基于GF2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的礦山遙感監(jiān)測方法及對象識(shí)別研究

李思發(fā)，李 亮，安 全

(貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550081)

1 引言

礦山遙感監(jiān)測是一項(xiàng)重要的礦情調(diào)查工作，是礦政管理部門掌握礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀的重要手段之一(楊金中等，2011)，自2006年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局在全國部署開展了“年度礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測”項(xiàng)目，快速準(zhǔn)確地對全國礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行遙感調(diào)查和監(jiān)測，其相關(guān)調(diào)查成果為國家綠色發(fā)展指數(shù)統(tǒng)計(jì)、礦山地質(zhì)環(huán)境管理等工作提供了技術(shù)支撐(楊金中等，2016；李思發(fā)等，2021)。本文以廣西××礦山為研究區(qū)，詳細(xì)闡述了先整體后局部的礦山地物提取流程以及固體廢棄物(尾礦庫、廢石堆)、礦山建筑、中轉(zhuǎn)場、地下開采硐口、塌陷坑、礦山環(huán)境恢復(fù)治理等主要地物遙感解譯標(biāo)志的建立，為開展礦山遙感監(jiān)測提供了參照。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

區(qū)內(nèi)巖漿巖出露不多，且零散。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)發(fā)展階段，巖漿侵入和噴發(fā)等資料可將其劃分為燕山期、印支期、海西力期、加里東期。

2.2 數(shù)據(jù)源

研究區(qū)采用的遙感數(shù)據(jù)為GF2單景影像，成像時(shí)間為2019年11月4日，數(shù)據(jù)為2級；高分二號衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，8月21日首次開機(jī)成像并下傳數(shù)據(jù)，是我國自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1米的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺(tái)分辨率1米全色、4米多光譜相機(jī)，具有亞米級空間分辨率、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力等特點(diǎn)(楊金中等，2019)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，1∶10000DEM(網(wǎng)格5×5米)和1∶10000DRG。所有數(shù)據(jù)均采用高斯-克呂格投影，坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000。

3 研究方法

3.1 技術(shù)路線

一是收集研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、礦業(yè)權(quán)數(shù)據(jù)和礦山環(huán)境成果等已有資料；二是對遙感影像進(jìn)行處理，得到具備模擬天然色彩的遙感影像圖；三是通過礦山地質(zhì)背景和礦山開發(fā)過程的系統(tǒng)性及整體性、礦山路網(wǎng)和管網(wǎng)分析，確定礦山整體分布情況；四是結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查和遙感影像特征，建立礦山主要地物解譯標(biāo)志；五是根據(jù)建立的解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互的方式，完成各區(qū)塊內(nèi)部礦山占地、礦山恢復(fù)治理、地質(zhì)災(zāi)害等信息提取(汪潔等，2020；李思發(fā)等，2014)。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)流程圖

3.2 遙感數(shù)據(jù)處理

利用ENVI軟件完成對影像的處理，主要為利用IHS變換完成GF-2的多光譜和全色的融合，并采用1∶10000標(biāo)準(zhǔn)分幅的DEM(網(wǎng)格5×5米)進(jìn)行正射糾正，在1∶10000 DRG上選取地面控制點(diǎn)(GCP)進(jìn)行幾何糾正，中誤差值不超過0.5mm。對配準(zhǔn)后的影像按R(3)、G(2)、B(1)組合得到具備模擬天然色彩的遙感影像圖(孫攀等，2016；關(guān)云秀等，2009)。

4 礦山總體分布情況

在開始礦山解譯前，應(yīng)充分分析礦山成礦地質(zhì)背景、了解礦山的各要素地物與地物之間存在相互一定的依存關(guān)系，對礦山的整體布局進(jìn)行一個(gè)初步了解，一般上規(guī)模的礦山，都存在1個(gè)或多個(gè)功能區(qū)塊，通過對研究區(qū)的道路、軌道情況進(jìn)行分析，研究區(qū)可分為6個(gè)大區(qū)塊，且各區(qū)塊之間均通過礦山道路或管道相連(圖2)。

