基于國產衛星數據的礦山遙感監測一體化解決方案
——以西藏自治區為例

路云閣， 劉采， 王姣

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193)

0 引言

我國是世界主要的礦業大國，但長期以來，礦產資源開發利用與管理比較粗放，缺乏實時監控，在造成資源嚴重浪費的同時還引發了一系列環境問題。國土資源部對礦產資源開發管理工作高度重視，自2003年開始部署了對重點礦山進行遙感調查與監測試點研究工作，并于2006年正式啟動了“礦產資源開發多目標遙感調查與監測”項目[1-2]，至今歷時近8 a，為我國礦業秩序整頓、礦產資源規劃執行情況監管和礦山環境恢復治理提供了基礎數據和決策依據[3]。目前，由于礦山遙感調查與監測主要以國外高分辨率遙感影像為數據源[4-6]，昂貴的數據價格使數據購置和處理費用常常要占到項目總經費的35%～40%； 此外，監測工作對影像時相的要求也比較高，因此，如何獲取理想的數據已成為該類研究經常面臨的難題。隨著我國衛星遙感技術的發展，將高分辨率國產衛星遙感數據應用于礦山遙感監測工作，既可以大幅度節約數據的購置成本，也可以提高年度監測的頻次，為大規模開展多期次動態礦山遙感監測工作提供數據保障。

中國國土資源航空物探遙感中心于2010年起開展的西藏自治區東部礦山遙感監測工作，目前已完成了1∶5萬和1∶1萬比例尺共8個重點區(22 300 km2)的礦山遙感監測以及3個年度該地區的礦產衛片遙感解譯工作。這項工作的主要特點為現勢性強、影像采集期短、 業務流程化以及首選國產數據源。為此，針對國產衛星遙感數據特點[7-8]，及時制定和完善以重點區為工作尺度的礦山遙感監測工作一體化解決方案，才能更好地適應并完成現階段西藏自治區礦山遙感監測工作。

本文結合西藏自治區礦山遙感監測工作的上述特點，以國產資源一號02C(ZY-1 02C)及高分一號(GF-1)衛星影像為主要數據源，結合前人研究成果[9-10]，在《礦產資源開發遙感監測技術要求》[11]的基礎上，利用ArcGIS軟件提供的地理空間數據庫和鑲嵌數據集等新功能存儲、處理、管理數據，總結實現從國產衛星遙感影像數據管理、增強與校正、信息提取、統計分析、成果圖制作與輸出直到成果入庫的一體化解決方案，并重點針對國產衛星遙感數據管理、增強與校正處理等方面探討ArcGIS環境下的具體技術方法。

1 地理空間數據庫的建立

地理空間數據庫是各種類型地理數據集的集合，包含屬性表、要素類和柵格數據3種主要數據集類型[12]。作為ArcGIS 的核心數據模型，地理數據庫提供統一儲存地理數據、處理多種數據類型及在要素間應用復雜的規則和關系等功能。本文借助ArcCatalog創建個人地理空間數據庫，建立要素數據集及其要素類，并定義其空間參考坐標。

以重點區為工作對象，建立相應的地理空間數據庫，其數據組織結構如圖1所示。

圖1 西藏山南地區礦山遙感監測的地理空間數據庫構架

2 影像流程化處理的技術方法

由ZY-1 02C和GF-1衛星1級數據生成的可用于解譯的遙感影像圖，需要經過正射糾正、配準、影像融合、色調調整、幾何精糾正以及鑲嵌處理等步驟。以ZY-1 02C星數據的處理為例，其處理流程如圖2所示。按照《礦產資源開發遙感監測技術要求》[11]的規定，1∶5萬比例尺工作區的遙感影像平面坐標系應為1980西安坐標系，6°分帶，高程系統為1985國家高程基準。

圖2 國產衛星遙感數據處理流程

2.1 正射糾正

正射糾正基于ERDAS軟件LPS模塊、利用影像自帶的rpb文件完成。其中DEM可選擇分辨率更高的ZY-3標準產品DSM； 如不具備該數據，可以ASTER GDEM為基準，選擇傳感器相近的QuickBird衛星校正模型進行無控制點正射糾正。與其他軟件相比，利用ERDAS軟件的糾正速度更快。且ERDAS軟件目前已支持西安80坐標系統，并能對重點區涉及的所有國產衛星遙感數據進行一次批量處理，可大幅減少重復工作。

