矿产资源是经过漫长的地质过程,埋藏于地下或出露于地表,具有开发和利用价值的非可再生资源,是社会生产稳定发展的经济基础,是人民生活的物质来源,是国防安全的重要保障。随着“工业4.0”的提出,第四次工业革命的到来,现代生态农业的发展,军工强国梦的实现,物质和精神文明的追求,矿产资源的需求将日益增加。我国矿产资源种类多,储量丰富,但人均占有量低,贫矿较多富矿稀少,且开发难度较大,共生伴生矿床多,单一矿床少,分布范围较广且不均匀,是矿产资源相对贫乏的国家。然而,我国矿产资源粗放型的开采方式,加之矿山企业“重利益,轻环保”的生产管理模式,以及政府管理部门疏于监督,矿产资源滥采乱挖现象屡见不鲜,在开发利用过程中不可避免地改变和破坏地表环境,直接或间接地对岩石圈、大气圈、生物圈和水体造成严重影响和污染,并带来一系列地质灾害和隐患,严重影响了社会生产和人民生活,阻碍经济可持续发展,因此平衡矿业生产和环境保护是我国亟待解决的难题。矿山地质环境是矿产资源开发利用过程中常见的矿区环境问题,矿山露天开采占用大量耕地、林地和基建用地,并对水体造成严重污染,且存在滑坡和泥石流等地质灾害隐患;而井工矿山开采形成的地下采空区,造成了地面沉降和地裂缝。为此我国颁布了矿产资源规划和矿山环境保护等法律法规,明确要求加强矿山地质环境的监测和评价工作,而传统的调查方法耗时费力,经济效益差,调查精度低,迫切需要建立全新的矿山地质环境监测方法,满足调查需求,全方位掌握和了解我国矿山地质环境现状、动态及发展趋势。遥感技术可对地球表面实时大范围监测,其周期短,经济效益好,特殊波段不受气候影响能够全天侯对地观测,随着遥感的快速发展,其波谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率日益提高,特别是我国自主研发的资源和高分系列卫星,已成功应用于大气和水体污染监测、土地利用调查、植被覆盖监测和地理国情监测等方面,遥感技术在诸多领域的广泛应用为我国矿山地质环境调查提供了新的契机。地理信息系统集地理数据采集、储存、管理、运算、处理和显示于一体,一方面作为遥感信息分析、识别和提取的工具,成为矿山地质环境信息的转换通道,另一方面大数据时代的到来,“数字矿山”建设势在必行,地理信息系统为海量多源异构矿山环境数据提供可靠的存储和管理机制,将遥感与地理信息系统相结合,形成数据获取-数据采集-数据分析-成果转化的矿山地质环境监测体系。内蒙古自治区矿产资源丰富,是世界著名的“露天煤矿”之乡,本文以我国五大露天煤矿区之一的准格尔为研究区,采用2007年quickbird和2012年worldview2高分辨率卫星数据作为基期和末期遥感监测数据源,展开矿山地质环境动态监测和评价方法的理论研究;基于地理信息系统原理,探讨了插件式应用程序的关键技术和研发方法,设计开发了矿山地质环境动态遥感监测与评价信息系统(mgegis),主要取得了以下成果:1.全面了解研究区地形地貌、气象水文和土壤植被等特征,综合分析地层岩性和地质构造,结合矿山开发利用现状及地质环境类型,确定矿山地质环境动态监测目的和内容。阐述了遥感技术在矿山地质环境监测中的应用现状,总结了动态遥感监测方法(分类后比较法和比较后分类法),通过对比分析基于遥感分类后信息变化检测和多时相遥感影像直接求变的优缺点,结合研究区矿山开发状况、所选监测数据特征和动态监测精度要求,本文采用“先分类后比较”的方法检测矿山地质环境变化信息,虽然该方法人为主观成分较大,但有效地避免了“同物异谱、同谱异物”的遥感信息识别,不受遥感数据自身特点、计算机性能和图像处理软件功能等条件束缚,特别针对高分影像数据,其操作性强,灵活度高,有效地提高了矿山地质环境动态监测的效率和精度。