)對滿足一定時空基線的干涉對進行處理, 有效地減弱時空基線引起的失相干問題, 在提高D-InSAR結果精度的同時提高形變的時空分辨率；針對大地形變場研究的熱門 *** -位錯模型, 研究基于垂直方向的簡化后位移位錯模型, 并結合InSAR結果利用大地測量反演 *** 反演煤礦塌陷機理。
構建了InSAR技術監測與預計一體化模型。該模型利用InSAR技術的全天候、高精度、大區域等優勢進行開采沉陷監測，獲取開采沉陷的影響范圍與發展趨勢，得到其時空演化規律。在此基礎上將監測結果作為SVR算法的訓練與學習樣本建立已觀測數據與未來沉降之間的函數，進行開采沉陷動態預計，最終實現開采沉陷監測與預計的一體化。
(2) 多尺度多平臺時序SAR影像地表沉降信息獲取 ***
提出了一種綜合利用SAR影像幅度和相位信息獲取礦區地表時間序列沉降的新 *** 。該 *** 一方面利用基于幅度信息的ABFT技術進行大梯度形變區域的監測，同時采用基于相位信息的IPTA干涉測量技術進行微小變形區域的監測，再將二者得到的形變監測結果進行融合得到形變區域的完整監測結果。相比單獨利用相位測量技術，融合后的結果能獲取大變形區域的形變信息；同樣相對單獨利用強度跟蹤技術，融合后的結果獲取得到了更多更精確微小形變的信息。
研究了利用Envisat、ALOS、Radasat-2、TerraSAR-X及Sentinel-1A等不同衛星影像提取地表變形 *** 。將Envisat、ALOS衛星獲取的不同尺度的SAR影像提取的地表時序沉降信息進行融合，聯合獲取地表變形信息。上述 *** 在峰峰等礦區進行了應用及驗證。
提出了融合多源SAR影像提取礦區三維形變場并反演概率積分法參數的 *** ，為礦區地表移動監測及開采沉陷預計提供了新的技術途徑，彌補了離散地表監測點不能全面描述真實地表形變信息的缺陷。
研究了基于多軌道SAR影像的地表三維形變提取 *** 。該 *** 采用不同軌道獲取的至少3景影像(如Radarsat-2、TerraSAR-X、Sentinel-1A)，根據衛星航向角、入射角等信息，基于最小二乘原理將干涉SAR技術得到的視線向變形分解到三維方向，從而建立礦區地表三維形變場。研究了基于偏移量跟蹤算法的礦區地表方位向及距離向二維地表形變 *** ，在一些礦區進行了應用及驗證。
(3) SAR與GNSS、LiDAR及無人機數據的融合 ***
研究了基于GNSS的干涉圖中大氣延遲相位的估計 *** 及軌道誤差修正 *** 、多軌道SAR影像同GNSS結果融合的地表三維變形解算 *** 、地面控制點與TCPInSAR技術的融合 *** 等，并進行了應用及驗證。
提出了一種基于地面LiDAR點云數據和InSAR數據融合的礦區地表大梯度形變監測 *** 。該 *** 一方面利用IDW算法對SAR形變場中的大梯度形變和失相關區域進行填補，另一方面對地面LiDAR點云形變場和InSAR形變場的公共覆蓋區域進行均化融合, 一定程度上解決了InSAR技術應用于礦區大梯度形變中所遇到的問題。
研究分析了Envisat、ALOS、TerraSAR-X、Radarsat-2、Sentinel-1A等多源多尺度SAR數據的融合解算 *** ，提取了更為全面的地表時序地表沉降量。在此基礎上，研究了SAR技術同地面三維激光掃描、GPS、水準數據、無人機等融合 *** 。針對時序InSAR處理 *** ，提出了基于無偏相干估計的時序觀測量選取算法、聯合解算軌道誤差和形變的TCPInSAR模型，在峰峰等礦區進行了應用及驗證。
(4) 利用多平臺SAR數據和3種基于水平形變假設的地表形變聯合監測 ***
