稀土礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的三維遙感技術研究

劉鳳梅，曾 敏

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

稀土礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的三維遙感技術研究

劉鳳梅，曾 敏

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

以遙感和GIS為主要技術手段，對CBERS－02B數(shù)據(jù)進行幾何糾正、鑲嵌融合和正射糾正處理后，在ArcGIS平臺上，利用1∶1萬地形圖建立數(shù)字高程模型(DEM)，通過疊加遙感影像對地形地貌進行三維模擬，制作了江西省安遠縣稀土礦開采區(qū)三維遙感影像圖，并對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行了三維分析實驗。實踐證明，三維遙感技術對野外地質(zhì)調(diào)查困難區(qū)域的野外調(diào)查路線選擇、典型區(qū)域勘察以及指導礦山生產(chǎn)等都有重要的現(xiàn)實意義;且能快速而準確地揭示礦山地質(zhì)環(huán)境的空間分布規(guī)律，計算各類地質(zhì)環(huán)境要素的面積、體積;還可以疊加地質(zhì)環(huán)境要素等矢量數(shù)據(jù)，通過緩沖區(qū)分析對地質(zhì)災害的危害范圍及發(fā)展趨勢進行分析和預測，為減災排險和恢復治理提供決策依據(jù)。

CBERS－02B;礦山地質(zhì)環(huán)境;三維分析;緩沖區(qū)分析

0 引言

遙感圖像的三維技術基于DEM數(shù)據(jù)和遙感影像，可實時顯示、繪制動態(tài)的三維地形地貌景觀。三維地形的數(shù)字化顯示不單是提供真實觀感的問題，也是對空間數(shù)據(jù)及所處環(huán)境的一種非常好的描述，是二維現(xiàn)實地形地貌和水系分布延伸到三維地形世界的真實再現(xiàn)，以直接、可視化、易于理解的形式表達二維地表信息，可應用于所有三維實時顯示的場合(特別適合大范圍、不規(guī)則地形的三維可視化表達)。對三維遙感技術的研究和應用，不僅為本文進行礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究提供了有利工具，也是真實三維影像、視景仿真、虛擬現(xiàn)實、虛擬地理信息系統(tǒng)等領域的前沿和熱點研究技術［1－2］。

本文采用中巴地球資源衛(wèi)星02B星(CBERS－02B)遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)CCD與HR數(shù)據(jù)融合后(空間分辨率達2.36 m)，與利用1∶1萬地形圖建立的DEM相結合，對稀土礦開采區(qū)的地形地貌進行三維模擬，快速而準確地查清礦山地質(zhì)環(huán)境要素的基礎信息和空間分布規(guī)律。經(jīng)野外驗證結果可信，并取得為減災排險和恢復治理提供決策依據(jù)的社會效應。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

安遠縣車頭稀土礦區(qū)位于江西省贛州市安遠縣城以西 6 km，地理坐標為 E115°11＇57″～115°14＇06″，N25°01＇52″～25°03＇52″，治理礦區(qū)面積 16.3 km2。礦區(qū)屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候區(qū)，降雨強度大、暴雨多，降雨量年際與月際變化大，旱澇災害頻發(fā)，尤其突發(fā)的山洪常常使江河水位猛漲，沖毀農(nóng)田，嚴重剝蝕表土層與植被蓋層，造成巨大的生命財產(chǎn)損失;開采過度的礦山極易發(fā)生泥石流災害并形成淤積區(qū)，毀壞礦區(qū)周邊農(nóng)田。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

1.2.1 數(shù)據(jù)源

本次研究采用CBERS－02B數(shù)據(jù)，采取遙感解譯與野外實地調(diào)查相結合的手段，進行安遠縣車頭稀土礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查。

采用的CBERS－02B數(shù)據(jù)為2008年12月13日獲取的CCD數(shù)據(jù)與2009年12月19日獲取的HR數(shù)據(jù)。通過融合處理，生成模擬真彩色圖像。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)預處理

