“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星高分影像在礦山開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

汪潔　荊青青　姚維嶺　李麗　王海慶

“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星高分影像在礦山開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

汪潔荊青青姚維嶺李麗王海慶

長(zhǎng)期以來(lái)，在我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中，使用的高分辨率遙感數(shù)據(jù)多為IKONOS、SPOT-5、QuickBird、GeoEye等國(guó)外遙感數(shù)據(jù)源。隨著我國(guó)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的迅速崛起，以國(guó)產(chǎn)遙感影像為基底數(shù)據(jù)，生產(chǎn)各種融合影像產(chǎn)品專題等，以滿足各行業(yè)應(yīng)用需求已成為必然趨勢(shì)。遙感影像處理軟件的日趨成熟和穩(wěn)定加快推進(jìn)了遙感影像在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。以江西省豐城-撫州煤鐵礦區(qū)為例，從影像糾正、合成及解譯和標(biāo)志建立等方面，探討02C衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在1∶5萬(wàn)礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用，豐富1∶5萬(wàn)礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作的遙感數(shù)據(jù)源類型，為礦山動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)提供省時(shí)有效實(shí)用的科學(xué)方法和技術(shù)支撐，使監(jiān)測(cè)成果更具真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星介紹

2011年12月22日，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，我國(guó)用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭成功地將“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星送上太空，填補(bǔ)了中國(guó)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的空白。衛(wèi)星重約2100 kg，設(shè)計(jì)壽命3年，搭載了兩臺(tái)2.36 m高分辨率相機(jī)和1臺(tái)5 ～10 m全色多光譜相機(jī)，幅寬分別達(dá)到54 km和60 km，能夠獲取全色和多光譜圖像數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。02C衛(wèi)星軌道參數(shù)見(jiàn)表1，有效載荷指標(biāo)見(jiàn)表2。

汪潔，工程師，2009年獲中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）碩士學(xué)位，此后在中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心從事礦產(chǎn)資源遙感調(diào)查及應(yīng)用研究工作，熟悉礦產(chǎn)資源遙感調(diào)查的工作流程與技術(shù)方法，具有較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和較多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。先后負(fù)責(zé)或參與了“環(huán)渤海多金屬礦區(qū)遙感地質(zhì)綜合調(diào)查”“全國(guó)礦產(chǎn)衛(wèi)片執(zhí)法遙感工作”“新疆準(zhǔn)東地區(qū)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)秩序應(yīng)急調(diào)查”“江西省重點(diǎn)礦集區(qū)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)調(diào)查與監(jiān)測(cè)”“華東地區(qū)礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)”等項(xiàng)目近10項(xiàng)，發(fā)表論文多篇。

表1　02C衛(wèi)星軌道參數(shù)

表2　ZY1 02C衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)

研究區(qū)概況

豐城-撫州煤鐵礦區(qū)位于江西省中部，屬于泛鄱陽(yáng)湖和撫河沖擊平原區(qū)。礦區(qū)內(nèi)東、南、西三面環(huán)山，中部丘陵與河谷盆地相間。地勢(shì)南高北低，漸次向鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)傾斜。地貌以丘陵為主，山地、崗地和河谷平原次之。行政區(qū)劃涉及豐城市、臨川區(qū)、南城縣、宜黃縣、崇仁縣、新干縣、永豐縣、樂(lè)安縣和吉水縣，面積11338 km2。區(qū)內(nèi)資源富饒，地下蘊(yùn)藏煤、鎢、硒、花崗巖、石灰石和陶土等30多種礦產(chǎn)資源，其中煤、硒、鎢最為豐富。煤礦、鐵礦成為本工作區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)礦種。建筑石材類礦山開(kāi)采方式均為露天開(kāi)采，能源礦產(chǎn)均為地下開(kāi)采。礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的科學(xué)開(kāi)發(fā)利用，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

遙感數(shù)據(jù)處理

用于本次研究的衛(wèi)星遙感影像時(shí)相為2013年7月12日。工作區(qū)數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較好，局部區(qū)域有云層，但未覆蓋礦區(qū)，不影響解譯工作，滿足本次調(diào)查需求。為滿足礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)對(duì)遙感影像幾何精度要求高的需求，通過(guò)ENVI對(duì)02C衛(wèi)星影像進(jìn)行正射校正和影像融合處理，ArcGIS對(duì)影像進(jìn)行幾何校正處理，處理結(jié)果符合工作要求。

