國產(chǎn)衛(wèi)星助力礦產(chǎn)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測

□馮 濤 劉曉靜

當(dāng)前國產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展十分快速，在各種領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。如果將國產(chǎn)衛(wèi)星用于礦產(chǎn)資源的開發(fā)和保護(hù)環(huán)境中，將3S技術(shù)的特長和遙感技術(shù)的快速、直觀、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)充分發(fā)揮出來，全面對(duì)收集區(qū)內(nèi)的礦山、遙感圖像、地質(zhì)礦產(chǎn)、環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等資料進(jìn)行收集，并利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)這些資料進(jìn)行分析和處理，建立有效的開發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以為后續(xù)礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，創(chuàng)造出一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更加了解當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源開發(fā)的現(xiàn)狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采礦對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的破壞，并進(jìn)行處理，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測[1]。

一、采用國產(chǎn)衛(wèi)星對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測的必要性

由于當(dāng)前礦產(chǎn)資源事業(yè)高速發(fā)展，在發(fā)展過程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的小、散、亂和工藝水平落后的現(xiàn)象。很多礦種出現(xiàn)了非法盜采比較嚴(yán)重的情況，造成了大量礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)，也對(duì)礦產(chǎn)山環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的破壞。如何及時(shí)了解當(dāng)前礦采資源開采的實(shí)際情況，是對(duì)礦產(chǎn)開采監(jiān)管中所面臨的大問題[2]。如果采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行監(jiān)管，不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，還無法及時(shí)掌握當(dāng)前礦產(chǎn)資源動(dòng)態(tài)開采的信息。隨著我國科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，在衛(wèi)星技術(shù)上也取得了不小的突破，遙感衛(wèi)星的分辨率不斷提高。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以及時(shí)掌握全國范圍內(nèi)的礦業(yè)秩序和生態(tài)環(huán)境破壞狀況，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

二、研究方法

通過利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以獲得各采礦地區(qū)的地質(zhì)遙感數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些遙感數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，通過室內(nèi)對(duì)比提取礦產(chǎn)資源開發(fā)地采礦互動(dòng)痕跡的影響資料信息，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不同時(shí)段的采礦活動(dòng)痕跡變化，其主要分為以下幾個(gè)階段。

(一)資料的收集。對(duì)礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，就是通過分析不同時(shí)期的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，有效總結(jié)出這些信息的變化規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征的變化。如何將各種影響信息有效融合起來，并更加及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦山開采和環(huán)境的變化，是礦產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測所需要解決的最基礎(chǔ)的問題。當(dāng)前我國國產(chǎn)衛(wèi)星遙感技術(shù)突飛猛進(jìn)，圖像的幾何分辨率不斷提高，GF1國產(chǎn)衛(wèi)星航空遙感數(shù)據(jù)0.4m，SPOT5 2.5m，可以滿足對(duì)礦產(chǎn)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測的需要[3]。