CBERS－02B圖像數(shù)據(jù)均為二級產(chǎn)品，只經(jīng)過輻射校正和幾何粗糾正處理，所以對CBERS－02B衛(wèi)星圖像又進行了配準、幾何精糾正與圖像增強、多波段圖像合成及裁剪等處理。

采用主成分變換法對CBERS－02B衛(wèi)星CCD傳感器的1～4波段與HR傳感器的高分辨率波段圖像進行融合，生成含上述4個波段信息的融合圖像。根據(jù)雪氏熵值法統(tǒng)計分析和地物波譜特征，選取CBERS－02B 融合圖像的 Band 4(R)、Band 3(G)、Band 2(B)組合制作的假彩色合成圖像為最佳解譯波段組合的圖像;以 Band 3(R)、Band 2(G)、Band 1(B)組合制作的模擬真彩色圖像適用于專題制圖。

采用1∶1萬地形圖對融合后的CBERS－02B數(shù)據(jù)進行幾何精糾正。糾正過程中盡量選取圖像中明顯、清晰的永久性定位識別標志(如道路交叉點、建筑物邊界、橋梁等)作為控制點，使糾正后圖像的幾何誤差控制在1個像元之內(nèi);從糾正后的圖像中裁剪出研究區(qū)范圍進行信息提取。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境遙感解譯

2.1 遙感解譯方法

遙感解譯基于地學原理對基礎圖像上的地物進行判讀和識別，并對其進行定性、定量、時間和空間分析，獲取各類地物基本屬性特征和影像特征［3］。

根據(jù)安遠縣稀土礦區(qū)的開采特征，本次解譯的礦山地質(zhì)環(huán)境要素主要包括采剝區(qū)、堆積區(qū)、尾砂淤積區(qū)、農(nóng)田淤積區(qū)和采礦后已恢復區(qū)，根據(jù)前期調(diào)查結果建立了礦山地質(zhì)環(huán)境要素解譯標志(表1)。

表1 解譯標志一覽表Tab.1 List of interpretation keys

根據(jù)遙感圖像的空間分辨率情況，本次遙感解譯在ENVI和ArcGIS軟件平臺上采用人機交互的方式進行，提取礦山地質(zhì)環(huán)境要素，構建拓撲關系，并按照實際規(guī)模大小在1∶1萬地形圖上進行標注。遙感解譯是一個初步解譯—野外驗證—詳細解譯的綜合、反復過程，具體步驟如圖1所示。

圖1 遙感解譯技術流程Fig.1 Flow chart of RS interpretation

2.2 野外調(diào)查驗證

礦山地質(zhì)環(huán)境野外調(diào)查的目的主要是驗證遙感解譯圖斑的可靠性和準確性，特別是對采剝區(qū)與堆積區(qū)界線的劃分、堆積區(qū)與尾礦淤積區(qū)等問題進行重點調(diào)查，對室內(nèi)解譯結果進行再修正，并對室內(nèi)解譯與野外驗證結果不一致的原因進行分析。

采取GPS實地測量的方法進行野外調(diào)查，并填寫野外調(diào)查記錄。對于采剝區(qū)、尾砂堆積區(qū)及淤積區(qū)分界線的地段，使用GPS布置代表性路線進行追蹤驗證［4］。在野外共驗證了23個礦區(qū)的50個圖斑，驗證結果表明遙感解譯的判對率高達94.7%以上(表2)。

表2 野外驗證結果與圖斑屬性精度評價Tab.2 Precision evaluation of field verification results and spot attributes

2.3 解譯結果分析

對第一次室內(nèi)解譯結果進行野外驗證后，共解譯圖斑108個(包括采剝區(qū)55個、尾砂堆積區(qū)31個、尾砂淤積區(qū)17個、農(nóng)田淤積區(qū)3個和采礦后已恢復區(qū)2個)，詳見表3。