正射校正

衛(wèi)星影像高精度正射校正工作，依賴于大比例尺地形圖和高精度DEM基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。本次采用了大比例尺（1∶5萬(wàn)）數(shù)字地形圖以及衍生的DEM數(shù)據(jù)，影像正射校正采用ENVI軟件，對(duì)2.36 m全色高分辨率數(shù)據(jù)和10 m多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正。通過(guò)采用該影像范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)影像同時(shí)進(jìn)行傾斜改正和投影差改正，從而獲得正射影像。在進(jìn)行2.36 m全色高分辨率數(shù)據(jù)正射前，需先消除空間變換參數(shù)的影響。正射校正后的影像同時(shí)具有地形圖特性和影像特性，信息清晰、內(nèi)容豐富，可作為GIS的數(shù)據(jù)源。圖1為豐城-撫州煤鐵礦區(qū)（局部）2.36 m全色高分辨率數(shù)據(jù)（HRC-高分辨率遙感數(shù)據(jù)）和10 m多光譜數(shù)據(jù)（MUX-多光譜數(shù)據(jù)）完成正射后的影像。

圖1　02C衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)正射后影像

數(shù)據(jù)融合

“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星HRC影像地物邊界較清晰，建筑物紋理信息和層次較豐富。而MUX多光譜影像的地物邊界模糊，紋理較不清晰，但光譜信息較豐富。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將不同空間分辨率的全色與多光譜數(shù)據(jù)融合，從而使得影像既具有全色的高分辨率信息又保留多光譜豐富的光譜信息，融合后影像的空間分辨率有很大的提升，融合后的影像可以較好地顯示地物的紋理信息，能夠突出顯示細(xì)節(jié)。對(duì)比全色影像，彩色模式下的影像效果更有利于地物的判讀和識(shí)別，有利于建立解譯標(biāo)志，減少判讀的不確定性。在遙感數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，使用主成分分析方法，完成全色與多光譜數(shù)據(jù)的信息疊加。圖2為豐城-撫州煤鐵礦區(qū)（部分）2.36 m全色高分辨率數(shù)據(jù)和10 m多光譜數(shù)據(jù)融合后的影像。

圖2　融合后的影像

幾何校正

以1∶1萬(wàn)精度的“2012年土地衛(wèi)片執(zhí)法調(diào)查成果數(shù)據(jù)”為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，隨機(jī)且均勻選取32個(gè)控制點(diǎn)，將融合后的02C影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精度糾正處理，采用二次多項(xiàng)式、雙線性內(nèi)插的方法，點(diǎn)位中平均誤差為2.72，糾正后影像數(shù)據(jù)滿足監(jiān)測(cè)精度要求，接邊情況良好，可滿足1∶5萬(wàn)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作的要求。

遙感解譯與監(jiān)測(cè)結(jié)果

遙感解譯

在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中，遙感解譯主要包括影像變化信息的發(fā)現(xiàn)和變化信息提取工作。進(jìn)行遙感影像圖像解譯，要從礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)狀況、礦山開(kāi)發(fā)環(huán)境和礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況三方面著手，建立多類型、特征顯著、能準(zhǔn)確反映礦山地物現(xiàn)狀的解譯標(biāo)志庫(kù)，開(kāi)展遙感信息解譯工作。

通過(guò)對(duì)本監(jiān)測(cè)區(qū)現(xiàn)狀和礦產(chǎn)資源分布的分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)要求，確定本監(jiān)測(cè)區(qū)要監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)有：地下開(kāi)采煤礦的開(kāi)采硐口與堆煤場(chǎng)；露天開(kāi)采(包括露天開(kāi)采鐵礦、石灰?guī)r、建筑石料用灰?guī)r)的開(kāi)采面、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)等；其他有停止開(kāi)采的煤礦、地質(zhì)災(zāi)害(地面沉降)等。其中主要目標(biāo)物的影像特征如下：

煤礦開(kāi)采硐口：影像圖上較難發(fā)現(xiàn)硐口位置，由于硐口較小且極為隱蔽，對(duì)采場(chǎng)硐口位置監(jiān)測(cè)有一定的難度。但煤矸石堆、堆煤場(chǎng)的影像特征比較明顯，可以據(jù)此來(lái)判別地下開(kāi)采煤礦所在區(qū)域。山區(qū)表現(xiàn)為顏色呈黑色，且沿溝谷線狀延伸，丘陵和平原地區(qū)則呈現(xiàn)為黑色點(diǎn)狀或塊狀。