利用多平臺SAR數據、基于無水平形變假設的地表形變聯合監測 *** 主要利用MTInSAR技術監測結果和“同名點對”搜索與融合 *** 來進行基于多平臺SAR數據的地表豎直形變聯合監測，聯合監測結果與單一平臺SAR數據監測結果相比具有監測頻率高(時間分辨率高)、監測點密度大(空間分辨率高)和噪聲點少的優勢，更有利于非線性(時間維度)或非均勻(空間維度)地表形變的監測和反演。
利用多平臺SAR數據、基于水平形變速率不變假設的地表形變聯合監測 *** 首先利用MTInSAR技術得到各平臺SAR數據形變監測結果，而后基于“同名點對”搜索和加權最小二乘 *** 來反演研究區水平形變速率(各監測點水平形變速率相同)和豎直形變速率。該聯合監測 *** 較單一平臺SAR數據監測 *** ，具有能夠反演地表三維或“偽三維”形變速率的優勢。
改進了利用多平臺SAR數據、基于小基線技術和正則化 *** 的地表形變聯合監測 *** 。將觀測值權重引入該 *** ，并根據研究區地表形變的特點將正則化矩陣由原 *** 的單位對角矩陣擴展為一般矩陣，改進的 *** 能夠更好地考慮各差分干涉測量值的觀測質量和研究區的地表形變特點。該聯合監測 *** 可以得到地表形變二維或三維(由具體的數據情況決定)的時序監測結果，具有能夠增加監測頻率，反演多維地表形變的優勢。
(5) 礦區地表沉降、建筑物沉降以及結構物形變監測的自動化監測系統
采用液體靜力水準開展了礦區公路、建筑物沉降自動監測；開發了基于光學影像的試驗模型沉降高精度、自動化獲取 *** ；開發了基于測量機器人的結構物形變監測控制系統，實現了礦區大型構筑物形變信息的快速獲取。
1.2 地下煤火及煤矸石山自燃監測[20-31]
地下煤火主要是指煤礦由于人為因素或自燃形成的煤田火和礦井火，在中國、美國、澳大利亞、印度、印度尼西亞等國家普遍發生。自燃煤火已經成為全球性的災難。煤火在造成巨大能源浪費的同時，伴隨產生的SOX、CO、NOX等有害氣體以及大量煙塵嚴重污染空氣，威脅著居民的身體健康，煤火燃燒產生的溫室氣體CO2和CH4加劇了全球氣候變暖。地下煤炭燃燒也導致了地表沉降，嚴重時會產生大量地表裂縫，形成嚴重的地質災害。煤火探測主要從勘查區的熱異常、地表沉陷和區域空氣異常3個方面進行。同時，煤火探測的主要目的是確定煤火的空間位置及狀態。早期主要采用測溫、鉆探等直接 *** 進行煤火探測。隨著科學技術的發展已逐步發展為測溫、鉆探、物探、遙感及紅外探測相結合的綜合探測 *** 。遙感監測煤火的研究開始于1963年，HRB-Singer公司在美國賓夕法尼亞州的斯克蘭頓用熱感相機RECONOFAX紅外偵查系統，進行探測和定位煤矸石的可行性試驗，這是科技人員首次利用熱紅外遙感技術研究和探測煤火，此后國內外學者對煤火問題展開了一系列研究，形成了大量基于遙感探測煤火的成果，包括煤火溫度的定量反演、煤火異常區提取、煤火區特征地物信息提取、煤火動態監測等。目前更加注重對地下煤火信息提取的研究，如利用航空、航天熱紅外遙感數據提取地下煤火信息，利用雷達影像探測地表沉陷，利用可見光影像提取煤火產生的地表裂隙等，煤火遙感監測 *** 正不斷地向精確化、自動化方向發展。我國學者針對地下煤火的類型和特點，將火區地質模型(燃燒分帶、燃燒系統、燃燒階段等模型)認識與高精度遙感的優勢相結合，通過燃燒裂隙、燃燒系統和采煤工作面等重點信息的提取，大幅度提高了煤火信息的獲取水平和探測精度。對生產礦山地表淺層燃燒的暗火火區，已結合礦區實際，初步建立了集成無人機、遙感、熱紅外成像儀、GPS、InSAR、三維激光掃描儀等軟硬件的立體監測技術體系，指導了煤火災害治理工作，提高了煤火調查、預警及治理的效率。
