北京三号高分辨率卫星在矿山边坡地质灾害监测中的应用
矿山地质灾害是由于矿产资源开发引发的危害人类生命财产安全、破坏自然资源环境的现象或过程，露天矿山地质灾害主要发育在采场和排土场的边帮位置，主要类型包括滑坡、坍塌、崩塌等形式。内蒙古露天煤矿集中分布在鄂尔多斯市和乌海市，露天非煤矿山集中分布在包头市、巴彦淖尔市、赤峰市等区域。总体而言，矿山呈现数量多、规模大、分布密集的特点，在人为扰动后，边帮角陡立的露天采坑、排土场边帮极易诱发大规模的边坡地质灾害。为提高矿山监管水平，内蒙古部署了多个阶段的遥感监测工作。2012年先行开展了矿山地质环境遥感监测的技术研究工作，2014年遥感监测工作范围扩展至矿产资源集中开采区，实现集中开采区重点监测，2016年部署了全区矿山全覆盖遥感监测，实现常态化监测。为进一步提高监测精度和水平，2019年采用国产高分一号、高分二号卫星数据识别矿山边坡地质灾害，分析矿山地面目标的光谱、纹理等信息差异，解译地质灾害隐患和破坏区域，为矿山监测提供了比较成熟的技术手段和方法。
2023年内蒙古发生了新井露天煤矿“2·22”特别重大坍塌事故，该事故造成53人死亡、6人受伤，直接经济损失20430.25万元，事故的发生给矿山安全生产、地质灾害监测敲响警钟。目前矿山边坡常采用边坡雷达、GNSS地表位移监测、无人机航拍建模测绘、人工巡检等监测预警技术，但均存在技术短板：一是监测距离近、覆盖范围小；二是人力成本高、监测周期长；三是前期投入高，设备更新困难。因此，快速获取的高分辨率立体影像可对露天矿山整体进行有效监测，有效解决上述难题。为深刻汲取事故教训，坚决防范类似数据发生，对于内蒙古矿山灾害监测工作提出了更高要求，实现矿山边坡高精度解译迫在眉睫。为准确识别和判定灾害特征，采用更高分辨率的遥感数据开展边坡灾害监测工作，可以有效监测矿山企业在违法越界开采、违规并段高台阶开采行为，对于提前发现灾害隐患区域，提高矿山边坡灾害监管效率具有重要意义。目前，我国高分辨率遥感数据（分辨率优于1m）主要包括高分系列、北京三号系列、吉林一号系列、高景一号、珞珈一号等。近年来，中国在高性能国产遥感卫星上表现亮眼，在数据获取速度、数据质量和应用范围上都有了长足进步，市场占用率稳步提升。为了可持续开展矿山边坡灾害遥感监测，高效实用、性价比高的国产卫星数据是首选。北京三号卫星于2021—2024年陆续发射，是二十一世纪空间技术应用股份公司投资的商业卫星（见表1），属于高性能光学遥感卫星，数据源具有多角度立体成像和多目标成像能力，在镜头侧摆能力、空间分辨率、光谱分辨率、重访能力等关键指标上较为出色。北京三号卫星数据图像地物边界反差明显，房屋、植被、道路等地物颜色与实际接近，色彩层次丰富，能够捕捉特征细节，尤其是在地物识别、特征提取中展现了出色的性能，有助于识别边坡微小变形特征。利用北京三号系列卫星数据监控压减平盘宽度、扩大边坡角等现象，可精细化判读矿山边坡灾害的色调、纹理、阴影等特征信息，从多角度、多维度对矿山边坡进行观测和测量。如某矿山的开采边坡（图1），通过模型测量掌握矿山边坡的要素信息，包括单个台阶的高度、边坡角和台阶宽度，整体边坡的高度和坡面角。综合分析和比对测量数据与矿山开采设计指标的差异，识别和评估矿山开采过程中可能出现的边坡稳定性问题，确定边坡的危险程度和影响范围，以便科学合理地采取预防和治理措施，确保矿山安全稳定运营。图1 边坡剖面线选取示意图（北京三号遥感数据，获取时间2023年7月）北京三号高分辨率卫星影像数据数据处理流程主要包括控制点和连接点的数据采集、空中三角测量、数字表面模型（DSM）数据计算、数据融合、色彩均衡等步骤（图2），其中，空中三角测量、DSM计算是关键。