WorldView-2衛(wèi)星礦山遙感監(jiān)測：以西藏羅布莎地區(qū)為例

楊偉光,鄭有業(yè),2,劉 婷,王成松

(1.中國地質(zhì)大學(北京) 地球科學與資源學院,北京 100083;2.中國地質(zhì)大學 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室,北京 100083;3.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二地質(zhì)大隊,西藏 拉薩 850000)

0 引 言

礦山遙感監(jiān)測是了解礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀及礦山地質(zhì)環(huán)境的重要參考資料[1-2]。隨著遙感技術的快速發(fā)展，高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)具有宏觀、快速和同步等優(yōu)點，在礦山遙感監(jiān)測方面的應用越來越廣泛[3-9]。

鉻鐵礦是我國重要的戰(zhàn)略資源，近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求強勁，作為我國緊缺礦種的鉻鐵礦對外依存度進一步提高。西藏羅布莎是中國最大的鉻鐵礦基地，幾十年來的礦業(yè)開發(fā)促進了當?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展。為了礦產(chǎn)經(jīng)濟及礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，針對當前西藏羅布莎礦區(qū)的礦山遙感監(jiān)測尚未開展工作的情況下，利用最新的WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)對羅布莎鉻鐵礦工作區(qū)進行遙感調(diào)查工作，獲取地表及礦產(chǎn)開發(fā)的客觀基礎數(shù)據(jù)，為國土資源部門規(guī)劃資源礦產(chǎn)、維護和綜合整治礦區(qū)環(huán)境提供技術支撐及決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)概況

WorldView-2衛(wèi)星由美國DigitalGlobe公司于2009年10月6日發(fā)射升空，是全球第一批使用了控制力矩陀螺(CMGs)、成像空間分辨率可達0.5 m的商業(yè)衛(wèi)星，因此在發(fā)射后很長一段時間內(nèi)被認為是全球響應最敏捷、分辨率最高的商業(yè)成像衛(wèi)星[10]，詳細參數(shù)見表1。本文影像成像時間為2015年2月8日，含有1個全色波段和8個多光譜段，影像無云層覆蓋，地物細節(jié)清晰。

羅布莎地處西藏自治區(qū)山南地區(qū)，位于首府拉薩市東南方向約200 km，行政區(qū)劃屬西藏曲松縣境內(nèi)，交通十分便利[11]。礦產(chǎn)資源以鉻鐵礦石為主，是我國規(guī)模最大、礦石質(zhì)量最高的鉻鐵礦床。

表1 WorldView-2衛(wèi)星及波段參數(shù)Table 1 Satellite parameters of WorldView-2

2 影像預處理

2.1 正射校正

研究區(qū)地形起伏較大，高分辨率WorldView-2數(shù)據(jù)應通過正射校正來消除地形起伏引起影像數(shù)據(jù)的畸變[12]。本文正射校正采用RPC有理多項式模型，利用DEM數(shù)據(jù)和地面控制點參與來提高校正精度，達到《礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測項目技術要求》的相關要求。

2.2 大氣校正

大氣校正的目的是消除大氣等對影像成像的影響[13]，本文采用FLAASH大氣校正，它是基于MODTRAN5輻射傳輸模型，是ENVI平臺下精度較高的大氣校正模型。

2.3 影像融合

本文影像融合的目的是提高空間分辨率，增強目標特征，提高分類精度[13]。融合方法采用PCI下超分辨率貝葉斯融合算法，即PanSharpening，這種方法使全色波段數(shù)據(jù)與多光譜波段數(shù)據(jù)自動對齊，保留了光譜信息，豐富了地面信息，提高了地物分辨能力。

2.4 波段選擇

根據(jù)本文研究的目的，要最大化利用WorldView-2高空間分辨率的優(yōu)勢，采用最佳指數(shù)法(OIF)進行波段選擇[14]，經(jīng)過數(shù)學統(tǒng)計分析，選擇近紅外2(Band 8)，紅色邊緣(Band 6)，黃色(Band 4)3個波段，分別置于R、G、B通道，作為信息提取基礎影像。同時結合紅、綠、藍真彩色合成影像，接近自然色彩，有利于礦山信息的識別與解譯[9]。

