An integrated ecosystem monitoring technology for coal mining subsidence areas and its application in the Shendong mining area
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摘要:背景
干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测是区域性生态环境保护与治理的重要前提，对推动绿色矿山建设具有重要意义。
方法立足政府对矿山生态环境的监管要求，分析了神东采煤沉陷区生态环境监测的难点，详细论述了“煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术体系，制定了神东生态环境一体化监测要素、主要方法、技术路线，分析了“天−空−塔−地−室”一体化观测的时空协同关系，设计并实现了神东生态环境监测平台，在神东采煤沉陷区进行了生态环境一体化监测实践。
结果和结论研究表明：(1)提出的“煤−岩−水−土−气−植−碳”要素一体化监测和“天−空−塔−地−室”多观测平台协同的技术体系，统筹考虑了各监管部门的要求和不同观测平台的优势，解决了生态环境多要素耦合协同分析、多部门监测要求协调的问题，满足了多个监管部门对指标覆盖性和监测效率的要求。(2)研发的神东生态环境监测平台集成了多源数据高效组织管理模型、智能决策模型等，解决了多源异构大数据管理与时空协同处理、基于多源监测大数据的生态修复智能决策等问题，助力了采煤沉陷区生态修复工程与植物日常管护。(3) 提出的采煤沉陷区生态环境一体化监测技术在神东矿区绿色矿山建设中应用，在植物类型与种植密度优化决策、植被长势与土壤墒情研判、修复工程的植株数量与存活率智能监测验收等方面取得了良好的应用效果，为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测治理提供了典型案例参考。
Abstract:BackgroundThe ecosystem monitoring of arid and semi-arid coal mining subsidence areas acts as a significant prerequisite for regional ecosystem conservation and management, holding critical significance for accelerating green mine construction.
MethodsBased on the Chinese government's regulatory requirements for mine ecosystems, this study analyzed the difficulties in ecosystem monitoring in the coal mining subsidence area of the Shendong mining area (also referred to as the Shendong coal mining subsidence area). By detailing the integrated coal-rock-water-soil-air-vegetation-carbon monitoring technology system, this study determined the factors, principal methods, and technology roadmap for the integrated ecosystem monitoring in the Shendong coal mining subsidence area. Accordingly, this study delved into the spatiotemporal synergistic relationships of the space-air-tower-ground-laboratory multi-platform observations and then developed the Shendong ecosystem monitoring platform, which was applied to the integrated ecosystem monitoring in the Shendong coal mining subsidence area.
Results and ConclusionsThe results indicate that the integrated ecosystem monitoring technology system, combined with the space-air-tower-ground-laboratory multi-platform observations, comprehensively accounts for the requirements of various regulatory authorities and the advantages of different observation platforms, achieves the synergistic analysis of multiple ecological factors and the coordination of various regulatory authorities, and fulfills the requirements of multiple regulatory authorities for indicator coverage and monitoring efficiency. The Shendong ecosystem monitoring platform, integrating models including the efficient organization and management model of multi-source data and the intelligent decision-making model, enables the management and spatiotemporal collaborative processing of multi-source heterogeneous big data, as well as the intelligent decision-making for ecological restoration based on the big data from multi-source monitoring, facilitating the ecological restoration engineering and routine plant care in the Shendong coal mining subsidence area. The integrated ecosystem monitoring technology has been applied in the green mine construction of the Shendong mining area, achieving encouraging outcomes in the decision-making for the optimization of plant types and planting density, the assessment of vegetation growth and soil moisture content, and the intelligent monitoring and acceptance check of plant quantities and survival rates in the restoration engineering. This study provides a typical case for ecosystem monitoring and management in arid and semi-arid coal mining subsidence areas.
