星空地“REUP”一體化礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)遙感系統(tǒng)建設(shè)初探

邢英梅 周智勇, 張志科 夏崢嶸 張敏

（1、河北水文工程地質(zhì)勘察院，石家莊 0500021；2、河北省遙感中心，石家莊 0500021）

星空地“REUP”一體化礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)遙感系統(tǒng)建設(shè)初探

邢英梅1周智勇1,2張志科2夏崢嶸2張敏2

（1、河北水文工程地質(zhì)勘察院，石家莊 0500021；2、河北省遙感中心，石家莊 0500021）

針對(duì)礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中存在的“信息孤島”現(xiàn)象，本文基于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施的礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提出星空地“REUP”一體化礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)遙感系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱：星空地REUP系統(tǒng)）。該系統(tǒng)以衛(wèi)星遙感（RS）、微波遙感星載雷達(dá)遙感系統(tǒng)歐洲遙感衛(wèi)星ERS、無(wú)人機(jī)航拍影像（UAV）、手持PDA、PC機(jī)為整體框架（系統(tǒng)名稱中“REUP”即取自總體框架的首字母），在全面梳理礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目工作步驟、已有礦山環(huán)境各種矢量數(shù)據(jù)和礦山占地、恢復(fù)治理、地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表等各種信息資源的基礎(chǔ)上，對(duì)已有信息進(jìn)行有效的整合，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與更新，建立統(tǒng)一的、有實(shí)效性的信息資源庫(kù)，為國(guó)土資源管理部門決策、綜合業(yè)務(wù)管理、礦山環(huán)境恢復(fù)和公眾信息服務(wù)提供有效的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

REUP；礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)；遙感信息復(fù)合；三維數(shù)據(jù)；信息孤島

一、引言

全國(guó)礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目根據(jù)國(guó)家需求和國(guó)土資源部管理工作的需要，由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局航空物探遙感中心組織實(shí)施，利用遙感影像數(shù)據(jù)，在全國(guó)與重點(diǎn)礦集區(qū)開展礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況、礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況等遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，獲取可觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，編制圖件與報(bào)告，為保持礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)與利用，維護(hù)礦業(yè)秩序及綜合整治礦區(qū)環(huán)境等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與決策依據(jù)。然而，除項(xiàng)目規(guī)定的一年一個(gè)周期外，省、市、縣級(jí)國(guó)土管理部門亟需實(shí)效性更強(qiáng)的礦山環(huán)境數(shù)據(jù)。但在國(guó)土資源領(lǐng)域始終缺乏統(tǒng)一體系，獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)仍然比較困難，這不僅對(duì)海量遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用形成了巨大制約，對(duì)國(guó)土資源管理無(wú)法進(jìn)一步服務(wù)。建立一套多源海量遙感數(shù)據(jù)處理、礦山監(jiān)測(cè)信息維護(hù)更新、外業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸儲(chǔ)存、成果調(diào)取方便的平臺(tái)來(lái)支撐遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

二、星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)背景、目的及意義

2.1 礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)工作方法現(xiàn)狀

目前礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)手段：衛(wèi)星遙感、內(nèi)業(yè)解譯、兩期影像對(duì)比、實(shí)地監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)頻率：重點(diǎn)礦集區(qū)一年監(jiān)測(cè)一次；全區(qū)域一年監(jiān)測(cè)一次。工作中多用ENVI、PCI、EDARS處理影像，ARCGIS信息提取，EXCLE手動(dòng)處理報(bào)表，外業(yè)獲取數(shù)據(jù)手動(dòng)匹配矢量。

2.2 星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)目的

通過(guò)ENVI、ARCCGIS、PDA相關(guān)軟件二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，構(gòu)建礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所需衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)處理及信息提取平臺(tái)，外業(yè)查證PDA系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)分析報(bào)表、綜合出圖的集成化系統(tǒng)。形成流程化、規(guī)范化、高效化的服務(wù)能力，為我國(guó)礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供統(tǒng)一、基礎(chǔ)平臺(tái)。

2.3 星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)意義

星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)的意義分為以下三點(diǎn)：

①星空地REUP系統(tǒng)可作為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)可為礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)資源調(diào)查提供了更加有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

