鐵尾礦光譜測量與遙感信息提取

孫慶松 譚勝杰 宋宏利

（1.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；2.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊，河北廊坊 065201）

礦產(chǎn)資源屬于不可再生資源，采取粗放式破壞性開采的辦法造成礦產(chǎn)資源浪費。粗放式開采的尾礦可能含有重復(fù)開采利用的成分，形成的尾礦造成環(huán)境污染，若能采用高效、低成本的方式對尾礦進行成分分析，判斷其再開發(fā)價值，能夠避免資源的浪費，保護尾礦周邊環(huán)境。有學(xué)者采用高分一號衛(wèi)星遙感圖像已經(jīng)成功地提取了道路、綠地、水體等地物[1-3]，發(fā)現(xiàn)在高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)上尾礦最優(yōu)成像波段為band4+band3+band2[4]。傳統(tǒng)的鐵尾礦分類提取方法存在許多不足，對研究人員經(jīng)驗要求較高，且效率低[5]。本文以唐山地區(qū)高分影像為研究對象，通過光譜特征定量分析，探索高效提取鐵尾礦遙感信息的方法。

1 研究區(qū)概況

唐山遵化石人溝鐵尾礦區(qū)位于遵化市西北方向11 km處，屬于冀東礦脈的一部分，年產(chǎn)鐵精粉40萬～70萬t，屬于高硅型鐵礦，之前開采技術(shù)不完善，形成粗放式開采的尾礦。群山環(huán)繞，地勢起伏高低不平，地表高程約105～370 m，遙感圖像尾礦庫特征明顯，由于礦山位置地處偏僻，周圍其他地物較少。

研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)

影像采用國產(chǎn)高分一號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。高分一號衛(wèi)星具有較高空間分辨率，保留多光譜特性，且重復(fù)觀測周期明顯縮短，全色波段的高空間分辨率與多光譜影像的融合可以使影像具有較高質(zhì)量[6]。電磁波在傳遞過程中受到太陽輻射、大氣散射等多種影響，導(dǎo)致衛(wèi)星傳感器接收的能量與物體本身所反射的能量存在誤差，造成圖像失真，預(yù)處理目的是使影像盡量恢復(fù)真實地表數(shù)據(jù)。根據(jù)高分一號衛(wèi)星影像特點以及鐵尾礦提取技術(shù)要求，預(yù)處理高分一號數(shù)據(jù)，包括輻射校正、大氣校正、正射校正、圖像融合。

2.2 樣本數(shù)據(jù)

光譜試驗對象選取唐山周邊四種不同地區(qū)的鐵尾礦，分別為灤縣司家營鐵尾礦、遵化石人溝鐵尾礦、首鋼馬蘭莊鐵尾礦、灤縣高官營鐵尾礦。為保證試驗精度，采集樣本時分別從尾礦庫邊緣及中心選取。采用SR2500地物波譜儀作為試驗儀器，SR2500地物波譜儀可以提供可見光波段、近紅外波段光譜信息，除了可以提供光譜反射率數(shù)值，還可以提供輻射度。測量鐵尾礦時，存在其他物質(zhì)的及影響因素的干擾，產(chǎn)生光譜反射曲線的明顯波動，造成光譜特征量提取存在偏差，應(yīng)對其進行降噪處理。采用Savitzky-Golay平滑方法，可以去除“毛刺”現(xiàn)象。去除噪聲干擾后，建立波普庫，ASTER Spectral Version 2和USGS標準波譜庫中不含有鐵尾礦的光譜曲線，只能根據(jù)實測數(shù)據(jù)構(gòu)建波譜庫。為使光譜曲線特征（波峰和波谷）更明顯，采用包絡(luò)線去除法，包絡(luò)線去除法可以歸一化反射波譜，為波譜分析建立標準化平臺，圖像經(jīng)包絡(luò)線處理后，地物光譜便于圖像分類和識別。

3 研究方法

采用SR2500地物波譜儀對鐵尾礦采集光譜曲線，在預(yù)處理的基礎(chǔ)上對光譜特征進行數(shù)據(jù)分析，找出其特征參量，結(jié)合鐵尾礦空間、紋理特征構(gòu)建解譯因子。