圖2 研究區(qū)礦山分布圖

5 主要礦山地物解譯標(biāo)志的建立

在摸清礦山總體分布情況基礎(chǔ)上，通過影像特征分析和外業(yè)踏勘，建立該礦山主要地物解譯標(biāo)志，解譯標(biāo)志有直接解譯標(biāo)志和間接解譯標(biāo)志兩類，直接解譯標(biāo)志主要包含中轉(zhuǎn)場(洗礦場)、固體廢棄物(廢石堆、尾礦庫)、礦山建筑、塌陷坑和工程恢復(fù)治理，在影像上能直接區(qū)分；而間接解譯標(biāo)志，如開采硐口位置一般很難直接利用地表色調(diào)、形態(tài)特征進(jìn)行直接識(shí)別，在遙感影像上主要根據(jù)硐口周邊的礦石堆、廢石堆及運(yùn)輸軌道進(jìn)行判定。

5.1 地下開采硐口

地下開采硐口在遙感影像上直接識(shí)別較困難，主要根據(jù)礦石堆、廢石堆及運(yùn)輸軌道進(jìn)行判定，硐口與礦石堆或廢石堆之間一般有運(yùn)輸軌道相連，在軌道靠近山體的方向出現(xiàn)斷點(diǎn)處即為硐口(李思發(fā)等，2014；劉立等，2019)(圖3)。

5.2 恢復(fù)治理

恢復(fù)治理的圖斑在影像上多呈現(xiàn)青綠色或墨綠色，較周圍自然的植被相比，紋理較規(guī)則，工程恢復(fù)治理人工痕跡顯著(楊金中等，2019)(圖3)。

圖3 地下開采硐口遙感影像特征

5.3 中轉(zhuǎn)場(洗礦場)

洗礦場多為簡易鋼架搭建而成，多位于尾礦庫或尾礦渣附近，在遙感影像上礦山建筑物形狀多呈長方形、方形和7子形，色調(diào)多為藍(lán)色，建筑物間多存在管道連接(龔梅等，2014；馬國胤等，2017)(圖4)。

圖4 洗礦場遙感影像特征

5.4 固體廢棄物

研究區(qū)固體廢棄物主要為尾礦庫和廢石堆。尾礦庫通常筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成，在影像上可見多呈階梯逐級排列的尾礦壩，紋理光滑，呈鏡面反射效果，顏色鮮亮有過渡色，一般只有大規(guī)模開采的金屬類礦山有尾礦庫，多位于洗礦場附近或通過管道(道路)與洗礦場連接。在遙感影像上尾礦壩呈階梯狀，顏色多為白色，庫內(nèi)無植被或植被稀少，(圖5)(李思發(fā)等，2021；馬國胤等，2017)；廢石堆主要指集中堆放廢石場所，一般位于硐口附近，在影像上多呈灰白色，近圓形圖斑，堆包痕跡明顯(圖3)。

圖5 尾礦庫遙感影像特征

5.5 礦山建筑

礦山建筑如辦公區(qū)、職工宿舍，對于長期開采的礦山，地表建筑物相對較多且規(guī)則分布，且多分布于地勢較平坦的礦山入口位置，在遙感影像上礦山建筑輪廓清晰，形狀規(guī)則，多呈長方形、方形和7字形，一般按規(guī)劃布置，建筑物頂面通常較亮(況順達(dá)等，2005；李思發(fā)等，2021)。一般說來，礦山建筑物的數(shù)量多少可以反映出礦山規(guī)模的大小。小型礦山建筑分布稀疏，規(guī)模較小；大型礦山建筑分布集中，規(guī)模較大(圖6)。

圖6 礦山建筑遙感影像特征

5.6 塌陷坑

塌陷坑通常是由礦層采空后頂部覆蓋巖體塌陷墜落而形成。在遙感影像上，塌陷坑一般呈現(xiàn)深色或者深色間夾淺色的色調(diào)，較大的塌陷坑在影像上多呈負(fù)地形，外形類似圓形或者橢圓形，與周邊的植被存在明顯差異(吳壽江等，2020；鄧錕，2015)，出現(xiàn)位置可在山頂、山坡和山腳，在塌陷集中分布區(qū)，受地下采空巷道的控制表現(xiàn)為串珠狀(王欽軍等，2011)(圖7)。

