基于資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)的粵北礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)*

黃鐵蘭，王耿明，張金蘭

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510510;2.廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東廣州 510080)

0 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，離不開(kāi)礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，然而礦產(chǎn)資源的開(kāi)采在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也引起了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，包括土地資源破壞、礦山地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染等［1］。以往礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查以地面調(diào)查和野外采樣為主，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，效率較低。近年來(lái)，遙感技術(shù)的快速發(fā)展，為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了更為有效的手段，其在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［4－5］。

資源一號(hào)02C衛(wèi)星是中國(guó)首顆高分辨率寬覆蓋的民用遙感衛(wèi)星，搭載有全色多光譜(P/MS)相機(jī)和高分辨率全色(HR)相機(jī)，能獲取2.36 m、5 m的全色影像和10 m的多光譜影像［6］。該衛(wèi)星分辨率較高、覆蓋范圍廣、重訪周期短，可以廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等國(guó)家重大工程領(lǐng)域［7－9］。

本文以資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源，在粵北地區(qū)開(kāi)展礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，并對(duì)應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于粵北地區(qū)，北靠湖南，覆蓋韶關(guān)市的樂(lè)昌市、仁化縣、南雄市等 8個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，范圍為東經(jīng) 113°13'～114°10'、北緯 24°43'～ 25°31'，面積約為6 000 km2。該研究區(qū)是廣東省礦產(chǎn)資源分布集中、礦山開(kāi)發(fā)程度較高和礦山環(huán)境問(wèn)題較為突出的區(qū)域，分布有仁化凡口鉛鋅礦、曲江瑤嶺鎢礦、始興石人嶂鎢礦等大型礦山，開(kāi)采礦種以鐵礦、鎢礦、鉛鋅礦為主。研究區(qū)地理位置，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)源

收集到研究區(qū)資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)6景，數(shù)據(jù)拍攝時(shí)間為2012年10月和11月。數(shù)據(jù)包括5 m/10 m分辨率的P/MS全色/多光譜數(shù)據(jù)和2.36 m分辨率的HR高分辨率數(shù)據(jù)，多光譜數(shù)據(jù)有綠、紅、近紅外3個(gè)波段。數(shù)據(jù)整體含云量小于10%，而且沒(méi)有覆蓋重要礦山地物，紋理較為清晰。圖2為02C多光譜、全色、HR全色數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

2 技術(shù)流程

本研究采用的技術(shù)方法為:在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外踏勘建立解譯標(biāo)志，然后通過(guò)人機(jī)交互解譯的方法進(jìn)行室內(nèi)解譯，再進(jìn)行野外調(diào)查與驗(yàn)證，修改完善解譯成果，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和成果輸出。技術(shù)流程，如圖3所示。

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括多光譜和全色數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、多光譜和HR全色數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、多光譜和全色數(shù)據(jù)融合、多光譜和HR全色數(shù)據(jù)融合、融合數(shù)據(jù)的反差增強(qiáng)、融合數(shù)據(jù)的幾何精校正、數(shù)據(jù)裁剪等過(guò)程。

3.1.1 多光譜與全色數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

采用二次多項(xiàng)式校正方法，選擇10個(gè)控制點(diǎn)，均勻覆蓋整景影像，控制點(diǎn)整體誤差控制在一個(gè)像元內(nèi)。配準(zhǔn)效果，如圖4所示。

3.1.2 多光譜與全色數(shù)據(jù)融合

影像融合的方法有很多種，包括HIS、PCA、Brovey等。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和對(duì)比，最終選擇HIS方法作為ZY1－02C數(shù)據(jù)融合方法。融合后彩色合成數(shù)據(jù)色彩豐富、反差適中、紋理清晰。融合效果，如圖5所示。

圖2 02C衛(wèi)星多光譜、全色、HR全色數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison among multi-spectral，panchromatic and HR panchromatic images for ZY1 －02C

圖3 技術(shù)流程Fig.3 Technical routes

圖4 ZY1－02C多光譜與全色數(shù)據(jù)配準(zhǔn)Fig.4 Registration between multi-spectral image and panchromatic image for ZY1－02C

圖5 ZY1－02C多光譜與全色數(shù)據(jù)融合Fig.5 Fusion between multi-spectral image and panchromatic image for ZY1－02C

3.1.3 幾何精校正幾何精校正。采用三次多項(xiàng)式校正方法，每景控制點(diǎn)數(shù)量為20個(gè)，均勻覆蓋全景影像，山區(qū)的控制點(diǎn)相對(duì)較多，控制點(diǎn)整體誤差小于1個(gè)像元。

3.2 信息提取

根據(jù)以往礦山遙感監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合野外踏勘情況，建立各類(lèi)礦山地物的解譯標(biāo)志，然后進(jìn)行信息提取。