(二)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理。多源遙感數(shù)據(jù)處理，該技術(shù)可以對(duì)不同時(shí)段的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、大地配準(zhǔn)，可以將PAN波段數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)有效融合起來。然后對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和地形矢量數(shù)據(jù)和采礦權(quán)數(shù)據(jù)的疊加，并將其轉(zhuǎn)換成各種數(shù)據(jù)表格，來對(duì)當(dāng)前礦產(chǎn)環(huán)境的特征內(nèi)容進(jìn)行解釋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法盜采現(xiàn)象。一是幾何校正與大地配準(zhǔn)。由于礦山地區(qū)的地勢起伏一般較大，可以使用衛(wèi)星軌道模型進(jìn)行正射校正。通過使用先進(jìn)的遙感影像處理軟件，可以直接對(duì)各種遙感數(shù)據(jù)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行提取，并依照航空正射像和高程模型數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的校正。經(jīng)過校正后的數(shù)據(jù)，最大殘差應(yīng)該保證在3～4個(gè)像素之間。二是圖像增強(qiáng)。圖像中圖素的亮度信息往往包含的內(nèi)容較多，可以直接反映不同的物體特征。由于受到成像系統(tǒng)特性、成像光照條件和地物輻射差異大小的影響，導(dǎo)致很多像元的亮度值過于集中，對(duì)圖像層次的豐富程度造成了非常大的影響，圖像的色調(diào)較差，在圖像中往往難以分辨出具體的地物信息。對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)的一個(gè)主要目的是為了擴(kuò)大圖元亮度值的分布區(qū)域，像元的亮度差異也會(huì)得到顯著增強(qiáng)，圖像的對(duì)比度也會(huì)大大增加，更進(jìn)一步能夠觀察到圖像的細(xì)節(jié)信息。三是多源遙感數(shù)據(jù)融合。多光譜影響的光譜分辨率較高，但顯示空間細(xì)節(jié)的能力較差。為了有效對(duì)該問題進(jìn)行解決，可以將低空間分辨率的多光譜影響和高空間分辨率的全色影響融合起來，這會(huì)大大增加空間表示的層次感，影像的光譜信息也能得到完整的保留[4]。當(dāng)前遙感影響技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用比較多的有HIS變換、主成分分析、基于小波理論的特征融合。在不用融合方法的應(yīng)用過程中，對(duì)于高分辨率的IKONOS數(shù)據(jù)和QuickBird數(shù)據(jù)，由于其光譜范圍已經(jīng)從可見光波段擴(kuò)展到了近紅外波段，如果還是采用傳統(tǒng)的變換方法，效果往往較差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的顏色偏差。通過利用PCI中的pansharp融合方法，通過選擇所有的多光譜波段的數(shù)據(jù)作為參考波段，綠色植物區(qū)域的顏色會(huì)變得更加突出，讓該區(qū)域更加醒目，讓整個(gè)影像更加亮麗，顯得更加有生機(jī)，視覺效果得到進(jìn)一步的提升，其它周圍環(huán)境的顏色并不會(huì)受到太大的影響。四是主要的監(jiān)測目標(biāo)及其特征。衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用過程中，需要及時(shí)對(duì)礦產(chǎn)資源的開采情況進(jìn)行跟蹤，需要人們以多時(shí)相遙感圖像對(duì)比解釋、分析為主體，及時(shí)獲取采礦相關(guān)的信息。在礦產(chǎn)資源的監(jiān)測中，最為主要的地物類型主要包括礦山建筑物、礦山道路、煤礦堆場、煤矸石堆場等。這些環(huán)境特征都是礦產(chǎn)資源開采中通常保有的。通過這些特征的發(fā)現(xiàn)和提取、分析，就可以及時(shí)掌握各地區(qū)的實(shí)際采礦情況。五是信息提取。在對(duì)礦產(chǎn)開采的動(dòng)態(tài)監(jiān)管過程中，需要定期掌握監(jiān)管對(duì)象的環(huán)境特征的變化情況，掌握其發(fā)展趨勢，可以為后續(xù)管理工作的開展，打下一個(gè)很好的基礎(chǔ)。變化信息的提取，需要能夠有效鑒別出來不同遙感圖像上變化區(qū)域的具體特征，由于變化特征往往非常模糊，傳統(tǒng)的分析方法往往不是非常奏效，需要采用有效的變化區(qū)域提取方法，這樣才能獲得圖像特征變化更為具體的信息。受制于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，目前還沒有一款軟件可以很好完成該工作，因此當(dāng)前主要還是應(yīng)用的人機(jī)交互的解釋方法。六是遙感野外調(diào)查驗(yàn)證。野外勘察的一個(gè)主要目的是為了幫助遙感解釋人員對(duì)監(jiān)測區(qū)內(nèi)的礦區(qū)環(huán)境和作業(yè)現(xiàn)場有感性的認(rèn)識(shí)，在頭腦中建立一個(gè)簡單的影響概念，然后通過對(duì)遙感圖形的比對(duì)，在兩者之間建立更加直觀的聯(lián)系，從而完成室內(nèi)遙感解釋標(biāo)志的建立，讓遙感解釋的正確性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。在圖像處理和遙感解釋的基礎(chǔ)之上，對(duì)道路穿越法和追索法結(jié)合起來，對(duì)工作區(qū)內(nèi)的礦產(chǎn)資源開發(fā)情況、開采活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響等進(jìn)行驗(yàn)證性的觀測。通過進(jìn)一步的現(xiàn)場驗(yàn)證表明，遙感技術(shù)在礦產(chǎn)資源的定量驗(yàn)證率可以達(dá)到百分之九十以上。