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煤炭是我国的主体能源，是国家能源安全的“兜底保障”[1]。我国煤炭赋存地质条件复杂，煤层埋藏较深，煤炭资源开发大多采用地下开采方式[2]。随着国家煤炭资源开采重心西移，山西、陕西、内蒙古、新疆等干旱半干旱地区成为煤炭资源开采的主阵地[3]。然而，这些地区生态环境本底较为脆弱，高强度的煤炭开采活动产生了大量采煤沉陷区，加剧了土壤侵蚀、植被退化等一系列生态环境问题，制约了当地生态环境的高质量发展[4-6]。科学高效地获取生态环境监测数据，是矿区生态环境保护与治理的重要保障[7]。在此背景下，开展干旱半干旱采煤沉陷区生态环境体系化监测具有重要的现实意义与应用价值。
过去几十年，国内外学者开展了矿区水体、土壤、大气、植被等多种生态环境要素监测与分析一系列研究。现有研究中关于矿区生态环境要素监测的思路主要有两类：一是选择某种单一的技术方法获取监测数据，包括人工实地调查[8]、样本室内化验分析[9]、地面站点监测[10]、卫星遥感[11]、无人机遥感[12]等。二是融合多个平台的协同监测技术，包括“空−地−人”的矿区空气污染监测技术[13]、“空−天−地−人”的矿山地质环境立体协同监测技术[14]、“天−空−地”的矿区生态修复工程监测技术[15]等。
然而，上述研究中基于单一的技术方法获取的监测指标有限，无法满足多部门对监测指标的覆盖性、时空分辨率等方面的要求[16]。融合多个平台的协同监测技术实现了不同观测平台的优势互补，在一定程度上弥补了单一技术方法的不足，是当前技术发展的主要趋势方向，但是现有研究构建的协同监测技术体系仍然存在如下问题：一是未完全集成主要的观测平台，尤其对于塔基观测和室内分析涉及较少；二是在指标覆盖性、监测数据管理与决策支持等方面与煤矿区一线实际业务结合少。因此，尽管矿区生态环境监测已经取得了大量的研究成果，但神东采煤沉陷区生态环境监测业务仍然面临多部门要求的监测要素指标复杂、监测效率低、数据组织管理难度大、数据无法支撑精准决策应用等现实问题。针对上述问题，笔者在详细剖析和总结神东采煤沉陷区生态环境相关监管文件要求和监测难点的基础上，提出了神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术体系，分别阐述了一体化监测的要素指标内容与对应监测方法、一体化监测的技术路线与观测时空协同关系、一体化监测的平台实现与决策应用，以期为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境一体化监测提供典型案例与重要参考。
1 研究区概况
神东矿区位于黄河流域上中游晋陕蒙交界处，属于黄土高原丘陵沟壑区与毛乌素沙地的过渡地带，地势西北高、东南低，地形复杂多变[17](图1)。气候属于温带半干旱大陆性气候，冬季寒冷漫长，夏季炎热短暂，春秋气温变化剧烈。年平均气温约为6.6 ℃，年降水量约为360 mm，地下水资源匮乏[18]。土壤类型丰富，包括风沙土、栗钙土、黑垆土等，其中风沙土占据一半以上的土地面积，地表风蚀和水蚀现象多发，是全国水土流失重点监督区与治理区[19]。植被主要为干草原、落叶阔叶灌丛等，自然植被覆盖率较低、生长季短、抗旱能力较强。
神东矿区拥有丰富的煤炭资源，共涵盖13个生产煤矿(共14个矿井，大柳塔煤矿为一矿两井)。神东矿区已建设成千万吨矿井群，是全国首个2亿 t商品煤生产基地[20-21]，但长期大规模开采活动对生态环境保护与治理提出了重大挑战。
2 神东采煤沉陷区生态环境监测相关政策要求
2.1 相关政策分析与总结
国家各部委(如自然资源部、生态环境部、水利部、国家发展和改革委员会等)和地方政府对矿区生态环境提出了多个监管政策要求，神东矿区所涉及的主要监管部门文件见表1。例如，在国家部委层面，自然资源部《矿山地质环境保护规定》(2019年修正)指出：要指导、监督采矿权人开展矿山地质环境监测；采矿权人应当定期向矿山所在地的县级自然资源主管部门报告矿山地质环境情况，如实提交监测资料。生态环境部《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环环评〔2020〕63号)指出：矿井水要安装在线自动监测系统，相关环境数据向社会公开，与相关部门联网，接受监督；建设单位应按照标准规范要求开展地下水、地表水等环境要素长期跟踪监测。水利部《推动黄河流域水土保持高质量发展的指导意见》(水保〔2021〕278号)指出：以能源、化工、矿产资源开发、基础设施建设等生产建设项目为重点，持续强化水土保持监管。国家发展和改革委员会《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源〔2020〕283号)指出：坚持生态优先，开展矿区生态环境智能在线监测。对上述文件要求进行分析发现，在国家部委层面上，自然资源部的要求主要涉及煤层、岩层、土地、生态系统等相关指标，生态环境部的要求主要涉及大气、地表水、地下水、土壤、生态系统、碳源、碳汇等相关指标，国家发展和改革委员会的要求主要涉及矿井水保护利用、煤矿信息化和智能化，水利部的要求主要涉及水土保持相关指标。地方政府的文件主要是在国家部委要求的基础上，结合本地区实际情况制定具体要求。本文对政府管理部门要求监测的指标进行归类，可以划分为“煤−岩−水−土−气−植−碳”7类(监测要素内容和指标详见下文3.1节)。
