“高分二號”衛(wèi)星在西藏礦山遙感監(jiān)測中的應(yīng)用研究

路云閣 樊雙亮 李春霖

（1 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

（2 中國地質(zhì)大學(xué)北京地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083）

0 引言

目前，全國礦業(yè)開發(fā)形勢嚴峻，違法違規(guī)開采現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，急需利用遙感技術(shù)開展礦山遙感監(jiān)測工作[1]。李琴曾以馬鞍山礦區(qū)為研究區(qū)域，采用Geoeye-1衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進行礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測應(yīng)用研究。2006年開始，國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局啟動了我國“礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標遙感調(diào)查與監(jiān)測”項目，把全國163個重點礦區(qū)都納入遙感監(jiān)測當(dāng)中，做到“一年一張圖”、“以圖管礦”。通過礦山的遙感監(jiān)測，取得了大量客觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序整頓、礦山環(huán)境恢復(fù)治理、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況監(jiān)管提供了強有力的支撐。

西藏全自治區(qū)的礦山遙感監(jiān)測工作主要包括全區(qū)的礦產(chǎn)衛(wèi)片遙感解譯及重點區(qū)礦山開發(fā)遙感監(jiān)測兩項工作。其中，全區(qū)的礦產(chǎn)衛(wèi)片遙感解譯為1∶5萬尺度，2012年之前以5m分辨率的RapidEye國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主；2012年之后2.5m分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)漸成主流，但全色數(shù)據(jù)占比較大。重點區(qū)礦山開發(fā)遙感監(jiān)測分為1∶5萬和1∶1萬兩個尺度，2012年之后1∶5萬尺度全部采用2.5m左右分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如ZY-1 02C、ZY-3、GF-1等；1∶1萬尺度全部為優(yōu)于1m分辨率的國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。秦緒文、楊金中曾就礦山遙感監(jiān)測工作的進展與展望進行全面總結(jié)與論述。

2014年8月19日，“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，其星下點像元分辨率為：全色0.8m/多光譜3.2m，幅寬45km。多光譜譜段4個：藍光0.45～0.52μm，綠光0.52～0.59μm，紅光0.63～0.69μm，近紅外0.77～0.89μm。對于礦山遙感監(jiān)測而言，優(yōu)于1m分辨率的GF-2衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，其意義在于徹底打破了國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對于 1∶1萬尺度的礦山遙感監(jiān)測工作壟斷數(shù)據(jù)源的地位，節(jié)約大量的數(shù)據(jù)采購費用，節(jié)省大量的野外驗證工作，更有利于熱點地區(qū)的年度多期動態(tài)監(jiān)測，為國土資源管理提供強有力支持[2]。

1 GF-2衛(wèi)星影像處理及解譯標志

1.1 數(shù)據(jù)源的獲取

本次接收的覆蓋墨竹工卡重點礦集區(qū)GF-2衛(wèi)星影像為測試數(shù)據(jù)，共6塊，每塊幅寬為23km×23km，時相為2014年10月16日和2014年10月31日，級別為1A級，即影像僅經(jīng)過了輻射校正。該影像在研究區(qū)內(nèi)無云覆蓋、無云影，影像清晰，質(zhì)量良好。墨竹工卡重點礦集區(qū)位于西藏自治區(qū)中部，墨竹工卡縣內(nèi)，位于拉薩河中上游，平均海拔 4 000m 以上，地理范圍介于東經(jīng) 91°39′～91°48′，北緯 29°41′～29°46′之間，東與工布江達縣毗鄰，西與林周縣、達孜縣交接，南與乃東縣、桑日縣接壤，北與嘉黎縣相鄰，面積約113.4km2[3]。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，主要以銅礦為主，還有少數(shù)的石灰?guī)r。礦山企業(yè)有1家，開采方式同時包括露天開采與地下開采，尾礦資源豐富[4]。圖1為本次GF-2衛(wèi)星影像的范圍。圖1中紅色區(qū)域為本次6塊GF-2衛(wèi)星影像測試數(shù)據(jù)覆蓋范圍分布示意圖，紅色區(qū)域內(nèi)六位編號為每塊GF-2衛(wèi)星影像測試數(shù)據(jù)相應(yīng)的景序列號，見表1。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本次 GF-2衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)處理經(jīng)過了正射校正、融合、裁剪、鑲嵌、幾何校正共五個部分，具體的流程如圖2所示。

