資源一號02C衛(wèi)星影像在宜溧1∶5萬礦山開發(fā)遙感調查中的應用研究

蘇一鳴，崔艷梅，詹雅婷，陳 晨，朱葉飛

(江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018)

0 引言

礦產資源是一種十分重要的不可再生自然資源，是人類社會賴以生存和發(fā)展不可或缺的物質基礎。長期以來，由于多種原因，礦產資源的開發(fā)利用與管理都很粗放，不僅造成了礦產資源的嚴重浪費，甚至影響經濟的持續(xù)發(fā)展(楊金中等，2009)。利用先進的遙感技術，對江蘇重點礦集區(qū)礦山資源開發(fā)利用狀況、礦山地質環(huán)境等開展遙感調查與監(jiān)測，獲取客觀數據，為礦產資源管理部門提供決策依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇西南部，與安徽省、浙江省接壤。行政區(qū)劃包括常州溧陽市及無錫宜興市(圖1)。

區(qū)內地形地貌主要以低山丘陵、殘坡積平原、沖積平原為主。總體地勢有南高北低的特點，南部為丘陵山區(qū)，北部為平原區(qū)，東部為太湖瀆區(qū)，西部為低洼圩區(qū)(圖2)。區(qū)內礦產以露采方式為主，非金屬礦產有水泥用灰?guī)r、建筑石料用灰?guī)r。

2 數據處理

2.1 資源一號02C衛(wèi)星概況

資源一號02C星(以下簡稱ZY－1 02C)是我國自主研發(fā)的高分辨率遙感數據衛(wèi)星，該星于2011年12月22日成功發(fā)射，搭載有全色多光譜相機和全色高分辨率相機，可廣泛應用于國土資源調查與監(jiān)測、防災減災、農林水利、生態(tài)環(huán)境等領域。ZY－1 02C衛(wèi)星具有2個顯著特點：(1)配置的10 m分辨率P/MS多光譜相機是我國民用遙感衛(wèi)星中最高分辨率的多光譜相機;(2)配置的2臺2.36 m分辨率HR相機，數據的幅寬達到54 km，從而使數據覆蓋能力大幅增加，使重訪周期大大縮短。ZY－1 02C衛(wèi)星主要載荷指標參數見表1(中國資源衛(wèi)星應用中心，2013)。

2.2 數據源

研究區(qū)資源一號02C衛(wèi)星影像數據時相為2013年5月1日，衛(wèi)星過境時間為北京時間15：58。影像為1C級TIFF格式，即經過系統(tǒng)幾何與輻射校正后且提供RPC參數的影像，全色(HR)以及多光譜(MS)數據均攜帶完整投影信息以及RPC參數。影像無云覆蓋、清晰，質量較好(圖3)。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Map showing traffic of the study area

圖2 研究區(qū)地形地貌圖Fig.2 Topography and geomorphology of the study area

圖3 ZY－1 02C星原始數據索引圖Fig.3 Index maps of raw data for the satellite ZY-1 02C

表1 ZY-1 02C衛(wèi)星影像參數Table 1 Parameters of the ZY-1 02C stallite images

2.3 數據處理

由于衛(wèi)星自身的特點及拍攝時環(huán)境的影響，原始數據不能直接用于工作中，需對其進行必要的后處理，以滿足應用的要求。主要的處理包括灰度調整、正射糾正、匹配、融合(孫富貴等，2008)。

2.3.1 灰度調整 原始數據灰度值范圍較窄，波段組合后色彩溢出，形成偏色，不利于地物的判讀;灰度調整的目的是為了保持各單色間的平衡，使組合后的影像色彩更接近自然色(圖4)。

圖4 灰度調整前后影像效果對比Fig.4 Comparison of image results before and after the gray scale adjustment

2.3.2 正射校正 大比例尺地形圖和高精度DEM數據是進行ZY－1 02C遙感影像高精度正射校正所必需的基礎地理數據。利用1∶5萬數字地形圖及其生成的DEM數據作為ZY－1 02C遙感影像正射校正的基礎數據。ZY－1 02C遙感影像正射校正包括HR數據、PMS數據的校正。由于HR1、HR2是2個相機的入射角、成像角有一定的差別，故需要利用各自的RPC分別進行正射，得到結果后拼接成完整的全景HR影像(馬熹肇，2012)。選取ERDAS軟件對影像進行正射校正(圖5)，主要有以下5個步驟。