表 1 主要监管部门的文件要求Table 1. Regulatory documents issued by major regulatory authorities监管部门 监管文件 自然资源部 《矿山地质环境保护规定》(2019年修正) 《关于进一步加强绿色矿山建设的通知》(自然资规〔2024〕1号) 《土地复垦条例实施办法》(2019年修正) 《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》(国土资发〔2016〕63号) 生态环境部 《工矿用地土壤环境管理办法(试行)》(生态环境部令〔2018〕3号) 《矿山环境监察指南(试行)》(环办〔2013〕14号) 《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环环评〔2020〕63号) 水利部 《生产建设项目水土保持方案管理办法》(水利部令〔2023〕第53号) 《推动黄河流域水土保持高质量发展的指导意见》(水保〔2021〕278号) 《水利部办公厅关于进一步加强生产建设项目水土保持监测工作的通知》(办水保〔2020〕161号) 国家发展和改革委员会 《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》(发改环资〔2024〕226号) 《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源〔2020〕283号) 陕西省 《陕西省煤炭石油天然气开发生态环境保护条例》(2019年9月27日陕西省第十三届人民代表大会
常务委员会第十三次会议第二次修订)内蒙古自治区 《内蒙古自治区人民政府办公厅关于印发自治区矿山环境治理实施方案的通知》(内政办字〔2020〕56号) 山西省 《山西省矿山地质环境保护与治理规划(2018—2025年)》(晋自然资发〔2019〕31号) 2.2 神东采煤沉陷区生态环境监测的难点
在上述监管要求下，结合当地自然地理条件，神东采煤沉陷区生态环境监测存在如下难点。
(1)多要素一体化协同监测。神东矿区生态环境本底脆弱，自然植被覆盖少，水土流失严重，叠加高强度的地下煤炭开采活动，生态环境的植被、土壤、水体等多个关键要素发生耦合协同演变，因此，需要实现生态环境多个关键要素的一体化协同监测[22]。
(2)多部门监测要求协调。各部委和地方政府对矿区生态环境监管规定多，监测要素参数、标准规范、数据统计口径等可能存在不一致问题，因此矿区生态环境监测的不同平台、仪器设备、监测点位应实现紧密协调获取数据[23]，满足政府不同部门要求的同时，避免重复性监测，提高生态环境监测工作效率。
(3)多源异构大数据管理与时空协同处理。多要素协同监测涉及的观测平台多、要素指标多、时间跨度大，不同观测平台获取的数据存在结构差异大、时空范围与分辨率不一致的问题[24-26]，因此需要实现生态环境多源异构大数据的高效存储、动态组织管理、时空协同处理。
(4)面向现场应用的多源大数据融合建模与智能决策分析。采煤沉陷区生态环境监测的目的是支撑科学有效的生态环境保护与修复。因此，需要面向现场生态修复工程应用于生态环境日常管护，实现生态环境多源监测大数据的关联融合、建模分析以及智能决策，通过精准修复和科学管护提高生态修复工程的效率和效益[27]。
针对“多要素一体化协同监测”和“多部门监测要求协同”两个问题，统筹考虑各部门要求的“煤−岩−水−土−气−植−碳”7类要求，在分析各类要素监测指标获取方法的基础上，统筹搭建“天−空−塔−地−室”一体化观测平台体系。通过不同观测平台的不同时空观测能力进行优势互补，实现生态环境关键要素的一体化协同监测，解决重复监测、工作效率低的问题(见下文第3章)。针对“多源异构大数据管理与时空协同处理”和“面向现场应用的多源大数据融合建模与智能决策分析”两个问题，开展了多源数据高效组织管理模型、时空一致性纠正算法、数据格式统一、智能决策模型等研究，集成上述算法和模型，设计并实现了神东生态环境监测平台，解决多源大数据协同处理与决策应用的问题(见下文第4章)。
3 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术体系
3.1 监测要素与主要方法
针对采煤沉陷区生态环境监测的政策要求与难点，神东矿区构建了生态环境一体化监测技术体系。该体系包括“煤−岩−水−土−气−植−碳”7类监测要素、17个监测类别、60个以上的监测指标。每个指标对应的观测平台、执行的相关标准规范见表2。神东矿区为满足各部门监管要求，将上述指标均集成到了神东生态环境监测平台。
表 2 神东采煤沉陷区生态环境监测的主要要素Table 2. Primary factors in the ecosystem monitoring of the Shendong coal mining subsidence area监测要素 监测类别 监测指标 观测平台类型 执行规范 煤 地下煤层 煤层厚度 地基平台 《安全高效现代化矿井技术规范》
(MT/T 1167—2019)甲烷浓度 地基平台、室内化验分析 煤质状况 地基平台、室内化验分析 岩 地表岩层 岩性 天基平台、空基平台、室内化验分析 《矿山地质环境监测技术规程》
(DZ/T 0287—2015)、《矿山环境遥感
监测技术规范》(DZ/T 0392—2022)地表形变 天基平台、空基平台、地基平台 土地压占规模 天基平台、空基平台、地基平台 排矸场复垦率 天基平台、空基平台、地基平台 地下岩层 地下形变 地基平台 岩土体含水率 地基平台、室内化验分析 地应力 地基平台 水 水资源 水位 地基平台 《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)、《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《煤炭工业污染物