2.2 幾何糾正

幾何糾正包括以高分辨率全色影像為基準的多光譜影像配準和融合后影像的幾何精糾正，均可利用ArcGIS環境下的地理配準功能實現。

ZY-1 02C影像畸變量大，且全色影像與多光譜影像空間分布不同步，因此在配準之前，需對重點區分布范圍內所有多光譜和全色影像按照空間疊置關系進行裁切，并分別進行配準和幾何精糾正。實踐證明，一個3 600 km2大小的重點區大概需要被裁切成9小塊，對每小塊進行配準和幾何精糾正需要的控制點個數分別為14～16個或16～20個(視地形起伏情況定)； 一個重點區遙感影像的幾何糾正共需要約300個左右的控制點，糾正后中誤差為10～14 m，工作量很大。

與ZY-1 02C影像相比，GF-1影像的全色影像與多光譜影像空間分布一致，無需裁剪即可以對整景影像進行配準和幾何精糾正。對每景影像配準時選擇8～10個左右控制點； 幾何精糾正選擇12～14個左右控制點即可保證精度。一個重點區完成GF-1遙感影像幾何糾正共需要140個左右的控制點，校正后中誤差為5～8 m。

2.3 建立鑲嵌數據集

鑲嵌數據集是地理數據庫中的數據模型，用于管理一組以目錄形式存儲并以鑲嵌影像方式查看的影像數據集，它允許修改應用于各柵格或鑲嵌數據集的屬性和函數。在ArcGIS環境下，以鑲嵌數據集實現遙感影像處理，且其處理過程的全程可回溯。

值得一提的是，鑲嵌數據集可以對多景影像進行批量處理； 鑲嵌數據集對于影像的處理通過加載函數完成，無需隨時保存影像，極大地減少了影像處理工作量、縮短了處理時間并顯著節省存儲空間。這對于一個重點區影像數據量動輒十幾G甚至幾十G而言，其意義重大，也是筆者開展此項工作的初衷之一。

實踐證明，在重點區這一尺度(5 000 km2左右，4～8景影像)，ArcGIS環境下鑲嵌數據集提供的影像整體勻色與鑲嵌功能，為國產衛星遙感數據融合與鑲嵌提供了兼具高效性和經濟性的解決辦法。

2.4 影像融合

在全色與多光譜數據融合前，先對高分辨率的原始全色影像進行銳化處理，以突出影像紋理及要素之間的邊界，提高解譯能力。本文采用卷積函數進行銳化處理，銳化后影像的山體紋理和地物邊界清晰自然(圖3)。

(a) 原始全色影像(b) 標準銳化影像(c) 2×2銳化影像(d) 3×3銳化影像

對全色影像銳化處理后，采用ArcGIS提供的IHS變換、Brovey比值、Esri算法、Simple_Mean和基于特定傳感器的Gram-Schmidt等方法對全色和多光譜影像進行融合，其結果如圖4所示。

(a) 原始多光譜影像(b) IHS融合影像(c) Brovey融合影像

(d) Esri融合影像(e) Simple Mean融合影像(f) Gram-Schmidt融合影像

從圖4可以看出，應用Brovey和Gram-Schmidt方法融合的影像整體色調較原始影像略淺，但色彩最接近原始影像； IHS，Simple_Mean和Esri方法融合效果稍差。在白色冰雪覆蓋區，經Brovey和Simple_Mean方法融合后色調基本保持不變，而經Gram-Schmidt，IHS和Esri融合后影像局部表現為淺藍色。在空間紋理特征方面, 無論是空間分辨率還是清晰度，融合影像的空間紋理信息都得到增強。從融合影像上能清楚地分辨出地物間的分界線和山體紋理等信息，5種融合方法在提高空間紋理信息上無明顯差別。總體上說，采用Gram-Schmidt和Brovey變換融合的效果較好。

2.5 彩色合成

相比全色信息，色彩信息對于正確判釋遙感影像的地物類別及其存在狀態更為重要。對于道路、地表或山體破損面和植被等地物的識別而言，模擬真彩色合成圖像有助于提高解譯精度。鑒于ZY-1 02C多光譜數據的波段(綠、紅、近紅外波段)與SPOT5數據的3個波段極為相近，實踐中可采用SPOT5多光譜數據的波段組合方法[13]進行彩色合成。在平均法、加權法模擬真彩色合成方法中，對于西藏自治區礦山遙感監測工作，加權法的效果較好，如圖5所示。