圖3　02C衛(wèi)星影像典型遙感解譯標(biāo)志

鐵礦露天開(kāi)采面：色調(diào)為藍(lán)黑色，中部顏色深周邊淺，坑沿邊坡呈現(xiàn)階梯狀，紋理明顯，一般開(kāi)采面積較大。大型的鐵礦以大規(guī)模的礦石堆為特征，在開(kāi)采鐵礦旁邊，一般會(huì)有尾礦庫(kù)及礦山建筑或設(shè)施。

灰?guī)r露天開(kāi)采面：指開(kāi)采用于燒制水泥的灰?guī)r礦區(qū)，色調(diào)為亮白色，形狀為不規(guī)則的云狀，在遙感影像圖上與周邊地區(qū)的色調(diào)、紋理差異顯著，一般低于周圍地形，礦區(qū)道路呈清晰亮白色。

尾礦庫(kù)：為金屬礦山的地物標(biāo)志，金屬礦山進(jìn)行礦石篩選后用于排放尾礦的場(chǎng)所。影像上呈深紫色，色調(diào)及飽和度均較低，尾礦庫(kù)污水多呈亮藍(lán)色，下方存在倒三角狀的壩體，表面有稀疏的植被生長(zhǎng)，幾何形狀不規(guī)則。

磚廠：有燒磚窯的高煙囪、取土坑，堆磚坯的場(chǎng)地，通常比較容易圈定。

關(guān)閉的石材采場(chǎng)：整體呈暗色塊，開(kāi)采面紋理比較光滑，沒(méi)有新鮮巖石堆積形成的強(qiáng)反射區(qū)域，無(wú)明顯立體感，周邊和內(nèi)部道路不清晰。

廢石堆：地勢(shì)高于周圍地物，影像紋理細(xì)膩光滑，易圈定邊界；排土場(chǎng)，呈排狀，有道路與外界相連，堆積范圍集中，呈錐形；礦山建筑，多位于中轉(zhuǎn)場(chǎng)地及采場(chǎng)周邊地區(qū)，分布密度較低。在遙感影像上多呈亮白色。

礦山建筑：多位于中轉(zhuǎn)場(chǎng)地及采場(chǎng)周邊地區(qū)，分布密度較低。在遙感影像上多呈亮白色。

監(jiān)測(cè)結(jié)果

在工作區(qū)范圍內(nèi)，煤礦主要分布在宜春市豐城市的南部，鐵礦主要分布在撫州市臨川區(qū)與宜黃縣的交界處，鎢礦分布在宜春市豐城市與撫州市崇仁縣的交界處，規(guī)模數(shù)量均較小。

遙感調(diào)查顯示，工作區(qū)內(nèi)共有井工開(kāi)采點(diǎn)61個(gè)，均為界內(nèi)開(kāi)采；共有露天活動(dòng)開(kāi)采面65個(gè)。發(fā)現(xiàn)關(guān)閉地下開(kāi)采礦山31個(gè)，其中煤礦26個(gè)、鐵礦2個(gè)、鎢礦1個(gè)、長(zhǎng)石礦1個(gè)、玻璃用脈石英1個(gè)。另外有159個(gè)廢棄的露天開(kāi)采的礦山采場(chǎng)，其中鎢礦2個(gè)，長(zhǎng)石1個(gè)，石材類礦156個(gè)。通過(guò)采用“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星影像，開(kāi)展工作區(qū)礦山開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，認(rèn)為區(qū)內(nèi)開(kāi)采秩序總體良好。

結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯工作，建立了包括開(kāi)采硐口、露天開(kāi)采面、尾礦庫(kù)、磚廠、廢石堆、礦山建筑等類型的解譯標(biāo)志庫(kù)。解譯標(biāo)志特征明顯，具有很好的參考作用。

（2）通過(guò)“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)江西省豐城-撫州煤鐵礦區(qū)進(jìn)行遙感解譯研究，發(fā)現(xiàn)開(kāi)采點(diǎn)61個(gè)，開(kāi)采面65個(gè)，廢棄礦山采場(chǎng)159個(gè)，解譯結(jié)果基本滿足工作要求。

（3）從對(duì)02C影像數(shù)據(jù)的處理過(guò)程和影像解譯標(biāo)志來(lái)看，02C遙感影像可以替代具有相似空間分辨率和光譜波段設(shè)計(jì)TM、SPOT等國(guó)外遙感衛(wèi)星，并運(yùn)用于礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，豐富1∶5萬(wàn)礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作的遙感數(shù)據(jù)源，提高時(shí)效性且有效降低了數(shù)據(jù)費(fèi)用。