②星空地REUP系統(tǒng)對(duì)國(guó)土資源領(lǐng)域多數(shù)據(jù)源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)的靈活綜合應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺(tái)，并對(duì)多方位數(shù)據(jù)影像缺點(diǎn)互補(bǔ)，優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)。并大大的解除了海量高分影像數(shù)據(jù)的多領(lǐng)域應(yīng)用的巨大制約。

③本系統(tǒng)特別針對(duì)于礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)礦山開采面、選礦場(chǎng)、尾礦庫(kù)、廢石堆、地質(zhì)災(zāi)害、礦山復(fù)綠等信息的提取、分析、監(jiān)測(cè)、外業(yè)查證，提供了綜合的、集成的、可視化的、易操作、完善的平臺(tái)，為項(xiàng)目?jī)?nèi)首套集衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)一體的處理平臺(tái)，并為首套針對(duì)礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)外業(yè)一體的信息系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)分析

3.1 可行性分析

通過(guò)軟件二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，在前期充分調(diào)研，通過(guò)配置軟、硬件環(huán)境，對(duì)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，信息提取方法管理，內(nèi)外業(yè)細(xì)致分析，充分掌握實(shí)際需求，進(jìn)而制定處理流程與規(guī)范，此系統(tǒng)建立是存在可行性的。

3.2 需求分析

隨著國(guó)產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)的廣泛使用，礦山環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)，已基本形成了從數(shù)據(jù)處理、信息提取、成果圖件制作的完整技術(shù)流程，建立了遙感調(diào)查相關(guān)的技術(shù)方法與技術(shù)體系。但是高分?jǐn)?shù)據(jù)的處理與信息提取依然依賴于國(guó)外軟件，甚至需要多個(gè)軟件互相配合才能實(shí)現(xiàn)，針對(duì)性、完整性明顯不足，工作效率相對(duì)較低。

針對(duì)國(guó)外軟件功能單一、針對(duì)性和完整性不足等問(wèn)題，礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)工作亟需通過(guò)軟件二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，建立多源高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理及信息提取系統(tǒng)，內(nèi)業(yè)外互通一體化系統(tǒng)。

四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)通過(guò)前期調(diào)研分析，確定數(shù)據(jù)處理與信息提取需求與流程規(guī)范，通過(guò)配置軟、硬件環(huán)境，全面設(shè)計(jì)平臺(tái)各項(xiàng)功能，構(gòu)建界面友好，操作簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大的基礎(chǔ)平臺(tái)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如下：

4.2 功能設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)如圖：

3.2.1 遙感影像數(shù)據(jù)處理集成塊

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理一般包括數(shù)據(jù)解壓縮、幾何校正（包括幾何精校正與正射校正）、圖像融合、圖像鑲嵌等。采用靈活的遙感二次開發(fā)平臺(tái)ENVI/IDL、ArcGIS Engine，可以根據(jù)不同需求，開發(fā)一個(gè)全新的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

3.2.2礦山監(jiān)測(cè)信息提取集成塊

信息提取流程主要包括柵格和矢量數(shù)據(jù)的輸入、目標(biāo)地物信息提取、統(tǒng)計(jì)分析、專題圖生產(chǎn)。建立不同的信息提取模板，并構(gòu)建實(shí)時(shí)接收外業(yè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)功能和利用DEM組建三維影像數(shù)據(jù)功能。信息提取系統(tǒng)開發(fā)采用ArcGIS Engine二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化信息提取平臺(tái)。

3.2.3外業(yè)實(shí)時(shí)查證屬性變更集成塊

將無(wú)線傳輸信息卡與本研究軟件相應(yīng)模塊集成到PDA中，從而實(shí)現(xiàn)外業(yè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)與礦山監(jiān)測(cè)矢量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。外業(yè)實(shí)時(shí)查證系統(tǒng)基本流程：(1)將礦山監(jiān)測(cè)調(diào)查底圖（遙感影像數(shù)據(jù)、礦山監(jiān)測(cè)矢量數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)）導(dǎo)入PDA；(2)利用集成了GPS卡的PDA在野外進(jìn)行查證圖斑的實(shí)際測(cè)量；(3)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算．并根據(jù)差分變更點(diǎn)位坐標(biāo)修改礦山監(jiān)測(cè)實(shí)地邊界．最后將PDA中的變更數(shù)據(jù)導(dǎo)出PC機(jī)中，進(jìn)行結(jié)果分析、矢量維護(hù)。在GSM網(wǎng)的支持下，采用GPS實(shí)時(shí)差分技術(shù)傳遞到流動(dòng)站中。實(shí)現(xiàn)流動(dòng)站測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)差分解算翻．從而得到礦山開采高精度數(shù)據(jù)。（4）利用PDA拍照技術(shù)對(duì)礦山開采現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行照像、錄像，并存儲(chǔ)于相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)中，最終導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)，以便實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測(cè)。