排放标准》(GB 20426—2006)地下水水质 地基平台、室内化验分析 水体面积 天基平台、空基平台、地基平台 排水量 地基平台 用水量 地基平台 水环境 水温 天基平台、空基平台、
塔基平台、室内化验分析《地表水环境质量标准》
(GB 3838—2002)、
《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《城镇污水处理厂污染物排放标准》
(GB 18918—2002)PH值 室内化验分析 溶解氧 室内化验分析 总磷 室内化验分析 总氮 室内化验分析 类大肠菌群 室内化验分析 砷、铬、铅等98项 室内化验分析 水生态 浮游植物 室内化验分析 《水生态监测技术指南 湖泊和水库水生生物监测与评价(试行)》(HJ 1296—2023) 浮游动物 地基平台、室内化验分析 微生物 室内化验分析 土 土地利用 土地利用类型 天基平台、空基平台、地基平台 《土地利用现状分类》
(GB/T 21010—2017)土壤质量 土壤机械组成 室内化验分析 《自然生态系统土壤长期定位监测指南》(GB/T 32740—2016)、《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016) 土壤含水量 天基平台、空基平台、地基平台 土壤温度 天基平台、空基平台、
塔基平台、地基平台土壤有机质含量 天基平台、空基平台、室内化验分析 土壤污染 土壤pH值 室内化验分析 《土地质量地球化学评价规范》
(DZ/T 0295—2016)、
《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险
管控标准(试行)》(GB 36600—2018)重金属含量 室内化验分析 总石油烃 室内化验分析 氟化物 室内化验分析 四氯化碳、氯仿、
氯甲烷等38项室内化验分析 水土流失 土壤侵蚀模数 天基平台、空基平台、地基平台 《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018) 土壤流失量 地基平台 沙化土地面积 天基平台、空基平台、地基平台 气 气象条件 大气温湿度 天基平台、地基平台 《地面气象观测规范 总则》
(GB/T 35221—2017)风向风速 天基平台、地基平台 降水量 地基平台 空气质量 CO2浓度 地基平台 《环境空气质量标准》(GB 3095—2012) PM2.5浓度 地基平台 非甲烷总烃 地基平台 气 锅炉废气 SO2 地基平台 《锅炉大气污染物排放标准》
(GB 13271—2014)、《大气污染物
综合排放标准》(GB 16297—1996)NOx 地基平台 林格曼黑度 地基平台 汞及其化合物 地基平台 植 植被生长状态 叶绿素含量 天基平台、空基平台、室内化验分析 《全国生态状况调查评估技术规范—生态系统质量评估》(HJ 1172—2021)、《全国生态状况调查评估技术规范—森林生态系统野外观测》(HJ 1167—2021)、《矿山土地复垦与生态修复监测评价技术规范》(GB/T 43935—2024) 树高、胸径 地基平台 存活率 空基平台、地基平台 净初级生产力 天基平台、空基平台、
塔基平台、室内化验分析叶面积指数 天基平台、空基平台 植被覆盖度 天基平台、空基平台 生物多样性 野生动物种数 塔基平台、地基平台 《生态环境状况评价技术规范》
(HJ 192—2015)、《生物多样性(陆域生态系统)遥感调查技术指南》(HJ 1340—2023)野生植物种数 地基平台 中国特有的物种数量 塔基平台、地基平台 极危/濒危/易危物种数 塔基平台、地基平台 外来物种种类数 塔基平台、地基平台 碳 静态碳库 土壤碳储量 天基平台、空基平台、地基平台 《经济林碳计量与监测技术指南》
(T/CSF 076—2023)、《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化−分光光度法》
(HJ 615—2011)植被碳储量 天基平台、空基平台、地基平台 动态碳库 植被固碳能力 天基平台、空基平台、地基平台 《经济林碳计量与监测技术指南》
(T/CSF 076—2023)土壤固碳能力 地基平台 《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化−分光光度法》(HJ 615—2011) 温室气体排放 天基平台、空基平台、地基平台 《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》(2014年) CH4逃逸排放 天基平台、空基平台、地基平台 《固定污染源废气 总烃、甲烷和非甲烷总烃的测定 气相色谱法》(HJ 38—2017) 3.2 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术路线
基于上述监测内容，制定了神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术路线，如图2所示。首先建设了“天−空−塔−地−室” 5个层次的观测平台体系，随后构建了生态环境监测大数据高效组织管理、存储计算等关键技术，实现了“煤−岩−水−土−气−植−碳”监测数据一体化时空协同处理、融合建模与智能决策分析。
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图 2 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术路线Figure 2. Roadmap of integrated coal-rock-water-soil-air-vegetation-carbon monitoring technology3.3 “天−空−塔−地−室”一体化观测与时空协同关系