圖7 塌陷坑遙感影像特征

6 典型區(qū)塊內(nèi)部解譯

區(qū)塊內(nèi)部礦山地物提取以ArcGIS 10.2軟件為工作平臺(tái)，采用目視解譯，根據(jù)已建立的遙感解譯標(biāo)志，結(jié)合遙感影像各地物的物理及光譜特征進(jìn)行，完成劃分的6各區(qū)塊內(nèi)部礦山地物的細(xì)化，細(xì)化地物主要包含中轉(zhuǎn)場(礦石堆、洗礦場)、固體廢棄物(廢石堆、尾礦庫)、礦山建筑(生產(chǎn)區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū))和恢復(fù)治理等，主要區(qū)塊細(xì)化情況如下。

6.1 區(qū)塊1細(xì)化

區(qū)塊1主要包含了辦公區(qū)和生活區(qū)兩個(gè)部分，辦公區(qū)和生活區(qū)內(nèi)的礦山建筑在影像上多規(guī)則分布，呈長方形、方形和7子形，辦公區(qū)一般位于道路旁，且相比于生活區(qū)建筑較高。

圖8 區(qū)塊1內(nèi)部礦山地物細(xì)化

6.2 區(qū)塊2細(xì)化

區(qū)塊2主要包含了尾礦庫和洗礦場兩個(gè)部分，尾礦庫在遙感影像上尾礦壩呈階梯狀，顏色多為白色，庫內(nèi)無植被或植被稀少，一般位于選礦場附近或通過管道或道路與選礦場相連；洗礦場多為簡易鋼架搭建而成，多位于尾礦庫或尾礦渣附近，在遙感影像上礦山建筑物形狀多呈長方形、方形和7子形，色調(diào)多為藍(lán)色。

圖9 區(qū)塊2內(nèi)部礦山地物細(xì)化

6.3 區(qū)塊3細(xì)化

區(qū)塊3主要包含了固體廢棄物(廢石堆)、礦山建筑(生產(chǎn)區(qū))和工程恢復(fù)等，廢石堆一般位于硐口附近，在影像上多呈灰白色，多為錐形狀，紋理雜亂；而工程恢復(fù)在影像上表現(xiàn)為人工紋理較明顯，多呈綠色，于周圍天然植被區(qū)別明顯。

圖10 區(qū)塊3內(nèi)部礦山地物細(xì)化

7 調(diào)查結(jié)果

根據(jù)建立的解譯標(biāo)志，通過先整體后局部的解譯方法完成了研究區(qū)的礦山環(huán)境解譯，共解譯礦山占損土地面積38.33hm2，其中中轉(zhuǎn)場地4.30hm2、固體廢棄物18.67hm2、生產(chǎn)區(qū)4.66hm2、生活區(qū)5.09hm2、辦公區(qū)1.00hm2、礦區(qū)道路4.62hm2；恢復(fù)恢復(fù)治理面積1.52hm2。

8 結(jié)論

(1)基于GF2影像特征及外業(yè)調(diào)查，針對礦山遙感監(jiān)測的地物目標(biāo)任務(wù)，建立了一套相對應(yīng)的礦山遙感監(jiān)測解譯標(biāo)志，主要涉及地下開采硐口、尾礦庫、礦山建筑、洗礦場、廢石堆、恢復(fù)治理和塌陷坑等，運(yùn)用解譯標(biāo)志可大大提高礦山遙感監(jiān)測的解譯精度和工作效率，對礦山遙感監(jiān)測工作具有重要的技術(shù)支撐。

(2)通過對礦山地質(zhì)背景和礦山開發(fā)過程的系統(tǒng)性及整體性、礦山路網(wǎng)和管網(wǎng)分析，首先確定礦山總體分布情況，劃分大區(qū)塊，再結(jié)合解譯標(biāo)志，針對各大區(qū)塊內(nèi)部圖斑細(xì)化解譯，形成了一套先整體后局部的礦山地物提取程序，完善了礦山地物的提取流程。