利用遙感手段探測煤礦火區的 *** 與所用的傳感器密切關聯，低分辨率熱紅外衛星因其空間分辨率過低而不能滿足小區域煤火的監測需求; 通過中分辨衛星的Landsat熱紅外傳感器和ASTER反演地表溫度的算法較為成熟，以輻射傳導方程法、單窗算法和單通道算法精度更高，應用也最多。在地表溫度反演的基礎上，許多火區圈定的 *** 被提出，在火區自動提出 *** 中，尤其以移動窗口算法和自適應梯度閾值法最為著名。中分辨的衛星雖能識別火區及其動態變化，但是受太陽熱輻射、植被、地形、氣象等條件的影響，反演的地表溫度精度不高，導致火區的識別精度不能得到根本性的提升。機載熱紅外數據可以滿足火區識別的精度要求，但是儀器昂貴，數據采集成本居高不下，未能得到廣泛應用。近年來，測量型無人機的出現為煤火監測提供了新的技術手段，無人機的優勢在于采集數據的成本低、測量數據的精度高，無人機熱紅外技術獲取的地表溫度精度更高，更有利于圈定火區，已經開始逐步應用到煤火監測領域。
煤矸石是煤炭開采和洗選過程中的必然產物，盡管我國東部礦區煤矸石利用率較高, 但中西部煤矸石綜合利用率低, 尤其是煤炭開采的戰略西移使大量矸石仍然在地面堆積成山。據不完全統計，我國中西部礦區的煤矸石山達1200余座，且大都容易自燃。近年來，我國學者突破了煤矸石山自燃監測預警關鍵技術，取得了系列成果。
我國在地下煤火及煤矸石山自燃監測近期取得的主要成果包括：
(1) 地下煤火地空一體化探測
依據地下煤火發展過程中各階段的物理場效應、地下煤火信息的傳輸過程，和地下煤火的動態監測模型理論，采用地空一體化技術，即航空的高空間分辨率的航空自然彩色遙感技術、高光譜分辨率熱紅外遙感技術，和地面的熱紅外探測技術、氡氣探測技術、地質雷達探測技術，提取并獲得了某煤田客觀、準確的煤火信息，結合對研究區常規地質資料和往年火區探測資料的綜合分析，完成了對研究區的火區宏觀動態監測；以光學和影像學為基礎，從航空遙感的熱場、光場、微波場等方面，獲取研究區煤火燃燒信息，圈定了研究區的煤火溫度異常區，從地面的熱場、化學場和磁場等方面，進行了野外地面綜合探測驗證，從不同的觀測角度對研究區煤火情況進行了系統的對比分析研究，最終圈定火區范圍，鉆探證明該 *** 所圈定的火區范圍準確性可達95%以上；通過飛機上搭載自然彩色數碼相機和使用TASI-600熱紅外成像光譜儀，在某煤田進行了航空大面積煤田煤火探測工作，經過數據獲取、校正、影像鑲嵌、影像配準、地面同步測溫、地表溫度反演和影像解譯一系列過程后，獲取了煤田火區地表熱異常信息，由于該煤田火災基本發生在0~50 m的淺埋深中，通過野外地面綜合探測驗證，僅通過航空可見光遙感和熱紅外遙感所圈定的火區范圍準確性可達89%以上；采用地面紅外探測技術對從航空高光譜遙感提取的重要的熱異常信息進行野外探測，驗證和補充了地表煤火異常情況，采用地面氡氣探測技術大致圈定出了研究區的燃燒中心和范圍，采用地面地質雷達探測技術對重要的煤火熱異常點進行探測，探測的煤火燃燒造成的塌陷情況與遙感提取的煤火信息基本一致，進一步修正了遙感探測的煤火信息，對火區煤火燃燒的空間信息和發展趨勢有了更好的掌握。
(2) 煤火靶區及地裂縫UAV精準監測
我國不少礦區古窯開采、小煤窯私挖濫采形成了眾多在地表淺層燃燒的暗火火區，這些火區資料缺乏，情況不清；且工作面、采空區與地表裂隙相互連通，形成了復雜的立體交叉漏風網。因此，在數百平方公里的井田范圍內如何快速、準確確定燃燒點的位置及范圍、地表裂隙位置，在此基礎上開發有效的治理技術已成為礦井火區治理亟待解決的重大技術難題。我國學者針對地表淺層燃燒的暗火特點，獲取研究區天基熱紅外波段，通過影像融合，得到較高時空分辨率的熱紅外影像，選取合適的算法反演不同時期研究區的地表溫度，圈定地下煤火研究靶區；在無人機、GPS、三維激光掃描等技術、設備的支持下，結合煤火區地裂縫的紋理、線特征和灰度值等信息，建立知識模型；利用GIS空間分析、地統計學、趨勢分析和聚類分析、空間熱力學、傳熱學等 *** 理論，研究解決地基紅外熱成像煤火探測中地表溫度場信息挖掘、三維溫度場構建、地下燃燒點的位置確定問題。