“天−空−塔−地−室”不同的观测平台具有不同的观测能力，具体表现为：能够监测不同的要素指标以及实现不同的时空观测范围和时空分辨率。本文总结了“天−空−塔−地−室”不同平台能够观测的要素指标，即各个平台能够获取哪些要素的哪些指标，对应关系见表2。例如，天基平台和空基平台搭载合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)均能获取土壤含水量(不同平台的时空观测范围和时空分辨率有差异，下文介绍)。塔基热红外监测可以获取局部区域的地表土壤温度。地基土壤站点观测可以获取点位的土壤含水量、土壤温度。实验室化验分析可以获取土壤机械组成、有机质含量、pH值等。其他要素指标与平台的对应关系可以详见表2，在此不再赘述。多个观测平台的组合实现了“煤−岩−水−土−气−植−碳”多要素指标的全面覆盖监测。“天−空−塔−地−室”不同观测平台的时空观测范围和时空分辨率各有侧重，如图3所示。通过建设“天−空−塔−地−室”5个层次的观测平台体系，能够实现生态环境监测时空范围与分辨率的优势互补，形成大范围、长时序、高频次、中高空间分辨率的采煤沉陷区生态环境监测大数据获取能力。
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图 3 不同平台技术的时空观测范围和时空分辨率Figure 3. Spatiotemporal observation ranges and resolution based on various platform technologies4 平台实现与一体化监测成果应用
4.1 神东生态环境监测平台系统功能
在生态环境监测大数据的基础上，设计并实现了神东生态环境监测平台。平台主要系统功能如图4所示，主界面如图5所示。该平台协调了政府多个监管部门对神东采煤沉陷区生态环境监测的要求，针对神东生态环境一体化监测面临的观测平台多、要素指标复杂、时间跨度长，不同平台获取的监测数据存在结构差异大、时空不同步、分辨率不一致的问题，设计并实现了矿区生态环境大数据地理格网剖分与时空编码模型、高效时空复合索引模型、多尺度聚合与时空查询模型等，对多源一体化监测数据进行时空一致性纠正、数据格式统一等协同处理。其中，来源于“天−空−塔−地−室”等不同观测平台的多源监测数据主要有：卫星遥感图像数据、无人机遥感图像数据、三维点云数据、塔基观测图像和视频数据、地面调查记录数据、站点在线监测数据、室内化验分析数据等。该系统制定了一套面向神东矿区13个生产煤矿的生态环境多源大数据一体化管理规范与数据接口标准。基于数据结构将上述数据划分为4个类型，即栅格数据(如原始卫星遥感图像数据、各类生态参数反演产品等)、矢量数据(如采样点位数据、土地利用类型数据、水土流失防治责任范围数据等)、文本数据(如气象站、水质监测站等各类站点在线监测记录的数据)、其他数据(如无人机三维地形建模数据、视频监控数据等)。针对不同的数据类型，分别开展时空一致性纠正、数据格式统一等时空协同处理。其中，时空一致性纠正主要是解决时空数据在采集和生产时所出现的时间属性、空间尺度、空间基准等不一致的问题。例如针对多源遥感数据由于成像时间不一致而导致生态参数存在系统性偏差，基于图像灰度分布概率设计并提出了一致性纠正方法[28]。矢量数据由于不同时间下采集而导致几何冲突，需要通过拓扑、语义等分析选择准确的空间对象，从而统一空间基准。针对数据格式统一的问题，分别设计了不同数据类型的文件系统保存形式(包括存储格式、命名规范、目录结构、自定义的元数据格式)、数据库系统保存形式(包括数据表名、数据表字段、元数据表名、元数据表字段、关联字段)以及各类数据表。例如，栅格数据存储格式统一转换为TIFF格式，命名规范为“煤矿ID_数据类型_日期_传感器_空间分辨率”，目录结构为“/煤矿/年份/月份/传感器”等。
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图 4 神东生态环境监测平台主要系统功能Figure 4. Primary systems and functions of the Shendong ecosystem monitoring platform![]()
图 5 神东生态环境监测平台主界面Figure 5. Main interface of the Shendong ecosystem monitoring platform在数据一体化管理规范的基础上，该系统将离散格网作为时空监测大数据的组织框架，基于格网编码方法，融合矢量空间数据，设计“尺度分层−空间分区−时间分片”的多层级组织结构实现大规模时空数据的高效组织[29]。根据数据体量、数据结构的差异，采用文件系统和数据库混合式存储方法，将监测大数据统一存储管理，即原始遥感图像等大文件数据存储于分布式文件系统HDFS中，栅格瓦片、矢量数据、属性数据、元数据等存储于数据库HBase和PostgreSQL[27]。在空间网格索引基础上考虑时间维度信息，利用三维Z-order空间填充曲线设计顾及尺度特征的时空复合索引结构，加速生态环境监测大数据的检索、查询分析与聚合计算[27]。系统最终建立了覆盖约2 000 km2空间范围和30 a时间跨度、30 m-10 m-1 m三级空间分辨率和季−月−天三级时间分辨率的神东矿区生态环境一体化监测大数据库，实现了神东生态环境多源异构大数据的高效组织管理、在线计算与动态更新、有效聚合与可视化查询分析等。此外，平台集成了多源大数据融合建模与智能决策分析相关的模块，例如植被、土壤、水体等参数反演建模模块主要融合卫星、无人机、地面测量、室内化验分析等数据建立参数反演模型，实现上述生态要素参数的遥感计算。生态演变趋势推演预测模块主要融合多源大数据建立生态演变趋势推演预测模型，实现生态综合变化趋势的推演预测；植株种植适宜性评价与优选模块、植株自动识别与数量核算模块等主要实现了生态种植工程建设与验收过程中的智能决策。
