遙感技術(shù)在尾礦庫泄露事故中的應(yīng)用淺析

李佳慧　孫繼宸　李抒

摘 要：近年來，尾礦壩的滲漏、垮塌、滑坡、潰壩等突發(fā)事故造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。遙感技術(shù)已成為突發(fā)環(huán)境事故應(yīng)急處置中必要的手段之一。在尾礦庫泄露事故發(fā)生初期，遙感技術(shù)可以快速提供地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地物判別的信息。本文提出運(yùn)用多源遙感技術(shù)提取尾礦庫重金屬泄露區(qū)信息，使不同遙感數(shù)據(jù)源發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)；基于數(shù)字高程模型，對(duì)尾礦庫重金屬泄露泥石流區(qū)域進(jìn)行定量分析；以無人機(jī)環(huán)境應(yīng)急遙感為例，分析應(yīng)急遙感的數(shù)據(jù)分析過程，為環(huán)境應(yīng)急處置技術(shù)選擇及物資調(diào)運(yùn)等決策提供支持。

關(guān)鍵詞：多源遙感技術(shù) 數(shù)字高程模型 無人機(jī)遙感 尾礦庫重金屬泄露

中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（c）-0079-02

遙感技術(shù)的發(fā)展，是以傳感器、遙感平臺(tái)、圖像增強(qiáng)、信息傳輸和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)步為基礎(chǔ)[1]。遙感在突發(fā)環(huán)境災(zāi)害事故和環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警方面有重要應(yīng)用。礦業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，60%以上工業(yè)原材料和95%以上的能源均取自礦業(yè)[2]。常見的尾礦庫突發(fā)事故主要有尾礦壩滲漏、尾礦排水污染、滑坡潰壩及尾礦輸送系統(tǒng)的泄漏等，這些突發(fā)事故往往會(huì)造成大量的污染物質(zhì)進(jìn)入水體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。遙感技術(shù)應(yīng)用在尾礦庫泄露事故后的影響范圍和響應(yīng)時(shí)間的分析可為尾礦庫環(huán)境應(yīng)急管理工作提供支持[3]。

本文提出運(yùn)用多源遙感技術(shù)提取尾礦庫泄露區(qū)域信息，使不同的遙感能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)；基于數(shù)字高程模型，對(duì)尾礦庫重金屬泄露區(qū)域進(jìn)行定量分析；以無人機(jī)環(huán)境應(yīng)急遙感為例，分析應(yīng)急遙感的數(shù)據(jù)過程，為環(huán)境應(yīng)急處置技術(shù)的選擇及物資調(diào)運(yùn)等決策提供支持。

1 尾礦庫重金屬泄露區(qū)遙感基礎(chǔ)信息

1.1 尾礦庫遙感影像

尾礦庫泄露后，泥石流夾雜著重金屬瞬間垮壩，污染物進(jìn)入水體，使水體在溫度、顏色、透明度等方面發(fā)生變化，遙感可以根據(jù)水體反射的波譜變化，通過灰階、色調(diào)等方面的不同識(shí)別出水體污染范圍、濃度及污染面積。本文經(jīng)過分析，總結(jié)出尾礦庫重金屬泄露遙感影像特征，如表1所示。

目前，航天和航空遙感是尾礦庫重金屬泄露事故中常見的調(diào)查方法，選擇恰當(dāng)?shù)倪b感資料對(duì)事故調(diào)查非常重要。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

不同的傳感器在光譜、波段、分辨率等方面均不相同，其數(shù)據(jù)可分為高光譜數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)。

本研究采用多源遙感信息融合的方法，即將多種、多時(shí)相遙感獲得的數(shù)據(jù)與遙感與非遙感獲得的數(shù)據(jù)綜合分析，使不同的遙感數(shù)據(jù)發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，能夠快速準(zhǔn)確地獲得泄露事故的全面信息。

2 多源遙感信息融合技術(shù)

本文以SAR和光學(xué)數(shù)據(jù)融合為例：第一步，對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；第二步，對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行正處理；第三步，將上述兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、融合；第四步，提取地面實(shí)測數(shù)據(jù)及其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將多種數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行綜合分析。圖1表示了具體的泥石流多源遙感數(shù)據(jù)提取方案。

2.1 多源遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

光學(xué)遙感數(shù)據(jù)需要進(jìn)行大氣校正、絕對(duì)輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)及噪聲去除等預(yù)處理；SAR數(shù)據(jù)需要進(jìn)行斑點(diǎn)抑制預(yù)處理，常用的斑點(diǎn)抑制方法包括多視平滑預(yù)處理和斑點(diǎn)噪聲濾波技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常采用基于局域統(tǒng)計(jì)特性的空域自適應(yīng)濾波方法，如Lee濾波、Sigma濾波等。

2.2 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與融合

為了綜合使用不同來源數(shù)據(jù)，減少空間分辨率、定位等方面引起的誤差，在進(jìn)行多源信息提取之前，需要對(duì)研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)與融合。常用幾何校正的方法做配準(zhǔn)工作，彩色合成法是融合采用的主要方法，它通過顏色對(duì)比表現(xiàn)變化，除此之外融合的方法還有差值法和比值法。