(3) 煤礦區矸石山邊界信息提取及溫度異常信息監測診斷技術
提出了融合多尺度分割和CART算法的矸石山邊界信息提取技術。針對傳統的像素分類法提取矸石山邊界信息普遍存在“椒鹽現象”極大干擾面積統計的問題，融合多尺度分割能統一精細尺度的精確性與粗糙尺度的易分割性，和CART算法處理高維、非線性數據的高準確性，提出了多尺度分割和CART算法融合的煤矸石山邊界信息提取技術，與單純像分類法相比，抑制了“椒鹽現象”，有效減少了提取結果的噪聲。
發明了表面自燃溫度監測定位技術。針對酸性煤矸石山自燃著火的問題，發明了紅外遙感與全站儀、近景攝影測量、三維激光掃描、GPS等相耦合的表面自燃位置監測定位技術, 解決了多源監測設備站位優化、控制點布設、特征點識別、坐標基準耦合等問題；提出了熱紅外溫度信息的距離、氣候等補償模型，基于立方卷積等空間插值 *** 解決了溫度信息與空間信息的數據融合，構建了表面自燃溫度場的四維模型。
構建了內部自燃位置點解算模型。針對內部自燃位置點無法確定的難題，利用空間熱力學、傳熱學等理論，依據煤矸石山多孔非連續介質導致熱量非均勻傳播的特性，經大量野外測量數據分析，在對連續介質熱傳導模型進行修正的基礎上，利用內部自燃點所垂直對應表面溫度與鄰近溫度比值的推演，建立了基于表面溫度的內部自燃位置點解算模型，采用擬合逼近真值的 *** 進行數值求解。
1.3 礦區其他生態擾動要素監測[32-45]
傳統的礦區生態擾動監測一般首先進行實地調查、樣品采集，之后利用化學、物理或者生物指標診斷等手段對所采集樣品進行定性或定量分析，不僅工作量巨大，而且需要耗費大量的人力、物力和時間，同時部分地區因特殊的地理環境，系統的采樣布點難以實現。衛星遙感技術以其監測范圍廣闊、時效性強、數據豐富等特點，為礦區生態擾動監測提供了一種快速、動態、全面技術手段。
從不同遙感平臺可獲得不同光譜分辨率、不同空間分辨率、以及不同時間分辨率的遙感影像，形成多級分辨率影像序列的金字塔，為礦山環境信息提取與防災減災提供了豐富的數據源，多年來一直是國內外研究熱點。隨著遙感數據分辨率的提高與波段信息的增加，以遙感數據為主要手段的礦區生態擾動監測向著定性與定量兩個方向逐漸發展，其研究對象主要包括了礦山地表水、大氣、土壤和礦區植被4個方面。20世紀90年代以來，國外將高光譜遙感應用于礦區環境監測的研究逐漸增多。美國、加拿大、歐盟和澳大利亞等發達國家紛紛將高光譜遙感技術和 *** 應用于本國(地區)礦區環境監測，其中，以美國和歐盟的試驗和研究最為系統和深入。美國地質調查局(USGS)利用高光譜遙感技術，系統研究了若干典型煤礦區的污染水的主要成分，檢測受污染水域的空間分布范圍，歐盟的MINEO項目則聯合英國、德國、葡萄牙、奧地利、芬蘭5個國家，在6個礦區建立試點，應用HyMap機載高光譜數據和星載Hyperion數據，精確描繪采礦污染源及其擴散分布情況，研究礦區環境下的植被脅迫效應，并給出相應的環境評價結果。由于機載高光譜遙感兼具高空間分辨率的特征，近年得到迅速發展。一些學者采用基于機載Probe-1傳感器獲取的高光譜數據，結合空間、光譜特征，實現了礦山尾礦區的異常信息提取；基于新型機載HyperSpecTIR、SEBASS成像光譜儀獲取的空間分辨率的高光譜影像，繪制了美國內華達州Virginia城市礦區的風化礦物專題圖。
國內高光譜數據在礦區環境監測中的應用起步較晚。如利用高光譜遙感技術，系統研究了矸石山污染物的吸收光譜特征和受污染植被的光譜變異規律；利用OMIS1數據系統全面地研究了礦區環境污染探測等相關問題，其中包括植被、土壤、水體和粉塵等內容，以上工作，為國內深入開展礦區高光譜(星載和機載)遙感研究奠定了基礎。