4.2 神东生态环境一体化监测成果应用成效
上述技术体系和生态环境监测平台在神东煤炭集团13个生产煤矿开展了应用，在满足政府多部门监管要求的基础上，有效支撑了采煤沉陷区生态修复工程建设与生态植物日常管护。
神东生态环境一体化监测大数据为生态修复工程建设和日常管护分别提供了本底数据、近实时的过程数据、竣工验收数据等客观依据，助力采煤沉陷区生态修复效率提升与质量保障，例如：(1)生态植物种植工程前，通过本底监测大数据摸底土壤种植的适用性，优选植被类型组合与种植密度。例如，基于一体化监测大数据分析，对哈拉沟煤矿某地提出植被类型组合优选和种植密度规划建议(图6a、图6b)。(2)日常管护工程中，通过遥感监测数据核定灌草植物平茬作业工程量；通过多源监测数据及时发现植被长势退化、土壤墒情等。以石圪台煤矿和补连塔煤矿为例，植被变化趋势和土壤墒情如图7a、图7b所示。(3)生态修复工程后，通过无人机影像识别存活植株、测算生态种植工程的植株存活率等。以上湾煤矿为例，通过无人机影像和改进的YOLO v8模型实现了生态种植工程实施后樟子松存活植株识别(图8)。基于识别的存活植株数和施工种植数量可以计算存活率。综上，神东生态环境一体化监测技术有效支撑了生态修复工程的植物类型与种植密度优选(种植前)、植被长势与土壤墒情研判(种植中)、植株数量与存活率监测验收(种植后)等不同阶段的智能决策，取得了良好的应用效果。神东矿区逐步建成哈拉沟生态示范基地(图9)、大柳塔生态示范基地、上湾生态示范基地等，先后获评省级水土保持科技示范园、国家水土保持科技示范园、国家水土保持生态文明工程示范点、国家级绿色矿山、煤炭行业科普教育基地、全国煤炭行业红色教育基地、水土保持科普教育基地以及全国首个采煤沉陷区“山水林田湖草沙”生态示范基地等荣誉，取得了显著的社会效益。
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图 6 哈拉沟煤矿某地植被类型组合优选和种植密度规划建议Figure 6. Recommended vegetation type combinations and planting density for an area in the Halagou Coal Mine![]()
图 7 石圪台煤矿和补连塔煤矿植被变化趋势和土壤墒情结果示例Figure 7. Vegetation variation trends and soil moisture content in the Shigetai and Bulianta coal mines![]()
图 8 上湾煤矿某生态种植工程樟子松存活植株识别结果示例注：识别出的每棵单株樟子松用蓝框标记Figure 8. Identification results of surviving pinus sylvestris var. mongolica plants in the ecological planting engineering of the Shangwan Coal Mine![]()
图 9 哈拉沟煤矿“国家水土保持生态文明工程示范点”Figure 9. Exemplary site of national soil and water conservation ecological civilization engineering in the Halagou Coal Mine.5 总结与展望
(1) 论述了神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术与应用，构建了“煤−岩−水−土−气−植−碳”要素一体化监测和“天−空−塔−地−室”多观测平台协同的技术体系，研发了神东生态环境监测平台，解决了生态环境多要素耦合协同分析、多部门监测要求协调、多源异构大数据管理与时空协同处理、基于多源监测大数据的生态修复智能决策等问题。
(2) 构建的要素一体化监测和多平台协同技术体系是对现有研究中融合多平台协同监测技术的发展，延拓了观测平台技术和可监测的指标，发展了数据协同处理和智能决策分析方法。既满足了多个监管部门对指标覆盖性和监测效率的要求，也助力了采煤沉陷区生态修复工程与植物日常管护，为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测治理提供了典型案例参考。
(3) 提出的技术体系在监测数据类型、数据处理精度、决策支持应用方面仍有改进空间。今后可从以下方向开展后续研究：一是通过进一步增加和更新维护监测设施，完善一体化监测技术体系，获取更多类型的生态环境监测数据；二是优化遥感监测、站点监测数据的处理算法，提高多源监测数据的加工精度；三是进一步挖掘监测大数据的内在联系，促进监测数据成果在生态环境保护与治理工作中的进一步应用。
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图 2 “煤−岩−水−土−气−植−碳”一体化监测技术路线
Fig. 2 Roadmap of integrated coal-rock-water-soil-air-vegetation-carbon monitoring technology