3 礦區(qū)遙感解譯

礦山遙感監(jiān)測涉及的解譯對象種類繁多，主要涉及的目標地物有采場、礦山道路、開采斜井、尾礦、礦山建筑、附近的村莊、水電站、耕地等基本礦區(qū)環(huán)境。本文以WorldView-2最佳波段組合影像(Band 864)及野外驗證來說明研究區(qū)內(nèi)目標地物影像特征，準確建立高分辨率遙感解譯標志，對于監(jiān)測礦山開采和環(huán)境治理具有重要意義[9]。

3.1 采場及采區(qū)道路

羅布莎鉻鐵礦區(qū)多采取露天開采方式，規(guī)模巨大的采坑，色調(diào)與周圍地表環(huán)境明顯不同，人為活動與地貌破壞明顯，表面光滑，無植被發(fā)育，采坑范圍易于判讀，部分礦坑在遙感影像表現(xiàn)為紋理較為粗糙，有不規(guī)則斑塊分布。運輸?shù)缆非逦梢姡蕦捳灰坏木€狀圖案(圖1)。

3.2 開采斜井

開采斜井指傾斜直達地下礦體的巷道。開采的硐口與地表呈近垂直，即使是在高空間分辨率影像上也難以直接解譯，因此通常利用間接解譯標志進行判讀[15]。例如為方便生產(chǎn)的礦山用房，或礦石滑道、礦車鐵軌及就近順山坡堆放的開采廢渣等。圖2展示的為江南礦業(yè)4266號斜井及西藏礦業(yè)4030號斜井的影像特征及野外查證。

圖1 羅布莎礦區(qū)露天采場及道路影像Fig.1 Open stopes and roads image(Band 864) of Luobusa mining area

3.3 排石(土)場

排石(土)場又稱廢石場，是指礦山采礦過程中產(chǎn)生的大量固體廢棄物[15]。一般靠近開采場附近堆積，呈近圓形、扇形圖斑，是一種巨型人工松散堆墊體[15]，較周圍自然地物，其粒徑小，影像上紋理細膩，表面平整，同時較周圍地物明亮，在羅布莎礦區(qū)內(nèi)十分常見，如圖3所示。

3.4 尾礦庫

羅布莎鉻鐵礦尾礦地處山谷，地物特征較為明顯，可見較直或呈弧度彎曲的壩堤攔截谷口，影像上具明顯的線條，距離礦區(qū)不遠(圖4)，但要注意的是，羅布莎地區(qū)屬于高原溫帶季風濕潤氣候，尤其正值夏秋兩季礦山活動時，降水較多，要防止水質(zhì)污染。

3.5 礦區(qū)建筑

在羅布莎礦區(qū)開展工作的單位主要包括西藏江南礦業(yè)股份有限公司、西藏礦業(yè)發(fā)展股份有限公司、西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊等，因此礦區(qū)建筑相對分散復雜，但主要包括了礦部、礦區(qū)宿舍、工棚、炸藥庫等，一般具有規(guī)則的矩形特征，部分建筑立體效果顯著，頂棚材料反射率高，同時可見部分機械裝備(圖5)。

圖2 羅布莎礦區(qū)斜井或平硐遙感影像及野外查證Fig.2 Inclined shaft images(Band 864) and field photos of Luobusa mining area

圖3 羅布莎礦區(qū)開采坑、排石場遙感影像及野外查證Fig.3 Open stope,waste dump image(Band 864)and field photo of Luobusa mining area

3.6 地表地物

在高空間分辨率遙感影像上，羅布莎地區(qū)地表各地物輪廓清晰，易判讀[16]。主要有之字形道路穿越羅布莎村，民用房屋清晰可見，近南北向水系平行羅布莎村；沃卡水電站距鉻鐵礦勘查區(qū)北3 km左右，以水力發(fā)電為主，兼具小規(guī)模灌溉功能，最后匯流至雅魯藏布江；羅布莎地區(qū)農(nóng)耕土地多呈階梯狀分布于雅魯藏布江沿岸，農(nóng)作物以青稞、土豆、大豆為主，附近可見呈線性展布的高壓電塔(圖6)。