國內近幾年取得的主要創新成果有：
(1) 多源遙感礦區環境及災害動態監測技術與評價預警系統
針對多源遙感礦區環境及災害動態監測技術中的多元信息數據集，研究了多元信息數據處理的理論與 *** 。構建了多元數據的模式集和子模式的理論與 *** ，建立了多元信息數據集的模式描述和模式劃分 *** ，建立了度量和分析矩陣模式間的差異，提高了多元空間數據模式分析的正確性，并應用于多源遙感礦區環境及地質災害動態監測中。
利用高分辨率遙感影像和大比例尺基礎地理數據，總結了地質環境災害遙感影像識別標志，研究了地質環境災害信息增強技術，建立了遙感與GIS相結合的地質環境災害參數提取 *** ，提出了原始影像與邊界突出結果相結合的地質環境災害邊界信息突出 *** ，建立了基于單因子曲線擬合與多因子邏輯回歸(SFCEMFLR)相結合的礦山地質環境災害評價模型。
通過對礦區植被、水體等典型地物的光譜參數、大氣參數、植被生化組分參數、水質參數的野外監測與多源遙感數據的處理，構建了礦區生態環境參數多源遙感數據反演模型，通過去臨近像元效應研究，解決了礦區水體面積小，水質參數反演受臨近像元效應影響的問題，通過植被生化組分抗土壤背景分析研究，解決了植被生化組分反演中礦區植被稀疏，土壤背景影響顯著的問題，根據植被脅迫程度，確定了礦區生態環境臨界值模型及評價預警模型。
針對示范礦區地質災害與生態環境變化野外巡查及數據采集的需要，通過綜合應用GPS、CORS、PAD、GPRS、RTK、GIS等技術，突破精密定位、多媒體信息實時采集與傳輸等技術瓶頸，實現了礦區野外巡查系統的設計與開發。
針對礦區環境監測的需求，通過集成氣體傳感器、Zigbee、GPRS、GPS和GIS等多種最新技術，進行了礦區大氣環境監測傳感器的硬件研發，開發完成了礦山環境多屏幕動態監測 *** 平臺，實現了污染氣體的動態采集、分析與可視化表達等功能。
突破多源、異構的遙感數據、地物波譜數據與空間矢量數據集成管理和多重檢索技術，創建了礦區地質災害與生態環境變化綜合數據庫及分析評價臨界值監測模型庫，以此為核心進行了礦區地質災害與生態環境變化分析預警系統的設計與開發，并基于B/S體系結構，實現了預警結果的存儲、管理和遠程發布。
(2) 基于NPP礦區生態擾動監測系統
提出了采用植被凈初級生產力(NPP)作為礦區生態擾動的監測指標。在分析礦區生態擾動的特征及其生態響應機理的基礎上，結合礦區生態擾動監測的內容和目標，采用植被凈初級生產力(NPP)對礦區生態擾動進行監測，通過理論和實證分析，得出植被凈初級生產力(NPP)作為監測指標是可行的。
基于遙感學和植被生態生理學原理，建立了中等尺度的NPP遙感估算模型。模型體現了3個方面的特色：建立了FPAR與植被蓋度的遙感反演模型；提出NDVI指數的確定 *** ；提出從采用中等分辨率的遙感影像、不同植被采用不同更大光能利用率、提高土地植被分類精度3方面提高基礎數據的精度。對模型結果采用收獲值和其他模型模擬結果進行對比，表明模型結果具有一定的可靠性。
在礦區生態系統演替規律和生態系統擾動特征分析的基礎上，從礦區生態系統擾動的機理、影響因素、擾動程度、生態響應特征4個方面，分析了礦區生態系統中的非生物因子、生物因子和景觀因子的生態響應機理，結果表明采礦擾動能導致礦區生態系統因子發生不同程度的變化。
運用改進的CASA模型，對徐州九里礦區生態擾動的NPP變化量進行了定量評價，從NPP變化的時空分布、礦區不同階段NPP變化程度、NPP變化的影響因素角度分析得出，采礦活動是導致礦區NPP變化的主要因素，NPP變化程度對采礦活動具有敏感性。
(3) 礦區地表環境損傷立體融合監測及評價技術