西藏地區(qū)地形起伏大，又缺乏1∶1萬尺度的控制數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理階段，技術(shù)難點首先是缺少高精度數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）進行正射校正，其次在山區(qū)控制點的選擇非常困難[5]，其結(jié)果就是影像的幾何精校正精度難以保證，分景糾正后影像鑲嵌時重疊區(qū)因同名像點誤差大而無法接邊，最終結(jié)果是處理后的遙感影像圖精度無法滿足1∶1萬尺度礦山遙感監(jiān)測技術(shù)要求[6]。為此，項目組采用區(qū)域網(wǎng)平差的辦法進行工作區(qū)6塊衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)一次整體正射糾正，基于先進星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型（advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model，ASTERGDEM）連接點自動生成，融合后影像重疊區(qū)同名像點位置誤差小于1個像元，徹底解決影像鑲嵌問題[7]。影像精校正階段只需從 1∶5萬地形圖上選擇 5個控制點，即可實現(xiàn)到西安80坐標系的幾何精校正過程（一次多項式）。通過與之前委托國家測繪局衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心糾正的墨竹工卡重點區(qū)WorldView-2遙感影像進行對比（隨機生成30個點），最終校正的均方根誤差為1.98m，滿足礦山遙感監(jiān)測技術(shù)要求并大幅節(jié)省選擇控制點的工作量[8]。

圖1 工作區(qū)GF-2影像范圍Fig.1 GF-2 image range in workspace

表1 GF-2衛(wèi)星景序列號、產(chǎn)品號及遙感傳感器列表（多光譜+全色）Tab.1 List of scene ID、product ID and sensor ID of GF-2 satellite image（MUL+PAN）

1.3 信息提取

礦山遙感監(jiān)測信息提取內(nèi)容包括礦山開發(fā)狀況、礦山占地狀況及礦山環(huán)境恢復(fù)治理狀況等。其中礦山開發(fā)狀況涉及開采點和開采面；礦山占地狀況涉及采場、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物、礦山建筑等的占地情況，包括壓占、毀損的土地類型及面積；礦山環(huán)境恢復(fù)治理狀況涉及環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害等，調(diào)查工作區(qū)內(nèi)礦山環(huán)境恢復(fù)治理面積及完成情況，已采取的防治措施和治理效果等信息[9]。

圖2 GF-2影像數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Flow chart of data processing of GF-2 imagery data

1.3.1 遙感解譯標志

特征明顯的遙感解譯標志的建立是快速、準確地提取礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況、礦山環(huán)境遙感信息的重要前提和關(guān)鍵[10]。GF-2衛(wèi)星影像與之前的國產(chǎn)衛(wèi)星相比，其優(yōu)于1m的分辨率使得展現(xiàn)出的地物細節(jié)更加清晰，遙感解譯標志與2.5m左右分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星明顯不同。項目組針對GF-2衛(wèi)星影像建立了墨竹工卡區(qū)礦山遙感監(jiān)測解譯標志，如附件1所示。

1.3.2 與國內(nèi)外衛(wèi)星影像信息提取對比

利用GF-2衛(wèi)星影像進行信息提取過程中，與2.5m左右分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如GF-1、ZY-3、YG-2等，以及優(yōu)于1m分辨率的國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如IKONOS、WorldView-2等進行了對比研究。GF-2衛(wèi)星影像的特點如下：

1）與2.5m分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星相比。

YG-2衛(wèi)星影像為2.5m分辨率的全色數(shù)據(jù)。通過對同一非法開采硐口的對比展示（如圖3），GF-2衛(wèi)星影像清楚表明了硐采的開采事實，而右側(cè)的 YG-2影像則無法確定，只能初步判斷為礦山占地，需要進行現(xiàn)場野外驗證才能最終確定。

ZY-3衛(wèi)星影像為2.5m分辨率的真彩色數(shù)據(jù)。我們選擇在礦山的一處采場進行對比展示（如圖4），在GF-2衛(wèi)星影像上，采場道路和車輛清晰可辨；在ZY-3影像上，采場車輛辨識度低，容易誤判為中轉(zhuǎn)場地等其它地物[11]。