圖5 ZY－1 02C星數據處理流程圖Fig.5 Flow chart showing processing the ZY-1 02C satellite data

(1)參數設置。利用ERDAS軟件提供的QuickBird RPC模塊自動獲取待校正遙感影像的瞬時狀態(tài)參數(包括衛(wèi)星成像瞬間的高度、傾角、經緯度等)來恢復該影像的成像模型，根據成像模型利用DEM數據糾正投影差。

(2)HR數據拼接。HR1與HR2正射糾正后，接邊處存在偏移，需進行邊緣配準，該處理采用ERDAS軟件中自動邊緣匹配模塊對正射校正后的HR1和HR2數據進行邊緣匹配(黨安榮等，2003)，鑲嵌后無明顯地物錯位情況，效果較好(圖6)。

圖6 正射后HR1與HR2配準前后效果對比圖Fig.6 Comparison of registration effects for the orthorectified HR1 and HR2 data

(3)HR數據與PMS多光譜數據匹配。根據高分辨率圖像作為基準圖像校正低分辨率圖像的原則，利用遙感軟件的自動配準功能，以正射后的高分辨率數據為基準，對多光譜據進行校正，確保融合數據精度。

(4)HR數據與PMS多光譜數據融合。ZY－1 02C衛(wèi)星HR數據空間分辨率高，易于判讀，由于是單波段黑白圖像，無法呈現真實世界豐富的地物光譜信息，限制了其更廣泛的應用。而ZY－1 02C衛(wèi)星PMS多光譜數據具有豐富的光譜信息，其分辨率偏低，適用于宏觀判讀和分析，難以提取城市的細節(jié)信息。將二者不同空間分辨率遙感圖像進行影像融合處理，使處理后的遙感圖像既具有較好的空間分辨率又具有多光譜特征，色彩信息豐富，可信度更高，信息量更大，兩者取長補短可以最大限度地發(fā)揮衛(wèi)星數據的作用。

影像融合常采用的方法有HSV變換、主成分變換(PCA變換)、線性加權乘積變換、Brovey變換、Gram－Schmidt變換等融合方法(張薇等，2005)。采用Gram－Schmidt融合方法將2.36 m HR數據與10 m PMS數據進行融合，融合后提高了影像的解譯精度，信息量更加豐富，較好地顯示了地物的紋理信息(圖7)。

圖7 Gram－Schmidt融合前后影像效果Fig.7 Comparison of image effects before and after the Gram-Schmidt fusion

(5)真彩色合成。ZY－1 02C多光譜只有綠色、紅色、近紅外3個波段，無法獲得真彩色影像，為更易判讀地物，可以利用已有波段模擬真彩色。方法是將原來的綠波段(0.52～0.59 μm)當作藍波段(該波段靠近藍波段的光譜范圍)，紅波段(0.63～0.69 μm)仍采用原來的波段，綠波段用綠波段、近紅外波段按3∶1的加權算術平均值來代替(R：Red，G：(Green×3+Nir)/4，B：Green)(圖 8)(馬熹肇，2012)。

圖8 ZY－1 02C近紅外、紅、綠色波段合成的真彩色影像Fig.8 True-color image of ZY-1 02C data synthesized by near-infrared，red and green bands

2.4 礦山開發(fā)要素解譯標志

研究選用的ZY－1 02C星數據融合后空間分辨率為2.36 m，可以分辨出的礦山地物包括采場、排土場、礦山建筑、尾礦庫等位置、范圍、開發(fā)現狀，但對大中型礦山活動開采面的判定、小型礦山的開采狀況(是否開采)的判定效果欠佳(楊金中等，2011)。研究區(qū)礦山開發(fā)遙感調查涉及的礦山目標地物類型包括活動開采面、采場、中轉場地、礦山道路等，上述地物在處理后的ZY－1 02C星影像上均有清晰的影像特征(王曉紅等，2006)。