3.1 樣本數(shù)據(jù)光譜分析

包絡(luò)線去除后，光譜曲線波峰波谷特征得到明顯增強，有利于計算光譜吸收峰參數(shù)，定量表述吸收峰特征參數(shù)是為了利用光譜特性識別不同地物[7]，在遙感圖像上精確提取地物。選用吸收峰寬度、深度、位置、面積來描述特征參量。

波峰位置是某吸收波峰處的波長位置；吸收深度是吸收峰兩個相鄰吸收肩部連線和吸收峰之間的垂直距離；吸收寬度指光譜吸收峰兩側(cè)肩部光譜的帶寬；吸收面積指某吸收波峰的兩個相鄰吸收峰肩部的連線與吸收峰之間的積分面積。

四種不同地區(qū)的鐵尾礦波譜特征參量如表1～表4所示。

表1 司家營鐵尾礦光譜特征參量

表2 遵化石人溝鐵尾礦光譜特征參量

表3 馬蘭莊鐵尾礦光譜特征參量

表4 高官營鐵尾礦光譜特征參量

四種鐵尾礦都有3個明顯的吸收峰，吸收峰位置大致相同，說明其所含物質(zhì)成分差異較小，也驗證了這四個的鐵尾礦均屬于高硅型鐵尾礦，都含有Si、Fe、Ca、Mn元素。但每種鐵尾礦不同吸收峰位置所對應(yīng)的深度、寬度、面積有較為明顯的差異，說明各類鐵尾礦中物質(zhì)的濃度有差異。

灤縣高官營的鐵尾礦1號峰與其他鐵尾礦的1號峰對應(yīng)的深度、寬度、面積有明顯差異，說明所含物質(zhì)的成分濃度有較大差異，其主要影響因素是Fe的含量較高。四種不同的鐵尾礦在2號峰的位置有微量差異，但深度、寬度、面積差異明顯。尾礦是礦砂和水的混合物，深度、寬度、面積的差異是含水量不同造成的。灤縣高官營的鐵尾礦相對于其他地區(qū)的鐵尾礦在3號峰的位置深度、寬度、面積有顯著變化，吸收峰明顯，Si對于這一波段的光有較為明顯的吸收特征。灤縣高官營的Fe濃度與其他地區(qū)的鐵尾礦有較為明顯差異，含量較高，存在重復(fù)開采的價值。

3.2 鐵尾礦遙感影像特征

基于樣本的對象信息提取，對象通過圖像的分割與合并產(chǎn)生，分割與合并尺度影響最終信息提取的精度[8]。應(yīng)根據(jù)提取的物體選用合適的分割合并尺度，為之后的高分辨率遙感圖像面向?qū)ο蠓治觥⒌匚锬繕俗R別和信息提取提供幫助。經(jīng)過圖像分割與合并后進行監(jiān)督分類，為了突出鐵尾礦信息，將試驗區(qū)影像分為三類，即鐵尾礦、山體、居民地。

4 結(jié)語

利用光譜儀測定四種不同地區(qū)的鐵尾礦光譜曲線，為了定性定量表示不同鐵尾礦的光譜特性，提取四種不同鐵尾礦樣本的光譜曲線進行對比分析，提取其特征參量包括吸收峰位置、吸收寬度、吸收面積，根據(jù)特征參量區(qū)分不同種類的鐵尾礦。利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合鐵尾礦在光譜、空間和紋理上的特征對唐山遵化石人溝鐵尾礦信息進行分類提取，針對不同地區(qū)的鐵尾礦遙感影像需要確定合適的分割與合并尺度，分割尺度為30、合并尺度為90時可以保留最佳的紋理特征。采用基于面向樣本對象的方法對融合后的遙感影像進行分類提取，采用混淆矩陣驗證分類提取精度，總體分類精度達到98%，Kappa系數(shù)為0.92，符合精度要求。文章分析了鐵尾礦的光譜曲線特征并應(yīng)用到遙感信息解譯中，采用面對對象的方法提取鐵尾礦信息，效果較好，但并未采用基于規(guī)則面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，后續(xù)研究應(yīng)繼續(xù)深入探索。