圖4 羅布莎礦區(qū)尾礦庫影像Fig.4 Mine tailing pond images(Band 864) of Luobusa mining area

圖5 羅布莎礦區(qū)建筑影像及野外照片F(xiàn)ig.5 Mine construction images(Band 864)and field photo of Luobusa mining area

圖6 羅布莎地表地物影像Fig.6 Surface feature images(Band 864) of Luobusa

3.7 生態(tài)環(huán)境

圖7 羅布莎地區(qū)地表生態(tài)環(huán)境影像Fig.7 Surface ecological environment images(Band 864) of Luobusa area

羅布莎礦山開采帶來的環(huán)境影響主要體現(xiàn)在破壞地貌景觀和地表植被，同時可能引發(fā)滑坡等非自然地質(zhì)災害，如圖7所示。

4 數(shù)據(jù)分析與建議

4.1 礦山開發(fā)現(xiàn)狀統(tǒng)計

本文利用WorldView-2遙感數(shù)據(jù)對羅布莎鉻鐵礦區(qū)進行了礦山開發(fā)遙感調(diào)查，調(diào)查面積4 500 hm2。

調(diào)查結果顯示，研究區(qū)范圍內(nèi)露天采坑較多，呈群呈帶狀分布，開采的礦種主要是鉻鐵礦石，采場占地總面積約152 hm2，礦山建筑面積約3.64 hm2，固體堆積物或尾礦庫占地面積約13 hm2。

4.2 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境分析

上述占用的土地類型主要是草地和農(nóng)耕地。首先這些采場、排土場等礦業(yè)活動占用耕種土地，破壞了地面植被，造成土地利用率低；其次西藏羅布莎地區(qū)降雨頻繁，在表生帶強氧化條件下，廢石中的重金屬元素等的遷移，可能對水質(zhì)與土壤產(chǎn)生影響；再者采礦活動和廢石堆積可能加劇滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生的頻率和強度；同時目前羅布莎礦區(qū)鉻鐵礦的開采方式基本依靠地下開采，這可能加速礦區(qū)周圍地形地貌的變化。

4.3 建議

在野外實地勘察期間，當?shù)鼐用癖磉_了對礦山環(huán)境問題的擔憂。因此本文首次開展羅布莎礦山遙感監(jiān)測是十分必要和有意義的，針對如何合理規(guī)劃礦山開采活動及如何恢復當?shù)赜刹傻V活動引起的生態(tài)環(huán)境問題已迫在眉睫。

在羅布莎地表礦開采基本結束的情況下，應積極對地表廢棄礦坑進行復墾復綠，增加土地利用率，對排土場進行人工改造，加強對廢石的綜合利用，同時要跟進礦山開發(fā)環(huán)境影響評價工作，制定針對羅布莎礦山環(huán)境保護治理規(guī)劃與措施，并在下一步礦業(yè)活動開始之前，對可能產(chǎn)生的環(huán)境影響進行分析和評估。

5 結 論

(1)高空間分辨率遙感在礦區(qū)遙感監(jiān)測中應用效果顯著，成為礦山開采狀況及環(huán)境調(diào)查中不可缺少的基礎數(shù)據(jù)。將高空間分辨率遙感地質(zhì)調(diào)查與礦山遙感監(jiān)測工作結合起來，可實現(xiàn)一種數(shù)據(jù)，多目標調(diào)查，增加數(shù)據(jù)利用價值。

(2)開展前期野外踏勘及后期野外查證是相當必要的工作程序，有利于提高遙感解譯精度。本文在結合野外工作的前提下，建立了研究區(qū)內(nèi)礦山開采過程中涉及到的地物及地表環(huán)境的高空間分辨率遙感解譯標志。

(3)遙感調(diào)查結果顯示，羅布莎礦山環(huán)境的恢復治理工作任重道遠，在關注礦產(chǎn)經(jīng)濟發(fā)展的同時，應加大對礦山環(huán)境治理工作的投入，因此本次的研究成果可以服務于下一次羅布莎地區(qū)礦產(chǎn)資源環(huán)境規(guī)劃決策。

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