針對煤礦區地表環境類型多樣、損傷動態、尺度跨度大、顯性隱性信息交融的特點，研發了星-空-地-井(航天-航空-地面-地下)“四位一體”的監測手段立體融合技術和多源多尺度時空數據的實時交互與轉換融合問題，明確了不同地表環境損傷因子、不同監測尺度的監測手段耦合機制，與傳統技術 *** 相比，突出了地下采礦信息的先導作用，實現了井上下信息耦合，為科學界定損傷邊界，進行與開采時序相結合的煤礦區地表環境損傷因子監測提供了保障。基于該技術，揭示了我國煤炭-糧食復合區面積為10.8%(煤炭保有資源量)和42.7%(資源總量)及其存在問題的空間分布。
針對單純遙感技術無法直接獲得采煤沉陷邊界信息、傳統以地表下沉10 mm為邊界劃定的沉陷地損毀范圍過大，導致復墾成本劇增的問題，從影響植物生長角度，考慮地面積水、土壤裂縫發生和地面坡度變化等土地損毀因素，構建了沉陷土地損毀邊界計算模型；提出了星(空)-地-井多源數據(D-InSAR、三維激光掃描儀、GPS、水準測量等)解算與融合成圖的損毀邊界信息提取 *** 及沉陷監測模式。
針對煤礦區受采動影響土地生態變化劇烈的特點，創建了基于CA差值法的土地生態變化信息遙感自動發現技術，綜合考慮了遙感影像各個波段間、各個波段與地物之間的相互關系，使各主成分的物理意義得到了明確表達。
針對傳統的基于分級對比 *** 研究植被覆蓋度難以提高定量表達精度的問題，研發了以局部性和空間相關性為主的礦區植被覆蓋度時空效應獲取技術，運用空間關聯指數，可在單純基于NDVI值獲取趨勢分析的基礎上，從全局演變和局部效應的視角揭示植被受采礦擾動的時空演變和內在作用機制。
(4) 采煤工作面沉陷裂縫損傷與生態因子監測技術
針對風沙區地表動態裂縫發育規律難以獲取的問題，基于開采沉陷學相關理論確定了超前裂縫角值，結合開采進尺量確定了監測始點、范圍、時間間隔等關鍵參數；開發出動態裂縫監測儀器與裝置，可直接觀測微小毫米級裂縫寬度與落差，解決了動態裂縫難以持續高精度觀測的難題。揭示了動態裂縫18 d周期的開-閉-開-閉“M型”雙峰波形規律，建立了動態裂縫發育時間T的通用函數模型, 形成了動態裂縫發育到閉合的全生命周期理論，為揭示該區域煤炭開采對土地生態環境的影響機理及其自修復周期提供了技術支撐。
土壤裂縫是采煤沉陷水田變旱地及廢棄的主要原因。針對隱性土壤裂縫難以識別的難題，研發了開采沉陷預計先導(預計裂縫區)、地球物理手段探測(高密度電法測漏水通道、探地雷達確定裂縫位置)、田間滲水驗證相結合的探測技術，實現地表以下2 m內土壤裂縫的位置確定。
風沙區煤炭地下開采導致地表淺層裂縫的形成與發育是地面水土流失加劇與植被退化的主要誘因。針對神東礦區永久性邊緣地裂縫治理困難、效果欠佳以及地下發育特征數據欠缺的難題，研發了石灰漿體示蹤劑灌注、高精度探地雷達(GPR)探測、lensphoto近景攝影測量技術建模的淺層地下裂縫發育監測 *** ，實現了對3 m左右的淺層地下裂縫發生特征的探測和三維形態的獲取，為裂縫精準充填與治理提供了技術支撐。
(5) 風沙區一體化的地表環境監測體系與土壤水分監測技術
針對風沙區開采對地表影響持續時間長范圍大，且缺乏精準長時序地表環境監測技術與手段的難題，研發了基于開采過程和超前影響距的地表環境損傷監測體系與 *** ，重點解決了監測布點(20 m間隔)、監測時間間隔(基于開采影響的三階段式)等關鍵參數；配套發明了用于土壤理化性質等指標監測的土壤取樣及滲透系數測定儀器與裝置，揭示了開采影響下地表環境與土壤理化性質等的變化規律與特征，實現了對開采影響下的地表環境損傷空間變異數據的獲取；構建了基于3區(對照、采空、裂縫)的10 m樣方調查與室內元素含量分析的 *** 。