表3 解譯結果Tab.3 Interpretation results

3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境三維分析

為了更清楚、更直觀地表現(xiàn)稀土礦開采所引起的一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題，利用高分辨率圖像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)制作了研究區(qū)的三維顯示效果圖。本文選用ENVI 4.4和ArcGIS 9.1生成有關礦區(qū)的三維模型，礦區(qū)三維模型效果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)三維模型效果圖Fig.2 3D model of study area

3.1 DEM模型的建立

建立DEM模型的方法主要有數(shù)據(jù)內(nèi)插和三角測量。內(nèi)插方法包括反距離權重、樣條函數(shù)和Kriging插值法［5］。

DEM內(nèi)插是根據(jù)參考點的高程求出其他待定點的高程，原理上雖屬于數(shù)學插值問題，但比數(shù)學插值更復雜(因為DEM內(nèi)插必須充分考慮地形的連續(xù)性和光滑性，或者說鄰近地面高程點之間有很大的相關性)。因此，不是所有的插值方法都適用于DEM數(shù)據(jù)的內(nèi)插。本文從地形的連續(xù)性和光滑性這一特點出發(fā)，采用Kriging插值法對DEM數(shù)據(jù)進行插值;使用ArcMap的三維分析模塊，以1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)為基礎，建立區(qū)域DEM模型，并生成1∶1萬DEM 暈渲圖(圖3)。

圖3 研究區(qū)1∶1萬DEM暈渲圖Fig.3 DEM hill－ shading map of study area(1 ∶10000)

3.2 遙感影像三維模型的建立

以DEM數(shù)據(jù)為基礎，在ArcGIS中疊加遙感影像及各類矢量數(shù)據(jù)，構建真實地表三維顯示圖像。可以通過不同的瀏覽器從多個角度瀏覽圖像上的不同場景，有助于識別目標地物的影像特征，分析影像與地形的相關性［6］。

在ArcGIS的ArcScene模塊中，添加DEM、遙感影像和解譯的地質(zhì)環(huán)境矢量數(shù)據(jù)，場景初始狀態(tài)的基準高程值為0。影像中的地面紋理是地形的主要信息來源，將遙感影像、地理要素、解譯矢量數(shù)據(jù)和文字符號標注等多種數(shù)據(jù)疊加到DEM模型上;以DEM模型高程為基準，在Scene Properties對話框設置場景中所有圖層的屬性，生成三維地形影像［7］。由于為遙感影像和地質(zhì)環(huán)境要素矢量數(shù)據(jù)添加了高程信息，地面紋理、各類地質(zhì)環(huán)境要素和地形地貌之間的關系就會顯示出來，建立起地形地貌的三維顯示場景(圖4)。

圖4 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境三維解譯與野外調(diào)查對比Fig.4 Comparison between 3D interpretation and field survey of mining area

3.3 礦山地質(zhì)環(huán)境三維可視化分析

建立場景逼真的三維地形的主要目的是對研究區(qū)的地理、地形、地貌有更清楚的了解和掌握，不僅有助于了解各類礦山地質(zhì)環(huán)境要素的平面分布特征，還有助于進一步查明各地質(zhì)環(huán)境點的地形地貌分布特征，從而有利于從宏觀上發(fā)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題，便于及時決策及解決問題。結合研究區(qū)的具體地質(zhì)環(huán)境問題進行的三維分析主要包括以下內(nèi)容:

(1)礦山地質(zhì)環(huán)境要素的空間計算。從DEM模型中提取坡度、坡向、地面剖面曲率、地面平面曲率等相關的地形因子，利用三維分析擴展模塊，結合解譯的地質(zhì)環(huán)境要素矢量界線所對應的DEM高程值，量算各類地質(zhì)環(huán)境要素的面積和體積。