五、星空地REUP系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)集合了遙感衛(wèi)星、星載雷達(dá)、無(wú)人機(jī)、PDA數(shù)據(jù)，是一個(gè)面向主題的、集成的、有實(shí)效性的和可更新的數(shù)據(jù)集合.

4.1 開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)選用ENVI/IDL、ArcGIS E n g i n e以及P D A的嵌入式G I S開發(fā)工具—MapXMobile及GPS模塊中負(fù)責(zé)連接VRS網(wǎng)絡(luò)的SDK--GPSPathHndefTools(SDK)．操作系統(tǒng)均適用Win10、Win8、Win7、Vista、XP等Windows系統(tǒng)。

硬件運(yùn)行環(huán)境選用CPU 200MHz或更高、內(nèi)存64MB或更高的PC機(jī)。以及手持PDA。

4.2 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)已充分用于礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)中，如開采面、選礦場(chǎng)、礦石堆、尾礦庫(kù)、固體廢棄物等占地信息的提取。采用本系統(tǒng)可以自動(dòng)接入、正射糾正、圖像增強(qiáng)、圖像裁剪、解譯。

4.3 星載雷達(dá)數(shù)據(jù)

星載雷達(dá)數(shù)據(jù)雖多用于海洋、地形、地質(zhì)構(gòu)造、地下水，但是微波遙感特性以及透視收縮功能、一定的穿透能力，有利于地下礦井進(jìn)一步信息提取。另外雷達(dá)衛(wèi)星傳感器可不受天氣影響，具有穿透云霧、全天時(shí)、全天候工作能力，對(duì)于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是有利的補(bǔ)充。

4.4 低空遙感無(wú)人機(jī)航片數(shù)據(jù)

目前低空遙感多采用無(wú)人機(jī)方式進(jìn)行拍攝，可快速獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不可缺少的補(bǔ)充，亦可用于災(zāi)情調(diào)查、應(yīng)急指揮。

4.5 PDA掌上系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)查證

PDA掌上系統(tǒng)為星空地REUP系統(tǒng)的重要組成部分，主要應(yīng)用于外業(yè)查證部分。各模塊的實(shí)現(xiàn)需要按功能進(jìn)行類的設(shè)計(jì)，各類分別完成特定的功能，由于在嵌入式開發(fā)環(huán)境中只支持單文檔視圖結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)中只有一個(gè)主窗體，各模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果都依賴主窗體。

六、結(jié)論

礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)工作系統(tǒng)建設(shè)是推動(dòng)建設(shè)綠色生態(tài)礦山發(fā)展的一個(gè)重要步驟，星空地REUP系統(tǒng)將成為礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要工具。此系統(tǒng)不僅適用于礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)，另外可延伸至林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查等行業(yè)?？梢詫?duì)區(qū)域內(nèi)礦山環(huán)境基本信息、經(jīng)濟(jì)、權(quán)益等情況進(jìn)行總量統(tǒng)計(jì)和變化趨勢(shì)分析，可以為國(guó)土資源礦管、環(huán)境司、儲(chǔ)量司等提供基本情況及變動(dòng)規(guī)律。另外系統(tǒng)內(nèi)三維GIS空間數(shù)據(jù)建模及算法將是一個(gè)亮點(diǎn)，外業(yè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、真實(shí)、準(zhǔn)確自動(dòng)接入PC端內(nèi)業(yè)系統(tǒng)將是一個(gè)突破。本系統(tǒng)從多個(gè)不同的視角出發(fā)把數(shù)據(jù)組織成多維數(shù)據(jù)，并能夠從不同的維度視角快速地管理、分析大量的數(shù)據(jù)，成為新型的海量數(shù)據(jù)管理的解決方案。

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