針對風沙區土壤水分動態規律監測的空白，分別構建了裂縫區與影響區差別化的土壤水分動態監測技術，建立了消除時空差異與降水影響的土壤水分解算 *** ，實現了對地裂縫發育全周期的水分監測；建立了基于中子儀和沉陷損毀分區特征的淺層土壤水分監測 *** 與布設參數，揭示了沉陷裂縫區土壤水分的自修復周期(約18 d)和土壤2 m內水分含量分為速變層(60 cm以上)和穩定層(60 cm以下)的規律，構建了沉陷裂縫附近土壤水分自修復周期模型。
(6) 基于物聯網技術的礦區生態擾動監測系統
以遙感和物聯網技術為核心，系統收集了神東礦區1990—2015年期間的遙感影像數據，提取了土地利用、土壤溫度、植被覆蓋度、土地復墾率、土地綠化率和水體6項遙感監測專題信息，開發了“神東礦區水保生態信息管理系統”，實現了環境的遙感監測；在大柳塔沉陷區建設了視頻實時監控系統，集成了已有的生態、灌溉水質、土壤風蝕3個方面的監測系統，實現了從宏觀與微觀兩個方面對礦區的生態環境進行監控與展示，為礦區環境監管可視化、數據管理一體化、環境決策科學化提供了基礎資料。
提出了基于物聯網技術的煤電基地生態擾動監測技術體系的設計方案，并從感知層、傳輸層、支撐層、應用層、用戶層的角度，論述了利用物聯網技術在煤電基地進行生態擾動監測的技術體系的具體 *** 與監測成本低、數據質量高的優勢。
啟動建設礦山地質環境監測系統，利用傳感器技術、信號傳輸技術，以及 *** 技術和軟件技術，從宏觀、微觀相結合的全方位角度，監測各種關鍵技術指標；記錄歷史、現有的數據，分析未來的走勢，以便輔助企業及 *** 決策，提升礦山地質環境保障水平，有效防范和遏制重特大事故發生。系統依托智能的軟件系統，建立分析預警模型，實現與短消息平臺結合，當發生異常時，及時自動發布短消息到管理人員，盡快啟動相應的預案。
2 國內外進展比較2.1 重視程度與研究深度
德國、美國、加拿大等發達國家礦區土地復墾與生態修復起步早，自20世紀70年代起，各國逐步開展了生態環境的調查、監測與評價的研究。發達國家一般根據場地和利益相關者調查建立可持續目標，將目標分解為具體監控和評估指標，依據國家規定或文獻確定修復標準，再進行具體的規劃設計，包括場地生態環境調查、生態環境風險評估、功能定位及修復策略、生態修復規劃設計和后期環境監管等步驟, 礦山開采前，必須對當時的生態環境狀況進行研究并取樣，獲得數據并作為采礦過程中以及采礦結束后復墾的參照；在采礦權申請階段，必須同時提供礦區環境評估報告和礦山閉坑復墾環境恢復方案，由 *** 環境、資源等有關主管部門共同組織專家論證，舉行各種類型的聽證會，因此生態擾動監測工作一直貫穿于始終，具有特別重要的地位，得到高度重視, 作了大量研究，形成了針對不同區域、采礦 *** 及地理環境條件，不同土地復墾與生態修復目標的監測與評價 *** 、方案。我國礦區土地復墾與生態修復近幾年進展迅速，也開展了大量生態擾動監測研究，某些技術 *** 上甚至達到處于國際先進水平，但總體而言，重視程度仍然不夠，圍繞礦區土地復墾與生態修復目標的系統、深入、長期的研究仍然不足，關鍵生態擾動規律研究掌握不透。
2.2 監測分析 ***
我國雖然在礦區生態擾動監測方面起步晚，但起點高、實例多、需求大。特別是國務院辦公廳印發了生態擾動監測 *** 建設方案的通知，促進了礦區生態擾動監測發展迅速，帶來了難得的機遇。但與國外對比還存在很多問題, 主要表現在：礦區生態擾動監測綜合能力尚需加強，生態擾動監測的內容、廣度、頻度、信息發布需進一步完善，數據共享難，尚難完整準確地對跨區域生態環境進行大尺度的宏觀綜合監測與分析；由于各種監測數據的特點各異, 解譯技術 *** 的研究尚不系統、完善，如發達國家更著重于環境因素的深入定量分析遙感反演，我國在信息獲取和綜合質量評價應用研究較多；所用裝備及軟件，不少為國外進口，特別是監測裝備研究很少，傳感器等監測設備嚴重依賴進口；圍繞生態修復目標的監測分析研究仍不足，指導治理工程效果仍有待加強，多源信息重視不夠，數據集成和深度分析能力不足，等等。