数据导入时要对原始数据的图像质量、空间范围进行检查，确保顺利开展后续点位采集和图像融合处理。空中三角测量是数据生产的核心环节，选择足够多的控制点和连接点进行自动匹配，基于传感器模型对控制点与连接点进行平差解算，通过迭代方式自动剔除残差。根据传感器模型和外部定向参数获取高程值，从而提取三维点云和高质量DSM。DSM数据必须要进行过滤噪声、无值区插值等检查和修复，为后续模型建立提供高质量的框架。原始数据的融合及色彩均衡处理要尽可能还原原始地物的本真色彩和纹理特征，精准将其映射至DSM模型的相应位置，建立可测量、可对比的三维立体模型。新井煤矿位于内蒙古阿拉善左旗境内，开采规模为90万吨/年，井田面积为1.3448km2。2010年开始实施露天剥离灭火工程，2012年开始井工改露天技改建设，2020年取得露天采矿许可证，2021年4月复工建设。事发前矿山处于高强度剥离采煤阶段，在采场底部东西长500m、南北宽130m的狭长范围内持续高强度作业，仅在事发前80天内剥采位置平均降深65m。超挖边帮岩体压脚量，造成边坡抗滑力减小、下滑力增加，导致边坡稳定性持续降低，坍塌风险持续增大。2023年2月22日，新井煤矿边坡发生重大坍塌事故，事发区域最终形成最大厚度105m、体积约7.56×106m3的堆积体，破坏范围南北最长630m、东西最宽520m，面积约2.3×105m2。利用北京三号高机动性和重访能力，在灾后快速获取了（2023年2月23日）0.3m融合数据（图3），原始数据纹理清晰，色彩、反差适中，无明显噪声和拉花现象。与真实地物有较高一致性，具备高可信度，能够真实反映出矿山边坡的真实状态。相对于道路、水体、耕地的几何特征明显、轮廓规范、内部统一，对于细微、复杂的灾害体，采用目视解译方法是当前最为有效的方法，利用灾害体的光谱信息（颜色、色调等）和空间信息（形状、尺寸、纹理等），精细提取灾害特征信息数据。从遥感影像中分析，主坍塌体有大量废石沿破碎面滑落至坑底，破碎边缘错动明显。影像表面不平滑，凹凸感、颗粒感明显，坍塌体外缘色调突变，大量运输台阶中断（图4、图5）。从遥感影像中可分析和识别大量破碎裂缝、破碎岩体和坍塌体，对正在施工的机械车辆造成重大威胁。利用立体影像地形模型，可以分析坍塌体的地表突变和表面纹理特征，能够高效提取已发生的灾害体及存在次生灾害隐患的特征信息。利用北京三号立体影像数据对主坍塌体的坡面测量分析，灾前矿山已形成3个台阶，台阶高度均超过10m，最高达145m。边坡台阶整体最大垂直高度315m，整体边坡角达到39°，局部台阶最大边坡角达到61°，计算边坡稳定系数为0.982，处于不稳定状态（图6、图7）。按照煤矿设计，矿山应设置21个剥离台阶和1个采煤台阶，台阶高度应不大于10m，最小工作平盘宽度为32m，整体稳定边坡角为36°，计算边坡稳定系数为4.287。
通过数据对比发现，无论从台阶数量、坡度、高度等方面，矿山均未按设计要求施工，随意合并台阶，形成了超高超陡边坡，加之在采场底部连续高强度剥离采煤，致使边坡稳定性持续降低，边帮岩体沿断层面和节理面滑落坍塌。通过北京三号立体影像还原矿山开采过程，在影像数据中获取矿山边坡的坡度、高差、距离等基本信息，分析露天矿山边坡违规违法生产建设行为，及时发现边坡灾害隐患，为边坡灾害精细化监测与隐患治理提供决策依据。随着北京三号系列卫星的大量应用，高分辨率的立体三维重建技术将得到快速发展，更加精细的遥感数据产品将帮助我们获得矿山边坡灾害的位置、类型、范围、规模、形变位置、形变特征、威胁对象和风险程度等信息，将为内蒙古矿山安全生产、地质灾害治理提供有力的技术保障，推动矿山管理从传统治理向现代“智”理转变，有效提升矿区监测水平和能力。