2.提出了矿山地质环境动态遥感监测模式:分别提取各监测时期露天开采矿山地质环境现状遥感信息,基于计算几何基元相交的原理和方法,针对基、末两期矿山地质环境图形要素,通过节点搜索、属性分配和拓扑重构快速检测面积增减和类型转移的变化图形要素,实现矿山地质环境一体化动态监测;构建动态统计分析数学模型,通过变化度和转移矩阵以不同空间单元统计矿山地质环境数量变化,辅以邻接度指数验证和预判其类型转移的动态和趋势,实现矿山地质环境多维动态监测;采用地学信息图谱,经各矿山面积变化幅度和综合动态度专题分析,反映监测时段内矿山地质环境时空布局;分析各监测时期不同矿山地质环境重心分布,揭示其时空演变趋势。基于该监测模式进行准格尔2007年到2012年矿山地质环境动态遥感监测,形象直观地揭示了露天煤矿开采区以采坑、排土场和恢复治理区等地质环境类型面积增减和类型转移的动态变化最为显著,并呈现西北区域环境治理力度大于矿山开采力度而东南区域相反的时空格局,且“开采兼治理”的矿业生产模式为由西北向东南发展之趋势。3.结合研究区矿山地质环境遥感监测现状信息和动态变化,在常用的矿山地质环境综合评价体系中引进了“污染”变化幅度、“治理”变化幅度和综合动态度组成的“动态变化”评价指标,建立自然地理、基础地质、矿山开发和动态变化对矿区环境影响的综合评价体系,合理划分评价单元,结合专家经验,采用层次分析法分配各评价指标权值,通过指标加权计算研究区矿山地质环境综合分值,根据评价分级标准进行等级划分,评判研究区地质环境质量优劣程度。基于遥感的准格尔2012年矿山地质环境综合评价结果反映了矿山开发对地表环境的影响和破坏程度,通过“动态变化”评价指标更进一步揭示了露天煤矿区在持续开采过程中,其开发占地和固体废弃物的动态变化是矿区地质环境质量的重要影响因素之一,同时影响严重区域空间分布与矿山地质环境动态遥感监测之“西北-东南”格局稳合。4.针对矿山地质环境数据多源异构、海量混乱等特点,将矿山地质环境通过数据模型转换为计算机能够识别的数据库记录信息,采用栅格/矢量混合数据模型,将矿山地质环境监测相关的遥感影像、现状数据、动态信息、基础地理等分组分层,以监测区为单元,通过空间数据库引擎建立数据模型和关系型数据库的联系通道,另通过二维表记录监测区信息、采矿权信息、地质环境现状信息和动态信息,以此构建空间维、专题维和时间维的多维时空数据库,实现矿山地质环境数据入库、更新和查询的科学管理与合理存储。5.设计并开发了矿山地质环境动态遥感监测与评价信息系统。从模块化和动态化角度研究其体系结构和运行方式,基于模型-视图-控制器设计模式将系统划分为操作系统层、基础框架层、应用框架层、数据层和表示层;通过插件技术将系统表现层和业务逻辑层分离,设计了插件引擎和宿主程序,构建了集信息提取、动态监测、环境评价、数据入库、数据查询和成果制图为核心功能的插件框架,其轻巧的宿主程序和灵活的插件方式确保了应用程序的高聚合低耦合;采用反射机制,实现了插件对象动态加载与实例化,是信息系统具体功能的呈现和扩展。以准格尔研究区为例,基于插件式应用系统执行矿山地质环境动态遥感监测和地质环境综合评价,形象直观地揭示了研究区矿山地质环境时空演变趋势和质量优劣程度,为矿产资源利用和生态环境治理提供基础信息和决策服务支撑。6.本文研究的矿山地质环境动态遥感监测与评价方法,作为实用的技术体系可为不同矿区、不同矿种、不同开采方式的矿山地质环境调查提供理论方法与技术储备;同时插件式矿山地质环境动态遥感监测与评价信息系统或为一套可操作性和实用型的服务决策系统,为相关领域的专业地理信息系统设计与研发开辟新的思路。