3 發展趨勢展望
近年來，我國提出要加快推進資源節約型和環境友好型的社會建設，并把生態文明建設放在了突出地位，礦區土地復墾與生態修復得到前所未有的重視；與此同時，國務院《關于生態環境監測 *** 建設方案的通知》提出，建立生態環境監測數據集成共享機制，構建生態環境監測大數據平臺，統一發布生態環境監測信息，積極培育生態環境監測市場；到2020年，全國生態環境監測 *** 基本實現環境質量、重點污染源、生態狀況監測全覆蓋，各級各類監測數據系統互聯共享，監測預報預警、信息化能力和保障水平明顯提升，監測與監管協同聯動，初步建成陸海統籌、天地一體、上下協同、信息共享的生態環境監測 *** ，使生態環境監測能力與生態文明建設要求相適應。
特別重要的是，衛星通信技術、空間定位技術、遙感技術、物聯網、大數據及云計算技術飛速發展，所有這些將給礦區生態擾動監測帶來新機遇、新要求、新挑戰，將呈現出從單一數據源到多源數據的協同觀測、從常規觀測到應急響應、從靜態分析到動態監測、從目視解譯到信息提取的自動化與智能化的發展趨勢和發展方向，無人機、激光雷達、視頻衛星等新型對地觀測技術及物聯網、大數據、云計算技術將得到更多的研究和應用，生態擾動監測將與礦區土地復墾、生態修復要求更加緊密，目標導向、問題導向的特點更加凸現。
其近期目標是研究衛星遙感、無人機監測、地面固定及移動觀測、特定觀測點相組合的全景、立體式礦區生態擾動協同獲取理論與 *** ；運用物聯網、云計算、大數據等技術, 解決從礦區生態擾動監測野外數據采集到傳輸、存儲、管理、加工處理、共享、分析過程中存在的一系列問題，建立多源多尺度、異構異質礦區生態擾動監測大數據融合處理與知識挖掘理論體系，提出從背景、狀態、格局、過程、異常等不同角度揭示礦區生態災害的形成演化、臨災預報預警及控制的理論與 *** ，構建更優對地觀測傳感網，將空天地一體化對地觀測傳感網和礦山物聯網相結合，研究以高性能傳感器為代表的空天地協同監測及智能感知體系。需要在下述方面進行攻關：
(1) 礦區特殊地物類型遙感特征變化的采動影響機理，主要包括礦區典型地物類型多/高光譜特征庫的構建 *** ；礦區地下水、土壤濕度演變遙感模型與 *** ；采動影響下礦區特殊地物類型的遙感特征變化規律；大氣污染氣體多源遙感反演及評估 *** ；礦區生態環境退化的規模效應與時間效應等。
(2) 礦區生態擾動監測及智能感知體系構建，主要包括礦區地表非線性變形多源探測 *** ，礦區不同生態擾動監測及預警技術，礦區生態擾動協同無線觀測傳感網的構建 *** ，礦山時空監測基準、礦山地面生態擾動監測地學傳感網數據整合、監測空間數據聚類分析、監測功能分區、區域動態形變場理論和地學傳感網地理信息系統模型理論，事件智能感知及多平臺系統耦合技術等。
(3) 空天地多源數據信息協同處理理論，主要包括礦區生態環境要素空天地協同觀測模式；多源觀測數據配準與融合 *** ；空天地異質數據在時間、空間、光譜維度的特征描述 *** ；多源遙感數據的一體化融合及同化模型等；集成空天地連續觀測的多源多尺度信息，借助云計算、人工智能及模型模擬等大數據分析技術，實現生態環境大數據的集成分析、信息挖掘。
致謝: 胡振琪、吳立新、靳奉祥、范洪冬、譚琨、程琳琳、趙艷玲、肖武、黃翌等老師為本文提供了資料與信息，在此表示衷心感謝。
【引文格式】汪云甲。礦區生態擾動監測研究進展與展望[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1705-1716. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170358