(2)三維礦山地質(zhì)環(huán)境緩沖區(qū)分析。利用遙感影像結合地面采集的各類地質(zhì)災害數(shù)據(jù)，能夠迅速、準確地監(jiān)測和確定各類地質(zhì)災害的地理位置、面積、規(guī)模等內(nèi)容。先根據(jù)地形地貌特征，在三維可視化顯示下模擬地質(zhì)災害發(fā)生的情況，對所解譯地質(zhì)環(huán)境要素的矢量數(shù)據(jù)進行分段緩沖區(qū)分析(緩沖區(qū)半徑根據(jù)各地質(zhì)環(huán)境要素的高程計算而得);再結合專業(yè)數(shù)學模型，對地質(zhì)災害的危害范圍及發(fā)展趨勢做出分析和預測。

4結論

(1)在實際應用方面，利用三維遙感可視化技術取得的影像色彩真實、立體感顯著增強，對礦山地質(zhì)環(huán)境野外調(diào)查路線選擇和野外驗證具有真實觀感;形象反映了研究區(qū)的地形地貌，擺脫了以往二維平面遙感影像解譯的空間局限性，對解譯標志的建立及解譯準確率的提高具有重要作用。

(2)通過三維空間建模，采用不同的空間尺度和觀察視角，可準確、高效地提取出稀土礦開采區(qū)、尾礦堆積區(qū)、尾砂淤積區(qū)和農(nóng)田淤積區(qū)的范圍、面積、空間分布等基礎信息。

(3)通過遙感影像與DEM相結合進行三維空間分析，能快速了解地質(zhì)災害的影響范圍，從遙感影像中實時分析出受地質(zhì)災害影響的地物，為減災排險和恢復治理提供決策依據(jù)。

［1］徐友寧.礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究現(xiàn)狀及展望［J］.地質(zhì)通報，2008，27(8):1235 －1244.

［2］付碧宏，二宮芳樹，董彥芳，等.三維衛(wèi)星遙感圖像生成技術及其在第四紀構造地貌研究中華的應用［J］.第四紀研究，2008，28(2):189－196.

［3］況順達，趙震海.遙感技術在貴州礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應用［J］.中國礦業(yè)，2006，15(11):49 －52.

［4］孫立新，白喜慶.“3S”技術在礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應用［J］.中國煤田地質(zhì)，2004，16(S1):70 －71，83.

［5］湯國安，劉學軍，閭國年，等.數(shù)字高程模型及地學分析的原理與方法［M］.北京:科學出版社，2005.

［6］張心彬，魯孟勝，黃春慧.礦區(qū)遙感解譯與三維景觀的制作方法及應用［J］.煤炭工程，2006(3):88－90.

［7］楊武年，廖崇高，濮國梁，等.數(shù)字區(qū)調(diào)新技術新方法——遙感圖像地質(zhì)解譯三維可視化及影像動態(tài)分析［J］.地質(zhì)通報，2003，22(1):60 －64.

A Study of 3D Remote Sensing Technology in Geological Environment Investigation of the REE Mine

LIU Feng－mei，ZENG Min
(Wuhan Center of Geological Survey of China Geological Survey，Wuhan 430205，China)

According to the methods of RS and GIS and after geometric correction，image fusion，image mosaicking and ortho－rectification for CBERS－02B image，the remote sensing image can be overlapped with DEM generated by TIN from the relief map.On the basis of 3D remote sensing images of a REE ore exploration area in Anyuan County，three － dimensional simulation can be applied to the three－ dimensional analysis so as to study the geological environment of the mining area.Practices show that 3D remote sensing technology has great practical significance for selection of geological investigation route in areas where it is difficult to conduct field work as well as typical regional reconnaissance and mining production.In addition，it can find out the distribution pattern of the geological environment with great speed and accuracy，and can also be superimposed with vector data for the buffer analysis.Finally，the method can be used to analyze and predict the scale and development tendency of the geological hazards so as to provide the basis for decision－making on eliminating and tackling the hazards.

CBERS－02B;Geological environment in mining area;Three－dimensional analysis;Buffer analysis

TP 79

A

1001－070X(2011)04－0136－04

2011－03－22;

2011－04－22

劉鳳梅(1984－)，女，碩士，工程師，主要從事遙感、地理信息系統(tǒng)等地學應用方面的研究。

(責任編輯:劉心季)