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图 3 不同平台技术的时空观测范围和时空分辨率
Fig. 3 Spatiotemporal observation ranges and resolution based on various platform technologies
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图 4 神东生态环境监测平台主要系统功能
Fig. 4 Primary systems and functions of the Shendong ecosystem monitoring platform
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图 6 哈拉沟煤矿某地植被类型组合优选和种植密度规划建议
Fig. 6 Recommended vegetation type combinations and planting density for an area in the Halagou Coal Mine
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图 7 石圪台煤矿和补连塔煤矿植被变化趋势和土壤墒情结果示例
Fig. 7 Vegetation variation trends and soil moisture content in the Shigetai and Bulianta coal mines
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图 8 上湾煤矿某生态种植工程樟子松存活植株识别结果示例
注：识别出的每棵单株樟子松用蓝框标记
Fig. 8 Identification results of surviving pinus sylvestris var. mongolica plants in the ecological planting engineering of the Shangwan Coal Mine
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图 9 哈拉沟煤矿“国家水土保持生态文明工程示范点”
Fig. 9 Exemplary site of national soil and water conservation ecological civilization engineering in the Halagou Coal Mine.
表 1 主要监管部门的文件要求
Table 1 Regulatory documents issued by major regulatory authorities
监管部门 监管文件 自然资源部 《矿山地质环境保护规定》(2019年修正) 《关于进一步加强绿色矿山建设的通知》(自然资规〔2024〕1号) 《土地复垦条例实施办法》(2019年修正) 《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》(国土资发〔2016〕63号) 生态环境部 《工矿用地土壤环境管理办法(试行)》(生态环境部令〔2018〕3号) 《矿山环境监察指南(试行)》(环办〔2013〕14号) 《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环环评〔2020〕63号) 水利部 《生产建设项目水土保持方案管理办法》(水利部令〔2023〕第53号) 《推动黄河流域水土保持高质量发展的指导意见》(水保〔2021〕278号) 《水利部办公厅关于进一步加强生产建设项目水土保持监测工作的通知》(办水保〔2020〕161号) 国家发展和改革委员会 《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》(发改环资〔2024〕226号) 《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源〔2020〕283号) 陕西省 《陕西省煤炭石油天然气开发生态环境保护条例》(2019年9月27日陕西省第十三届人民代表大会
常务委员会第十三次会议第二次修订)内蒙古自治区 《内蒙古自治区人民政府办公厅关于印发自治区矿山环境治理实施方案的通知》(内政办字〔2020〕56号) 山西省 《山西省矿山地质环境保护与治理规划(2018—2025年)》(晋自然资发〔2019〕31号) 
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表 2 神东采煤沉陷区生态环境监测的主要要素
Table 2 Primary factors in the ecosystem monitoring of the Shendong coal mining subsidence area
监测要素 监测类别 监测指标 观测平台类型 执行规范 煤 地下煤层 煤层厚度 地基平台 《安全高效现代化矿井技术规范》
(MT/T 1167—2019)甲烷浓度 地基平台、室内化验分析 煤质状况 地基平台、室内化验分析 岩 地表岩层 岩性 天基平台、空基平台、室内化验分析 《矿山地质环境监测技术规程》
(DZ/T 0287—2015)、《矿山环境遥感