2.3 多源遙感信息提取

SAR圖像中，圖像越明亮表示后向散射能量越大，圖像越暗則能量越小。其中，每一個(gè)像素表示區(qū)域內(nèi)的后向散射的估計(jì)量。河流附近是發(fā)生滑坡事故的主要區(qū)域，一旦發(fā)生事故，水體后向散射特征變化較大，可以快速提取相關(guān)信息。

表1 尾礦庫重金屬泄露污染遙感影像特征

污染類型 常用遙感方法 影像特征

植被押覆 彩色攝影、多光譜攝影、多光譜掃描成像、相關(guān)輻射儀 彩色紅外圖像上呈紅褐色或紫紅色，在MSS7上呈淺色調(diào)

懸浮固體 彩色紅外攝影、多光譜攝影、多光譜掃描成像 MSS5圖像上呈淺色調(diào)，彩色紅外片上呈淡藍(lán)、灰白色調(diào)，水流與清水交界處形成羽狀水舌

礦油污染 可見光、紫外、多光譜攝影，多光譜掃描成像、激光掃描成像，紅外、微波輻射計(jì) 可見光、紫外、近紅外、微波上呈淺色調(diào)，在熱紅外圖像上呈深色調(diào)，為不規(guī)則斑塊狀

熱污染 紅外輻射掃描、微波輻射儀 熱紅外圖像上呈白色或羽狀水流

3 DEM遙感分析

數(shù)字高程模型（DEM），即用有序數(shù)值陣列表示坡度、坡向和坡度變化率等地貌的實(shí)體地面模型。其他地形特征值都可由此衍生。

目前，ArcMap、VirtuoZo等軟件都可以建立數(shù)字高程模型。將遙感資料進(jìn)行幾何校正后，與地理信息相匹配和鑲嵌，進(jìn)一步對(duì)圖像的飽和度、色度、亮度進(jìn)行處理，利用空中三角測量，獲得均勻分布的控制點(diǎn)，生成相關(guān)區(qū)域的數(shù)字高程，經(jīng)過特征提取，生成TIN結(jié)構(gòu)及坡度敏感圖。泥石流塌方量也可以通過DEM獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

4 無人機(jī)環(huán)境應(yīng)急遙感研判

無人機(jī)飛機(jī)可以從宏觀上提供遙感數(shù)據(jù)，為事故評(píng)估和后續(xù)治理提供決策依據(jù)。目前，無人機(jī)作為對(duì)地觀測系統(tǒng)，具有快速、動(dòng)態(tài)且宏觀的優(yōu)點(diǎn)。

4.1 無人機(jī)遙感信息獲取

無人機(jī)遙感技術(shù)利用高分辨CCD相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拍攝和獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)的壓縮和自動(dòng)傳輸、影像預(yù)處理等功能。

4.2 無人機(jī)遙感信息處理

無人機(jī)影像具有像幅小、傾角大、重疊度不規(guī)則等缺陷，必須對(duì)地面站接收的遙感信息進(jìn)行復(fù)原、加工，消除各種輻射畸變，才能使圖像與目標(biāo)物的真實(shí)情況相近。無人機(jī)遙感圖像校正處理包括圖像恢復(fù)或圖像復(fù)原等，也可稱作輻射校正和幾何校正。圖像恢復(fù)可以消除數(shù)據(jù)中依附在的各種輻射失真。圖像的幾何校正是指從具有幾何變形的圖像中消除變形的過程。步驟如下：

（1）選取地面控制點(diǎn)。

（2）選擇空間變換函數(shù)。

選擇坐標(biāo)變換函數(shù)式，建立圖像坐標(biāo)（x，y）及參考圖像坐標(biāo)（X，Y）之間的關(guān)系式。把參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到原始坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)為式（1），轉(zhuǎn)化過程如圖2所示。

（3）重樣采和內(nèi)插。

為了輸出的圖像無畸變，必須對(duì)輸入的圖像進(jìn)行重樣采。其方法有兩種：一是在輸出坐標(biāo)系上將輸入圖像的各個(gè)像元投影在變換后的的相應(yīng)位置上；二是在輸入圖像坐標(biāo)系對(duì)輸出的各個(gè)像元的相應(yīng)位置進(jìn)行逆運(yùn)算，求出該位置上像元數(shù)據(jù)。在實(shí)際中，常用的幾何校正方法有最鄰近內(nèi)插法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積內(nèi)插等。

5 結(jié)語

遙感成為環(huán)境事故應(yīng)急處置工作中第一現(xiàn)場信息獲取不可缺少的手段。運(yùn)用多源遙感技術(shù)，發(fā)揮不同遙感數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得尾礦庫重金屬泄露滑坡區(qū)域相關(guān)信息?；跀?shù)字高程模型，對(duì)尾礦庫泄露區(qū)域進(jìn)行定量分析，得到地理基礎(chǔ)定量數(shù)據(jù)；無人機(jī)遙感圖像經(jīng)過信息獲取、傳輸、處理等一系列過程后，可以對(duì)尾礦庫重金屬泄露事故態(tài)勢(shì)展開分析，展現(xiàn)遙感技術(shù)在尾礦庫重金屬泄露事故應(yīng)急處置中的重要作用及其優(yōu)勢(shì)性。

參考文獻(xiàn)

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