綜上所述，與以往的ZY-3、YG-2等優(yōu)于5m分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星影像相比，GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)首次達到優(yōu)于1m的分辨率，地物輪廓更加清晰，開采硐口及采場等地物的特征相比以往的國產(chǎn)衛(wèi)星影像更加突出，避免了誤判的現(xiàn)象，直接提高了硐口及采場解譯的效率和準確度，突破了1∶5萬尺度下礦山遙感監(jiān)測的限制，實現(xiàn)了1∶1萬尺度的礦山遙感監(jiān)測[12]。

圖3 GF-2影像與YG-2影像的硐口對比Fig.3 Contrast figure of entrance to a cave on GF-2 image and YG-2 image

圖4 GF-2影像與ZY-3影像的開采面對比（GF-2時相：2014年10月16日；ZY-3時相：2013年12月23日）Fig.4 Contrast figure of mining face between GF-2 image and ZY-3 image

2）與國外商業(yè)衛(wèi)星對比。

IKONOS衛(wèi)星影像為0.8m分辨率的真彩色數(shù)據(jù)。選擇礦山一處中轉(zhuǎn)場地進行對比展示（如圖5），在GF-2影像上，中轉(zhuǎn)場地色調(diào)自然，對比度強，道路和運輸車輛清晰可辨；在IKONOS影像上，車輛的辨識度要差于GF-2影像[13]。

WorldView-2影像為0.5m分辨率的真彩色數(shù)據(jù)。此處以一處水體污染及其處理設(shè)施進行對比（如圖6），WorldView-2和GF-2影像上該污染水體及處理設(shè)施輪廓都很清晰，但對于處理設(shè)施局部紋理特征的表現(xiàn)上，GF-2衛(wèi)星影像要略差于WorldView-2影像[14]。

綜上所述，GF-2衛(wèi)星影像較 IKONOS影像清晰，地物特征更加明顯，但細節(jié)上不如 WorldView-2影像?？傮w而言，GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)打破了以往1∶1萬尺度下礦山遙感監(jiān)測被國外商業(yè)衛(wèi)星壟斷的局面，基本可以達到1∶1萬礦山遙感監(jiān)測的需求，細節(jié)上的不足不影響礦山的遙感解譯工作。

圖5 GF-2衛(wèi)星影像與IKONOS影像的中轉(zhuǎn)場地對比Fig.5 Contrast figure of transit site between GF-2 image and IKONOSimage

圖6 GF-2衛(wèi)星影像與WorldView-2影像的水體污染對比Fig.6 Contrast figure of water pollution between GF-2 image and WorldView-2 image

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 礦山開發(fā)狀況

本次遙感調(diào)查顯示，墨竹工卡重點礦集區(qū)共有2處開采硐口及5處開采面，其中2處開采硐口均為無證開采，5處開采面中只有1處為合法開采，4處為無證開采，違法開采超過50%。

開采硐口集中在驅(qū)龍—甲瑪?shù)V區(qū)內(nèi)，均為地下開采銅礦形成，而開采面主要分布在兩個礦權(quán)集中區(qū)，區(qū)域內(nèi)有合法開采的開采面，但是也有部分開采面超出礦權(quán)范圍。無證開采的采場有一定的規(guī)模，可見這種現(xiàn)象已持續(xù)了一段時間。另外私自采挖的大多為村民所為，隨意性較大，這些違法開采對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和山體有非常大的影響，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)督管理。

2.2 礦山占地狀況

墨竹工卡礦區(qū)共有開發(fā)占地139處，其中有5處采場，46處中轉(zhuǎn)場地，14處固體廢棄物，74處礦山建筑。表2為墨竹工卡礦區(qū)不同類型的開發(fā)占地的數(shù)量與面積統(tǒng)計表。圖7為四類開發(fā)占地的合法與違法的面積分布圖，藍色柱形圖代表合法面積，黃色柱形圖代表非法面積。

表2 墨竹工卡礦區(qū)礦山開發(fā)占地統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of mine covers in Mozhugongka mining area

