基于高分辨率影像的礦山開發遙感調查與監測應用研究

賈利萍

摘要：本文以安徽省主要礦集區為研究區域，采用高分辨率Ikonos、Quickbird、Geoeye-1、Worldview-2、高分一號、高分二號、無人機遙感影像數據，通過圖像的幾何糾正、正射校正、增強和融合處理，結合野外調查和室內初步判讀，對開發狀況和勘探狀況等信息建立解譯標志，通過采礦權、探礦權數據與遙感影像進行疊加，實現對礦產資源開發利用狀況、礦山環境調查與監測工作。結論：（1）在數據處理上，Pansharping融合方法在礦山開發地物的識別上較好，能夠很好的保持圖像的光譜、空間和紋理特征；（2）建立露天開采、地下開采與勘探的解譯標志；（3）能夠及時的識別越界開采、無證開采、以采代探、井工變露采和違法勘查等多種違規類型礦山；（4）能夠滿足1：1萬礦山開發遙感調查與監測的要求。因此，采用高分辨率遙感數據能夠及時、準確的監測到礦山的開發狀況，為政府整頓礦山開發秩序、礦山地質環境恢復治理提供重要技術支撐和決策依據。

關鍵詞：礦山開發；遙感；礦山環境；GIS

近年來，隨著經濟社會發展對礦產品需求的增加，違法開采礦產資源的行為時有發生，2008年，國土資源部對全國“163”個重點礦區進行了重點關注，2010年至今，在全國又開展了礦產衛片執法檢查。那么，如何提高對違法開采礦山的管理效率，科學合理有序的開發、保護礦產資源具有重要意義。隨著遙感技術的發展，國產衛星的數據保障程度提高，特別是近年來高分一號、高分二號高空間分辨率遙感影像的應用，其具有宏觀性、客觀性、現勢性的特點，為我們監測重要礦集區的礦山開發狀況和礦山環境提供數據保證。

1. 研究區概況

選取安徽省馬鞍山、廣德、宿州、淮南、淮北、霍邱、銅陵等重要礦區為監測區。研究區內礦產資源種類較多、儲量豐富，其中煤、鐵、銅、水泥用灰巖、方解石是安徽省優勢礦產，其資源儲量在華東乃至全國均位于前列，是長三角經濟區能源、金屬和非金屬原材料基地，主要礦種產地分布相對比較集中，以露天開采礦山為主。

2. 資料獲取

全面收集了安徽省的自然地理概況、地形地貌、礦產類型及分布、1∶5萬地形圖等。遙感數據主要是高分一號、高分二號、IKONOS、Geoeye等數據。

3. 圖像處理

（1）幾何糾正

以馬鞍山礦區Geoeye影像為例，通過取15個糾正點，結果誤差控制小于1個象元（圖1）。總的來說，安徽省高分遙感影像清晰、層次分明、色調均勻、反差適中，符合技術標準的要求。

（2）數據融合

①Brovey變換法

Brovey變換法也稱為彩色標準化（color normalized）變換融合，是一種用來對來自不同傳感器的數據進行融合的較為簡單的融合方法，該方法通過歸一化后的多光譜波段與高分辨率影像相乘來增強影像的信息。

②IHS變換法

IHS（Intensity-Hue-Saturation）變換是遙感影像融合算法中十分廣泛的一種RGB彩色融合變換法。它將遙感影像從彩色空間紅、綠、藍轉換到以亮度（I）、色調（H）、飽和度（S）作為定位參數的色彩空間，然后將高分辨率全色波段與IHS色彩空間的I（亮度）波段進行直方圖匹配，并代替I波段與H、S波段通過IHS逆變換得到最終的融合影像。其變換公式表示為：

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ式中：Ⅰ表示顏色的亮度，主要反映圖像中地物反射的全部能量和圖像所包含的空間信息，對應于圖像的地面分辨率；H表示色度，是指組成色彩的主波長，由紅綠藍色的比重所決定；S表示飽和度，代表顏色的純度；H與S代表圖像的光譜分辨率；v1、v2為中間變量。

