遙感技術(shù)在礦業(yè)活動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張端陽(yáng)，潘振祥

(1．河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作454003;2．河南省國(guó)土資源信息中心，河南鄭州450016)

一、引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求日益增長(zhǎng)，礦產(chǎn)資源為我國(guó)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和能源保證。與此同時(shí)，礦產(chǎn)資源的加速開(kāi)采帶來(lái)的各方面問(wèn)題也日益凸顯。傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源監(jiān)管模式對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)管一般采用“逐級(jí)統(tǒng)計(jì)上報(bào)、群眾舉報(bào)”的方法進(jìn)行，其周期長(zhǎng)、時(shí)效性差、準(zhǔn)確度低、人為因素影響大的缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了政府及相關(guān)行政部門對(duì)礦產(chǎn)資源的監(jiān)督和管理［1］。如何能有效地對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采狀況及礦山環(huán)境破壞情況進(jìn)行監(jiān)督和管理顯得至關(guān)重要。

本文以IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(全色1 m和多光譜4 m)為主要信息源，對(duì)研究區(qū)的影像信息進(jìn)行提取、解譯，結(jié)合野外實(shí)地驗(yàn)證對(duì)礦山開(kāi)采情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

二、研究區(qū)概況

本文研究礦區(qū)位于華北平原，礦產(chǎn)資源豐富，開(kāi)發(fā)礦種多，主要包括煤炭、鋁土礦、耐火黏土、鐵礦、銅礦等。礦區(qū)構(gòu)造上隸屬于坳陷地帶，該坳陷大致呈北西向展布，由一個(gè)四周隆起所環(huán)抱的緩狀盆地發(fā)展而成。受區(qū)域構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)次級(jí)褶皺、斷裂發(fā)育。其中褶皺波及全區(qū)，斷層多分布于井田周邊，地層總體走向東西或近東西，傾向北、北北西、北東。研究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，山地、丘陵、河谷山川地等各類地貌齊全。地勢(shì)北高南低，海拔1200～1500 m;西部、西南部山勢(shì)低緩，屬低山丘陵區(qū)，海拔800～1000 m;中東部山丘環(huán)繞，地勢(shì)西高東低，西窄東寬，略呈“簸箕”形的沖積傾斜平原，向東延伸與華東大平原相接，最高海拔385 m，最低海拔200 m，比差185 m，地形相對(duì)平坦開(kāi)闊，地表全為第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)地表全部由蟒河沖洪積物及山前坡積物所覆蓋［2］。

三、影像數(shù)據(jù)的選擇與處理

1．影像數(shù)據(jù)的選擇

本文收集了2011、2012、2013年3個(gè)時(shí)相、不同種類的遙感影像數(shù)據(jù)，包括IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及部分航空影像數(shù)據(jù)，所涉及圖像的幾何分辨率分別是IKONOS全色1 m、多光譜4 m和航片優(yōu)于1 m。成像的日期在10—11月，圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量好，無(wú)云霧，研究區(qū)監(jiān)測(cè)目標(biāo)明顯，可解譯性高。

2．?dāng)?shù)據(jù)處理

主要是對(duì)IKONOS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像調(diào)色增強(qiáng)處理、配準(zhǔn)、全色波段數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)融合［3］、正射校正(采用1∶50 000的DEM和GPS實(shí)測(cè)控制點(diǎn))、影像裁切和鑲嵌等處理。

因?yàn)镮KONOS數(shù)據(jù)全色波段具有較高的空間分辨率，但光譜分辨率較低;多光譜數(shù)據(jù)的光譜分辨率較高，但空間分辨率較低。因此，通過(guò)影像融合使遙感影像具有較高的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，同時(shí)保留多光譜影像的光譜特征［4］。目前融合的方法較多，主要有IHS變換、乘積變換融合、主成分變換融合等。通過(guò)對(duì)比，本研究采用乘積變換融合法進(jìn)行融合。

四、礦業(yè)活動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

1．研究區(qū)礦業(yè)活動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

礦產(chǎn)資源開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是通過(guò)分析不同時(shí)期的高分影像數(shù)據(jù)，從中進(jìn)行提取、分析變化信息以實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)目的。如何利用所獲取的影像資料，將所需的信息融合起來(lái)，并快速發(fā)現(xiàn)礦山開(kāi)采范圍的變化，是礦業(yè)活動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)所要解決的基本問(wèn)題［5］。

本研究主要是對(duì)研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證后，建立礦山開(kāi)采解譯標(biāo)志，最后確定研究區(qū)礦業(yè)活動(dòng)問(wèn)題圖斑。其研究的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

2．信息提取的方式

將融合處理后的IKONOS影像數(shù)據(jù)在ArcGIS平臺(tái)上進(jìn)行信息提取工作［6］。采用人機(jī)交互方式進(jìn)行解譯，在野外實(shí)地驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，建立礦山地物解譯標(biāo)志。與此同時(shí)，疊加采礦登記數(shù)據(jù)，圈定疑似開(kāi)采活動(dòng)相關(guān)的問(wèn)題圖斑，并根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證。

3．研究區(qū)礦山開(kāi)采解譯標(biāo)志建立

建立礦山開(kāi)采解譯標(biāo)志即根據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的影像特征建立影像和目標(biāo)物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接反映和判別實(shí)地信息的影像特征，包括形狀、大小、色調(diào)、紋理、位置等。利用全色和多光譜數(shù)據(jù)融合后的IKONOS影像，可以清楚地發(fā)現(xiàn)煤礦開(kāi)采井口位置、煤場(chǎng)及煤矸石堆、煤礦礦山輔助設(shè)施、鋁土礦露天開(kāi)采區(qū)等不同的影像判讀特征，如圖2所示。