圖7 四類開發(fā)占地合法與違法的面積分布Fig.7 Distribution of four types of legal and illegal mine covers

礦山開發(fā)占地總面積457.07hm2，采場占地占13.54%，中轉(zhuǎn)場地占44.34%，固體廢棄物占17.02%，礦山建筑占25.10%。這些礦山開發(fā)占地，多數(shù)分布在礦權(quán)外，屬于違法的礦山開發(fā)占地。其中礦山建筑多集中分布在礦區(qū)的東南角和西南角，以壓占和毀損的形式侵占和破壞著礦區(qū)的土地[15]。

2.3 礦山環(huán)境監(jiān)測狀況

利用GF-2影像，我們在墨竹工卡礦區(qū)提取到了兩處水體污染，總面積為2.05hm2；一處滑坡及兩處滑坡隱患，總面積為208.83hm2。

首先，正在開采的銅礦及開采設(shè)施，非法建筑石料等相關(guān)地物(采場、尾礦庫、礦山建筑等)以及廢棄礦山的占地，對環(huán)境的影響和恢復(fù)治理都有重要影響。此外，礦山開發(fā)造成各類土地的占用及露天采場和尾礦庫等地物造成土地損毀問題。

其次，露天開采形成的高陡邊坡通常存在諸多不穩(wěn)定因素，在強降雨、凍融或較強震動下易造成邊坡巖體產(chǎn)生崩塌、滑坡等重力地質(zhì)災(zāi)害，對當(dāng)?shù)鼐用竦娜松碡敭a(chǎn)安全構(gòu)成了一定威脅[16]。

最后，本次監(jiān)測新發(fā)現(xiàn)幾處水體污染，大都位于驅(qū)龍–甲瑪?shù)V集區(qū)內(nèi)，該區(qū)銅礦采礦權(quán)和探礦權(quán)分布較為集中，有關(guān)部門應(yīng)加強監(jiān)督管理，避免水體污染影像到當(dāng)?shù)鼐用竦慕】蹬c生活。

3 結(jié)束語

1）與YG-2、ZY-3等國產(chǎn)衛(wèi)星相比，GF-2衛(wèi)星具有更高的圖像分辨率，所有多光譜波段地面像元分辨率均為0.81m，地物的輪廓、紋理都更加清晰，可避免使用YG-2、ZY-3等衛(wèi)星影像時造成的地物的誤判現(xiàn)象；與IKONOS、WorldView-2影像等同為優(yōu)于1m數(shù)據(jù)源的國外商業(yè)衛(wèi)星相比，GF-2衛(wèi)星比IKONOS影像清晰，解譯準確度高，雖然地物細節(jié)不如WorldView-2影像，但不影響礦山解譯，總體上基本可滿足1∶1萬的礦山遙感監(jiān)測需求。

2）本次遙感調(diào)查顯示，墨竹工卡重點礦集區(qū)內(nèi)開發(fā)秩序存在一定問題，有無證開采及私自采挖的現(xiàn)象，這些違法開采對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和山體有非常大的影響。除此之外，本次礦山遙感監(jiān)測工作還新發(fā)現(xiàn)有水體污染現(xiàn)象，可能威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦慕】怠?/p>

3）文章結(jié)果表明：GF-2影像能夠滿足1∶1萬尺度下礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測工作，它可以準確、客觀、實時地監(jiān)測礦山開發(fā)狀況、占地狀況及環(huán)境恢復(fù)治理狀況，能夠為相關(guān)的礦政監(jiān)管部門提供科學(xué)的執(zhí)法依據(jù)。

附件1 GF-2衛(wèi)星影像典型遙感解譯標志

序號 地物類型 直接解譯標志 遙感影像6 尾礦庫 邊界形狀類似一般的水庫，色調(diào)與周圍差異較大。7 中轉(zhuǎn)場地 形狀上通常呈規(guī)則近長方形或正方形，周圍有圍墻為界。8 水體污染 水體顏色發(fā)綠或發(fā)黃。9 滑坡 形態(tài)標志為扇形輪廓，滑坡體色澤為淺色調(diào)。10 隧道口 長長的隧道明顯清晰，隧道開始的地方即為隧道口。

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