③主成分變換法

主成分（Principal Components Transform ，PCA）變換是一種多維（多波段）正交線性變換，數學上稱為K-L變換。它將一組相關變量轉化為一組原始變量的不相關線性組合的正交變換，其目的是把多波段的圖像信息壓縮或綜合在一幅圖像上，并且各波段的信息所作的貢獻能最大限度地表現在新圖像中。

④PanSharpening變換法

該方法是基于統計原理的，它利用最小方差技術對參與融合的波段的灰度值進行最佳匹配并利用此原理調整單個波段的灰度分布以減少融合結果的顏色偏差，另外該方法還對輸入所有波段進行一系列的統計運算并以此來消除融合結果對數據集的依賴性和提高融合過程的自動化程度。運用PCI 9.0軟件中的PANSHARP模塊里實現，利用該方法進行融合除了需要輸入待融合的全色波段（PAN）和多光譜波段（MS）外，還需輸入至少一個參考波段，參考波段的選擇會影響融合結果的質量，選取多光譜影像的1、2、3、4四個波段為參考波段，此時融合效果最佳。

4. 解譯標志的建立

（1）能源礦山

安徽省能源礦山主要分布在淮南市和淮北市的兩淮煤礦區，其開采方式主要為地下開采，在遙感影像上表現的特征為礦井多分布于地勢平坦地區，礦山建筑物較規則，屋頂呈藍色，礦區道路清晰，在高分辨率的影像上可直接識別出井架，有陰影，立體感強，在礦區周圍有黑色的煤堆和煤矸石堆，井口附近有明顯的塌陷區。

（2）金屬礦山

安徽省金屬礦山主要分布在沿江地區的馬鞍山市、蕪湖市和銅陵市，開采礦種主要為鐵礦和銅礦等，地下開采和露天開采均有，地下開采在高分影像上較易識別，能夠直接識別出井架，露天開采在影像上的開采面主要表現為呈環狀螺旋式狀，漏斗狀，階梯式向下開采，紋理明顯。

（3）非金屬礦山

安徽省非金屬礦山分布較廣，礦種類型也較多樣，主要為建筑石料用灰巖、水泥用灰巖和方解石礦等，地下開采和露天開采均有。通過對比不同數據源的遙感影像和不同礦種的的遙感影像，對于硐口開采，可以通過道路的走向或廢石堆能間接判斷出來，開采硐口一般位于道路的盡頭或拐角處，廢棄物占地面積較大的地方，正在開采的硐口，色調上顯示為高亮，呈白色，廢棄的硐口顏色顯灰色；對于露天開采較易識別，其開采面亮度較大，且向開采方向一側由于開采深度的影響，有高差的存在，立體感明顯。

5. 疑似違法圖斑信息提取

根據建立的解譯標志對安徽省的開采礦山進行了疑似違法圖斑的提取工作，通過對疑似違法圖斑進行歸類，安徽省疑似違法圖斑類型主要為越界開采，無證開采、以采代探、井工變露采和未批先建等類型。

（1）疑似越界開采圖斑

疑似越界開采圖斑是疑似違法類型中占主要比例的圖斑，其主要為非金屬礦山，金屬礦山越界開采較少（圖2）

（2）疑似無證開采圖斑

疑似無證開采圖斑在安徽省多數存在于非金屬礦種，主要表現為建筑石料用灰巖、磚瓦用粘土石英巖等（圖3）。

（3）以1采代探

以采代探主要發生在安徽省的銅陵市和宿州市（圖4）。

（4）擅自改變開采方式

擅自改變開采方式，主要發生在馬鞍山市和銅陵市，主要進行鐵礦開采（圖5）。

（5）擅自改變礦種

這種違法類型較少，主要存在的現有的采礦權范圍內，進行其他礦種的開采活動（圖6）。

6. 結論與展望

（1）在數據處理上，Pansharping融合方法在礦山開發地物的識別上較好，能夠很好的保持圖像的光譜、空間和紋理特征；

（2）能夠及時的識別越界開采、無證開采、以采代探、井工變露采和違法勘查等多種違規類型礦山；

（3）高分一號、高分二號等國產衛星的逐步應用，可以加大礦產開發和礦山環境監測頻率。

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