监测技术规范》(DZ/T 0392—2022)地表形变 天基平台、空基平台、地基平台 土地压占规模 天基平台、空基平台、地基平台 排矸场复垦率 天基平台、空基平台、地基平台 地下岩层 地下形变 地基平台 岩土体含水率 地基平台、室内化验分析 地应力 地基平台 水 水资源 水位 地基平台 《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)、《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《煤炭工业污染物
排放标准》(GB 20426—2006)地下水水质 地基平台、室内化验分析 水体面积 天基平台、空基平台、地基平台 排水量 地基平台 用水量 地基平台 水环境 水温 天基平台、空基平台、
塔基平台、室内化验分析《地表水环境质量标准》
(GB 3838—2002)、
《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《城镇污水处理厂污染物排放标准》
(GB 18918—2002)PH值 室内化验分析 溶解氧 室内化验分析 总磷 室内化验分析 总氮 室内化验分析 类大肠菌群 室内化验分析 砷、铬、铅等98项 室内化验分析 水生态 浮游植物 室内化验分析 《水生态监测技术指南 湖泊和水库水生生物监测与评价(试行)》(HJ 1296—2023) 浮游动物 地基平台、室内化验分析 微生物 室内化验分析 土 土地利用 土地利用类型 天基平台、空基平台、地基平台 《土地利用现状分类》
(GB/T 21010—2017)土壤质量 土壤机械组成 室内化验分析 《自然生态系统土壤长期定位监测指南》(GB/T 32740—2016)、《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016) 土壤含水量 天基平台、空基平台、地基平台 土壤温度 天基平台、空基平台、
塔基平台、地基平台土壤有机质含量 天基平台、空基平台、室内化验分析 土壤污染 土壤pH值 室内化验分析 《土地质量地球化学评价规范》
(DZ/T 0295—2016)、
《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险
管控标准(试行)》(GB 36600—2018)重金属含量 室内化验分析 总石油烃 室内化验分析 氟化物 室内化验分析 四氯化碳、氯仿、
氯甲烷等38项室内化验分析 水土流失 土壤侵蚀模数 天基平台、空基平台、地基平台 《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018) 土壤流失量 地基平台 沙化土地面积 天基平台、空基平台、地基平台 气 气象条件 大气温湿度 天基平台、地基平台 《地面气象观测规范 总则》
(GB/T 35221—2017)风向风速 天基平台、地基平台 降水量 地基平台 空气质量 CO2浓度 地基平台 《环境空气质量标准》(GB 3095—2012) PM2.5浓度 地基平台 非甲烷总烃 地基平台 气 锅炉废气 SO2 地基平台 《锅炉大气污染物排放标准》
(GB 13271—2014)、《大气污染物
综合排放标准》(GB 16297—1996)NOx 地基平台 林格曼黑度 地基平台 汞及其化合物 地基平台 植 植被生长状态 叶绿素含量 天基平台、空基平台、室内化验分析 《全国生态状况调查评估技术规范—生态系统质量评估》(HJ 1172—2021)、《全国生态状况调查评估技术规范—森林生态系统野外观测》(HJ 1167—2021)、《矿山土地复垦与生态修复监测评价技术规范》(GB/T 43935—2024) 树高、胸径 地基平台 存活率 空基平台、地基平台 净初级生产力 天基平台、空基平台、
塔基平台、室内化验分析叶面积指数 天基平台、空基平台 植被覆盖度 天基平台、空基平台 生物多样性 野生动物种数 塔基平台、地基平台 《生态环境状况评价技术规范》
(HJ 192—2015)、《生物多样性(陆域生态系统)遥感调查技术指南》(HJ 1340—2023)野生植物种数 地基平台 中国特有的物种数量 塔基平台、地基平台 极危/濒危/易危物种数 塔基平台、地基平台 外来物种种类数 塔基平台、地基平台 碳 静态碳库 土壤碳储量 天基平台、空基平台、地基平台 《经济林碳计量与监测技术指南》
(T/CSF 076—2023)、《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化−分光光度法》
(HJ 615—2011)植被碳储量 天基平台、空基平台、地基平台 动态碳库 植被固碳能力 天基平台、空基平台、地基平台 《经济林碳计量与监测技术指南》
(T/CSF 076—2023)土壤固碳能力 地基平台 《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化−分光光度法》(HJ 615—2011) 温室气体排放 天基平台、空基平台、地基平台 《中国煤炭生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》(2014年) CH4逃逸排放 天基平台、空基平台、地基平台 《固定污染源废气 总烃、甲烷和非甲烷总烃的测定 气相色谱法》(HJ 38—2017)
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期刊类型引用(1)
1. 张治波，郭英海，郑伟清，曾春林，李岩，赵迪斐，张家明. 川东北地区五峰组–龙马溪组页岩地球化学特征及有机质富集模式. 煤炭科学技术. 2024(08): 124-138 . 
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