信息提取的主要內(nèi)容包括:土地資源占用、礦山地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染、礦山環(huán)境恢復(fù)治理情況等。礦山占地情況主要包括采場(chǎng)、礦山建筑物、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地(礦石堆、選礦場(chǎng)、選礦池等)、固體廢棄物(排土場(chǎng)、廢石堆、尾礦庫(kù)等)占地情況;礦山地質(zhì)災(zāi)害包括崩塌、滑坡、泥石流等、水土流失等;環(huán)境污染包括水體污染、土壤污染等。

主要地質(zhì)災(zāi)害的影像解譯標(biāo)志，如圖6所示。

3.3 野外驗(yàn)證

針對(duì)室內(nèi)解譯結(jié)果，選擇部分有疑問(wèn)的圖斑，開(kāi)展野外調(diào)查驗(yàn)證。主要驗(yàn)證解譯的準(zhǔn)確性，拍攝相關(guān)照片，并采集GPS點(diǎn)位。然后根據(jù)野外調(diào)查情況對(duì)室內(nèi)解譯結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)解譯和修改。

部分礦山的環(huán)境污染和礦山恢復(fù)治理情況的野外驗(yàn)證情況，如圖7、圖8所示。

圖6 主要地質(zhì)災(zāi)害解譯標(biāo)志Fig.6 Interpret symbols of major geological disaster

圖7 鉛鋅礦土壤污染Fig.7 Soil pollution of lead zinc ore

圖8 稀土礦植被恢復(fù)治理Fig.8 Vegetation recovery of rare earth ore

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 土地資源占用情況

遙感調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)開(kāi)采礦種15種，其中能源礦1種，金屬礦4種，非金屬礦10種。該區(qū)礦山活動(dòng)占用大量的土地資源，總計(jì)463.02 hm2。按礦山活動(dòng)類(lèi)型統(tǒng)計(jì)，固體廢棄物占地最多，其次是中轉(zhuǎn)場(chǎng)地和采場(chǎng)，礦山建筑最少。按礦種統(tǒng)計(jì)，非金屬礦占地最多，其次是金屬礦和能源礦。具體情況，如圖9所示。

圖9 研究區(qū)礦山活動(dòng)占地情況統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of occuping land condition of mining in study area

4.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害(隱患)情況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)各類(lèi)礦山地質(zhì)災(zāi)害10處，其中崩塌8處，滑坡1處，泥石流1處，另外大部分非金屬礦山都存在較為嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，尤其是稀土礦和陶瓷土礦。

4.3 環(huán)境污染情況

研究區(qū)內(nèi)金屬礦山較多，采礦廢渣、廢水等對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，主要污染類(lèi)型是水體污染、土壤污染等。調(diào)查發(fā)現(xiàn)水體污染12處，土壤污染8處。

4.4 環(huán)境治理恢復(fù)情況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)的主要礦山凡口鉛鋅礦、瑤嶺鎢礦和石人嶂鎢礦等都進(jìn)行了一定程度的環(huán)境治理恢復(fù)，包括尾礦庫(kù)整治、地質(zhì)災(zāi)害治理等。部分稀土礦和陶瓷土礦也進(jìn)行了復(fù)墾綠化，主要治理方式為植樹(shù)和種草，但治理的整體效果不夠理想，水土流失依然較為嚴(yán)重，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患仍然存在，需要探討更加有效的治理方式，并進(jìn)一步加大治理力度。

5 結(jié)論

通過(guò)將資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)應(yīng)用到粵北地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，利用02C數(shù)據(jù)能較好的提取各類(lèi)礦山地質(zhì)環(huán)境信息，包括各類(lèi)礦業(yè)活動(dòng)占地情況，主要地質(zhì)災(zāi)害，環(huán)境污染、礦山環(huán)境恢復(fù)治理情況等。但也存在如下問(wèn)題:

1)02C數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題。多光譜、全色、HR數(shù)據(jù)間存在明顯的錯(cuò)位現(xiàn)象;數(shù)據(jù)局部存在條紋噪聲，HR數(shù)據(jù)拼接痕跡明顯;原始數(shù)據(jù)灰度值偏低，分布較為集中，對(duì)比度不強(qiáng)。

2)識(shí)別較小的礦山地質(zhì)環(huán)境要素較為困難。雖然02C數(shù)據(jù)融合后可以達(dá)到2.36 m的分辨率，但對(duì)于面積較小的崩塌、滑坡等礦山地質(zhì)災(zāi)害提取較為困難。

要解決以上問(wèn)題，一方面要加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究，提高圖像質(zhì)量;另一方面要與其他類(lèi)型數(shù)據(jù)源結(jié)合使用，并適當(dāng)加大野外調(diào)查力度。

［1］武軍.礦山環(huán)境問(wèn)題與對(duì)策［J］.云南環(huán)境科學(xué)，2001(S1):36－38.

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