具體為:①煤礦開(kāi)采井口:整體看來(lái)色彩呈黑色，有較為明顯的矩形色塊和黑色陰影，其中顏色較為明亮的為礦山建筑和輔助設(shè)施。②煤場(chǎng)及煤矸石堆:影像上表現(xiàn)為暗色調(diào)，正規(guī)礦山外側(cè)有擋土墻。非法礦山往往隨意堆放，在山坡堆積的固體廢棄物受雨水沖刷及重力作用順山坡滑落，在低洼處沿溝谷堆積［7］。③鋁土礦露天開(kāi)采:有明顯裸露的地面和運(yùn)輸?shù)缆肪W(wǎng)。④礦山輔助設(shè)施:包括礦石選場(chǎng)、礦部等。具有合法手續(xù)的礦山地表建筑相對(duì)比較大且按一定的規(guī)則排列;非法礦山地表建筑物相對(duì)簡(jiǎn)陋，規(guī)模小?？梢詮纳{(diào)、形狀上加以區(qū)分［8］。⑤礦山運(yùn)輸?shù)缆肪W(wǎng):研究區(qū)多為礦山簡(jiǎn)易公路、人行道或隨機(jī)分布的車道等。在高分辨率影像上易于識(shí)別，可以在研究區(qū)高分辨率遙感影像上直接圈出礦山道路。⑥尾礦庫(kù):影像的顏色多為灰色或灰黑色，與周圍地物顏色差異明顯，較易解譯［9］。

圖2 研究區(qū)礦業(yè)活動(dòng)解譯標(biāo)志

4．研究區(qū)年度開(kāi)采活動(dòng)圖斑變化情況

從2011—2013年度影像圖上圖斑變化情況可以看出:研究礦區(qū)2011年與開(kāi)采活動(dòng)相關(guān)的圖斑個(gè)數(shù)為10個(gè)，占地總面積為33．87 hm2;2012年度與開(kāi)采活動(dòng)有關(guān)的圖斑為12個(gè)，占地總面積為35．45 hm2，比2011年增加1．58 hm2，占地總面積較2011年增長(zhǎng)率為4．67%;2013年度與開(kāi)采活動(dòng)有關(guān)的圖斑個(gè)數(shù)為14個(gè)，圖斑總面積為37．13 hm2，比2012年增加1．68 hm2，環(huán)比增長(zhǎng)率為4．73%;3年平均環(huán)比增長(zhǎng)率為4．7%，如圖3、圖4所示。

圖3 研究區(qū)分年度礦業(yè)活動(dòng)圖斑變化情況統(tǒng)計(jì)

圖4 研究礦區(qū)分年度影像圖斑變化柱狀圖

總體比較可以看出:2011—2013年度研究區(qū)開(kāi)采活動(dòng)相關(guān)的圖斑個(gè)數(shù)小范圍增加，數(shù)量不大，圖斑的占地面積呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用遙感技術(shù)在研究區(qū)開(kāi)展礦業(yè)活動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究是行之有效的。利用處理后的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合野外實(shí)地核查，建立了研究區(qū)礦山開(kāi)采解譯標(biāo)志，并將處理后的影像數(shù)據(jù)與采礦權(quán)數(shù)據(jù)疊加，對(duì)研究區(qū)的違規(guī)開(kāi)采礦山進(jìn)行界定，圈定疑似的礦區(qū)變化圖斑。

通過(guò)使用不同時(shí)期影像數(shù)據(jù)開(kāi)展研究區(qū)礦業(yè)活動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、用時(shí)較短、反饋迅速、節(jié)約人力，能夠較好地反映研究區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動(dòng)情況及礦山環(huán)境的破壞程度等，為政府及相關(guān)的行政管理部門宏觀決策提供及時(shí)、翔實(shí)的第一手資料［10］。

［1］ 王文卿，潘振祥，段嶸峰，等．河南省遙感影像規(guī)模化高效率處理技術(shù)及數(shù)據(jù)建庫(kù)綜合研究［M］．北京:中國(guó)大地出版社，2010．

［2］ 羅銘玖，黎世美，盧欣祥，等．河南省主要礦產(chǎn)的成礦作用及礦床成礦系列［M］．北京:地質(zhì)出版社，2000．

［3］ DUPDRT B G．The Use of Multiresolution Analysis and Wavelets Transform for Merging SPOT Panchromatic and Multispectral Image Data［J］．PE＆RS，1996，62(9):1057-1066．

［4］ 梁暉，楊士道．遙感技術(shù)在薊縣北部礦山開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．地質(zhì)調(diào)查與研究，2005(3):180-185．

［5］ 尚紅英，陳建平，李成尊，等．RS在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以新疆稀有金屬礦集區(qū)為例［J］．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008(2):189-194．

［6］ 蔡冬梅，李明哲，曹繼如．礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中遙感技術(shù)應(yīng)用綜述［J］．礦山測(cè)量，2011(4):32-34．

［7］ 丁麗，朱谷昌，王娟，等．IKONOS影像在礦山環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以白銀煤礦區(qū)為例［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2010，33(8):37-41．

［9］ 楊清華，齊建偉，孫永軍．高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］．國(guó)土資源遙感，2001(4):20-27．

［10］ 侯飛，胡召玲．基于多尺度分割的煤礦區(qū)典型地物遙感信息提?。跩］．測(cè)繪通報(bào)，2012(1):23-26．

［11］ 況順達(dá)，趙震海．SPOT5在礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．地質(zhì)與勘探，2005(3):79-82．