2.4.1 采場 露采礦山采場多沿礦脈延伸方向展布，呈負地形，邊部階梯狀剝離臺階發(fā)育，采場內無植被，人為活動與地貌破壞明顯，采場影像特征與周圍地物差異明顯(圖9)。

圖9 采場遙感解譯標志Fig.9 Indicator of remote sensing interpretation for the stope

2.4.2 中轉場地 中轉場地多靠近采場修建，選礦傳輸帶在遙感影像上成線狀分布(圖10)。

2.4.3 礦山道路 采場內礦山道路在影像上色調較亮，有明顯的線狀特征，主要用于輔助判讀活動開采面位置(圖11)。

2.4.4 磚瓦廠 磚瓦廠一般由燒磚廠、堆磚場、取土場3個部分組成，堆土場影像上紋理呈網格狀分布，由于位于平原區(qū)，占用的都是耕地，與周圍耕地色調差異較大，燒磚廠與其相連(圖12)。

圖10 中轉場地遙感解譯標志Fig.10 Indicator of remote sensing interpretation for the transit site

圖11 礦山道路遙感解譯標志Fig.11 Indicator of remote sensing interpretation for mine road

2.5 礦山要素信息提取

礦山開發(fā)遙感調查提取信息內容主要包括以下2個方面(楊金中等，2009)。

(1)開發(fā)利用狀況調查：查清礦產資源開采點或開采面的位置、開采方式(露天、地下);查明礦山開采狀態(tài)(正在開采、停產或關閉)和礦業(yè)秩序(是否無證開采、越界開采等)。

(2)礦山地質環(huán)境調查：按正在開采、廢棄礦山，查明礦山開發(fā)區(qū)的采場、礦山建筑物、中轉場地(煤堆、礦石堆、洗煤廠、選礦廠、選礦池等)、固體廢棄物(排土(石)場、尾礦庫、煤矸石堆等)分布和占地情況。

圖12 磚瓦廠遙感解譯標志Fig.12 Indicator of remote sensing interpretation for brick and tile factory

2.6 應用結果

2.6.1 礦山開發(fā)狀況在礦山遙感解譯標志的基礎上，共圈定礦山類型圖斑115個，其中采場圖斑67個，中轉場地圖斑26個;實地調查發(fā)現活動開采面22個，其中疑似違法開采圖斑7處，涉及礦種為水泥用灰?guī)r、磚瓦用黏土和制灰用灰?guī)r，違法類型為疑似越界和疑似無證(圖13)。

圖13 宜溧工作區(qū)礦山開發(fā)疑似違法開采圖斑統(tǒng)計圖Fig.13 Statistics of suspected illegal mine development in the Yixing-Liyang work area

2.6.2 礦山地質環(huán)境 工作區(qū)礦山開發(fā)占地總面積1 278.6 hm2(表2)。其中合法開采占地1 224.07 hm2，違法開采占地54.53 hm2。按礦山類型分，采場占地1 067.29 hm2，占比83%;中轉場地占地211.31 hm2，占比17%。按礦種類型分，建筑石料用灰?guī)r礦占地最多，為380.64 hm2;方解石礦占地最少，為5.91 hm2。

表2 宜溧工作區(qū)礦山開發(fā)占地統(tǒng)計表Table 2 Statistics of mine development areas in the Yixing-Liyang work area

3 結論

(1)ZY－1 02C具有自身的優(yōu)勢和特點，其覆蓋范圍廣、成像周期短，大大提高了時效性。從影像質量上分析，ZY－1 02C數據空間分辨率高，對地物的紋理信息顯示明顯，影像上各類遙感標志清晰，能夠識別各類礦山開發(fā)占地類型。

(2)采用的Gram－Schmidt融合方法效果最好，較好地顯示了地物的紋理信息。

(3)礦山類型影像特征明顯，易于遙感判讀，在宜溧露采非金屬礦區(qū)應用效果較好，可以應用于露采礦山集中地區(qū)1∶5萬精度的礦山開發(fā)遙感調查工作中。

(4)比較國外同等分辨率的SPOT衛(wèi)星數據，國產ZY－1 02C數據價格低廉，在礦山遙感監(jiān)測中更是免費使用，大大降低了監(jiān)測成本，體現了較好的社會經濟效益。

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