(a) 加權法合成圖像(b) 平均法合成圖像

從圖5可以看出，在加權法模擬的真彩色合成圖像上(圖5(a))，樹木呈綠色，山體及第四系呈深棕色。與圖5(b)相比，影像層次分明、色彩豐富，反差適中。

GF-1多光譜影像具有藍、綠、紅和近紅外4個波段，在應用中直接采用紅、綠、藍3個波段進行真彩色合成并略作調整即可。因GF-1分辨率更高、字節位深更大，合成圖像的影像紋理更為清晰銳利，色彩較ZY-1 02C合成圖像也更為豐富、反差更加自然(圖6)。

(a) ZY-1 02C加權法合成圖像(b) GF-1 B3(R)B2(G)B1(B)合成圖像(2013年3月24日)(2013年8月14日)

2.6 影像鑲嵌及勻色

在ArcGIS環境下建立鑲嵌數據集，實現影像整體勻色與鑲嵌，具體流程如圖7所示。

圖7 影像鑲嵌及勻色流程

首先，對多景(多塊)影像同時構建影像輪廓、計算鑲嵌線，對影像接邊處進行調整以形成自然過渡鑲嵌邊界； 然后，統計波段數據，構建金字塔，建立直方圖，選擇勻光平衡方案、直方圖平衡及標準差平衡等多種方法的色彩平衡，統一多景影像色調； 最后，調整影像之間的疊覆順序，力求影像中云、雪影響范圍量盡可能小，修改鑲嵌線形成自然過渡鑲嵌邊界。當影像處理達到要求后，使用鑲嵌工具將多景影像拼接，形成一幅完整的遙感影像圖。

3 信息提取、野外驗證及成果入庫

以上述處理完成的國產衛星影像為底圖，疊加礦權、地質圖等信息，根據不同地層的礦產富集和出露特點，結合已經建立的遙感影像解譯標志，進行礦山監測遙感信息提取工作，主要包括3部分內容[1]：① 礦山開發狀況信息提取，即礦產資源開采點或開采面位置、開采方式及范圍(露天、地下)以及 礦山開采狀態等； ②礦業開采秩序信息提取，是否存在無證開采、越界開采、擅自改變開采方式以及開采礦種等行為； ③ 礦山地質環境信息提取，包括各類礦山地物(開采面/點、礦山建筑、固體廢棄物、中轉場地等)占地情況、礦山地質災害(地面塌陷、地裂縫、山體崩塌、滑坡、泥石流)分布情況及影響范圍、礦山環境污染情況以及礦山地質環境恢復治理情況等。對于已提取的礦山遙感監測信息主要利用要素屬性表進行統計分析，包括對礦權、疑似違法圖斑及各類礦山地物占地面積等內容的定量分析、排序及查找。

根據上述提取的信息，在地理空間數據庫中調取影像及地理要素等資料，設計并編制野外檢查路線、野外檢查點分布等野外工作實際材料圖，按照要求實地開展野外驗證工作。并根據實地調查后的驗證信息，進一步補充、完善地理空間數據庫中的解譯成果。成果入庫包括原始資料、成果圖件、成果報告及成果數據的提交。其中，成果圖件制作是以相應比例尺的地理底圖、影像圖為底圖，依次疊覆地理空間數據庫中對應的信息提取內容，制作符合《礦產資源開發遙感監測技術要求》[11]中有關精度要求的1∶5萬和1∶1萬比例尺的礦產資源開發狀況遙感調查圖等圖件。

4 結論

1)本文結合西藏自治區礦山遙感監測工作的特點，在ArcGIS環境下提出并實現了從國產衛星遙感數據管理、增強與校正、信息提取、統計分析及成果圖制作等一體化解決方案，大幅度地縮短了影像的處理時間、提高了影像的合成質量，顯著地提升了工作效率，為在礦山遙感監測工作中推廣使用國產衛星遙感影像提供了技術支持。

2)針對國產衛星遙感數據，重點探討了ArcGIS地理數據庫和鑲嵌數據集存儲、處理及影像管理等功能的實現，并且就ZY-1 02C和GF-1遙感數據的融合、模擬真彩色合成以及鑲嵌勻色等技術細節進行了討論，提供了具體的實現辦法，有助于推進國產衛星遙感數據在礦山遙感監測領域的應用廣度和深度。

3)隨著未來高分系列、資源系列等國產衛星逐步發射和運行，國產衛星的遙感數據勢必成為我國各領域遙感應用的主要數據源。目前，ZY-1 02C數據已成功應用于礦山遙感監測工作，而GF-1數據由于比ZY-1 02C數據具有更高的空間分辨率、更大的位深以及更好的幾何定位精度，在礦山遙感監測中的應用前景必將更為廣闊。

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