三、實(shí)際應(yīng)用案例

該工作區(qū)域位于黑龍江西部地區(qū)，其面積近800平方公里，區(qū)域內(nèi)部的礦業(yè)活動(dòng)比較興盛，很多礦山都屬于露天礦山。

為了有效對(duì)該地區(qū)的礦產(chǎn)資源情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，采用了國產(chǎn)GF2衛(wèi)星遙感技術(shù)，并采用加拿大阿波羅公司開發(fā)的PCI Geomatica圖像處理軟件，對(duì)圖像進(jìn)行處理。其工作的原理是通過對(duì)圖像的預(yù)處理后，應(yīng)用色彩合成、線性擴(kuò)展、融合、自動(dòng)識(shí)別等簡單的方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理和信息提取，有效滿足項(xiàng)目的需要。由于采礦活動(dòng)對(duì)周邊植被破壞比較嚴(yán)重，會(huì)造成巖石的直接裸露，讓遙感圖像具有比較高的反射率，同周圍地物的差別較大，這就為信息識(shí)別提供了基礎(chǔ)。在該項(xiàng)目中就應(yīng)用了等值線法對(duì)采礦區(qū)進(jìn)行了自動(dòng)識(shí)別和圈定。程序會(huì)根據(jù)圖像亮度值的分布，來自動(dòng)對(duì)圖像的亮度值進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)還可以通過采用人機(jī)對(duì)話的方式，來人工設(shè)定亮度值、確定分級(jí)，并通過人機(jī)對(duì)話的方式進(jìn)行交互式的調(diào)整。為了有效反映當(dāng)?shù)氐牡V產(chǎn)開發(fā)的變化形式，可以通過對(duì)幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)的遙感圖像進(jìn)行對(duì)比，來分析建立礦山環(huán)境解釋標(biāo)志，以此來編制遙感解釋圖。

除了采用衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測的方式外，還應(yīng)該進(jìn)行野外調(diào)查驗(yàn)證。遙感地質(zhì)調(diào)查，其是建立在圖像處理和遙感解釋基礎(chǔ)之上的，有效對(duì)礦區(qū)內(nèi)的資源開發(fā)情況、開采活動(dòng)對(duì)環(huán)境所造成的影響進(jìn)行觀測?；绞菍?duì)礦山周邊的水系沉積物進(jìn)行測量，研究礦山開采對(duì)周圍水環(huán)境所造成的影響。

為了有效對(duì)各種遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，需要建設(shè)專門的數(shù)據(jù)庫，建立具有可視化數(shù)據(jù)查詢、編輯、輸入、輸出功能的礦產(chǎn)資源監(jiān)測系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用也非常簡單，通過數(shù)據(jù)庫索引字段以及GIS條件檢索等功能，來滿足用戶對(duì)礦山開發(fā)及礦山開發(fā)對(duì)周邊環(huán)境所造成的影響，達(dá)到對(duì)周邊環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測的目的。

通過對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)圖像的分析和實(shí)地勘測情況發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)的礦山采場存在不同程度的邊緣張問題，在采掘作業(yè)面前緣有輕微的崩塌現(xiàn)象，這很容易形成碎塊沿著陡峭斜坡墜落的事故，如果遇到突發(fā)的因素，如降雨、爆破振動(dòng)等，很容易發(fā)生小規(guī)模的崩塌現(xiàn)象，危機(jī)區(qū)域內(nèi)人員的生命安全。此外，礦山開采還對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀痪坝^情況造成了不小的影響，尤其是對(duì)迎面采場的景觀破壞尤為嚴(yán)重，造成一定規(guī)模的基巖裸露，伴隨小規(guī)模的水土流失情況，讓該地失去了過去“青山綠水”的自然景色。此外，在該地區(qū)礦山開采的過程中，還造成了一定的粉塵污染。在礦山運(yùn)輸?shù)倪^程中，容易造成石料撒漏，汽車行駛時(shí)很容易出現(xiàn)飛沙走石的情況，很容易造成路旁的樹木、種植物出現(xiàn)蓬頭垢面的情況。該地區(qū)的很多石料都是采用破碎加工的方式，生產(chǎn)過程中會(huì)造成較大的粉塵，嚴(yán)重時(shí)遮天蔽日，導(dǎo)致附近的綠色植物總是不同程度沾滿灰塵。在礦山的開采過程中，也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡厍蚧瘜W(xué)環(huán)境造成不小的影響，尤其反映在金屬礦山中，但其影響范圍還比較有限，并沒有造成非常明顯的化學(xué)污染。

四、結(jié)語

隨著工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需要量不斷增加，各種礦產(chǎn)采石場越來越多，對(duì)礦山開采的監(jiān)管難度越來越大。為了有效實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山開采的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，應(yīng)該將國產(chǎn)衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)有效應(yīng)用其中，提高對(duì)礦山開采監(jiān)管的效率。