基于高分遙感數據的稀有礦山監測
——以江西宜春414稀有礦山為例

代晶晶， 王登紅， 吳亞楠

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

基于高分遙感數據的稀有礦山監測
——以江西宜春414稀有礦山為例

代晶晶1， 王登紅1， 吳亞楠2

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

稀有金屬的戰略地位使得對稀有礦山的監測具有至關重要的意義。以江西宜春414特大型鉭鈮鋰稀有金屬礦床為例，利用ZY-3號國產衛星、IKONOS及WorldView2衛星等多源遙感數據，建立礦山典型地物的遙感解譯標志； 結合礦權信息和地質巖體信息，分析評價稀有礦山的開發利用現狀； 并根據稀有礦山與高嶺土礦山紋理信息的差異，進一步區分了同一巖體中的2種礦床類型； 最后,基于ZY-3號衛星數據建立的三維圖像，對該礦山存在的地質滑坡問題進行了評估，并對3種高分遙感數據在稀有礦山監測中的應用效果進行了對比分析。研究表明，高分遙感數據的處理與分析為稀有礦山開發現狀及礦山環境監測提供了良好的技術手段，有進一步推廣應用的價值。

高分遙感數據； 稀有礦山； 開采現狀監測； 地質環境評估

0 引言

稀有金屬通常指在自然界中含量很少、分布稀散或難以從原料中提取的金屬，共有9種： 鋰(Li)、鈹(Be)、銣(Rb)、銫(Cs)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鍶(Sr)、鈮(Nb)和鉭(Ta)[1]。稀有金屬以其獨特的性能和作用，成為原子能、航空航天、半導體、電子技術、特種鋼材及軍火工業等眾多關系國計民生和國防安全所需要的金屬材料，戰略地位非常重要[2-3]。如何有效地監測稀有金屬的開發利用狀況，對國家的礦產資源管理至關重要。近幾年，隨著全國礦山遙感調查與監測工作的開展，將遙感地質調查與礦產資源管理有效地結合，遙感技術已被廣泛應用于煤礦、銅多金屬礦山及建材、稀土等非金屬礦山監測中，充分發揮和提高了遙感數據的應用效益，為礦產資源監督管理探索了新的工作方式與方法[4-11]。但相對而言，針對稀有金屬礦山的遙感監測研究目前還較為薄弱。本文以江西省宜春414特大型鉭鈮鋰稀有金屬礦床為例，以其他一般金屬礦山的遙感監測方法為借鑒，重點總結此類礦山特殊的地物類型，并對與其遙感圖像色調特征極為相近的高嶺土礦山進行區分，旨在開展稀有金屬礦山遙感監測示范研究，為礦政管理部門制定礦產資源規劃、整頓礦產資源開發秩序、治理礦山地質環境等提供技術支持和決策依據。

1 研究區概況及數據源

江西宜春414礦是以鉭鈮鋰為主的特大型稀有金屬礦床，位于江西省宜春市東南20 km處，中心坐標為E114°30′52″，N27°39′04″(圖1)。該礦床的形成與地質構造和巖漿活動有密切關系。與成礦有關的雅山花崗巖株為燕山早期第二階段第三次侵入形成的雅山花崗巖復式巖體[12]。礦床由銀子嶺、工人村及朱樓沖3個區段組成。其中，銀子嶺為主礦體區段，工人村區位于銀子嶺區段西北，朱樓沖位于銀子嶺之南。此外，在主礦體邊部還有一些小礦體。宜春414礦始建于1970年，屬國營老礦山，1998年核定的平面采礦權面積(2004年進行了延續)為5.217 3 km2，標高范圍為951～640 m。

圖1 宜春414稀有礦山地理位置

本文使用的遙感數據為IKONOS,ZY-3及WorldView2衛星數據，獲取時間分別為2013年7月10日(IKONOS)、2012年11月2日(ZY-3)和2013年9月24日(WorldView2)。

2 礦山開發狀況遙感監測

2.1 稀有礦山典型地物解譯標志

基于IKONOS衛星遙感數據，建立了稀有礦山的典型地物解譯標志。圖像預處理主要包括正射糾正、幾何配準及數據融合，均在ENVI5.1遙感圖像處理軟件中實現。首先依據DEM數據分別對IKONOS各波段數據進行了正射糾正和幾何配準，然后選取Gram-Schmidt變換融合算法分別對4個多光譜波段數據與全色波段數據進行融合。對融合后的IKONOS數據進行最佳波段選擇，選擇波段相關性較小的3個波段進行假彩色合成[13-14]。其波段相關系數矩陣見表1。

表1 IKONOS數據各波段相關性

從表1可以看出，IKONOS數據的B1與B4的相關性最小，B4與B3，B2的相關性較小，故選擇B3,B4和B1多光譜波段融合后的數據，并按B3(R)B4(G)B1(B)色彩配置順序進行假彩色合成。

根據野外調研及收集的相關資料，分析稀有礦山的主要地物類型，包括濃縮池、溜井、采礦場、尾礦庫、廢石場和廠房等的IKONOS影像特征。其中濃縮池主要用于選礦后的二次回收； 溜井為運礦通道，用于把破碎后的礦石隨其斜坡下滑進行選礦； 采礦場為露天開采的主要采場； 尾礦庫為選礦后暫不利用的礦渣存放場所； 廢石場為采礦剩余的廢石堆放的區域； 廠房為主要冶煉車間。上述地物在IKONOS 假彩色合成圖像中的影像特征及野外照片詳見表2。據此，建立了稀有礦山主要地物的遙感解譯標志。

表2 稀有礦山主要地物類型在IKONOS假彩色合成圖像中的影像特征

2.2 稀有礦山開發狀況

根據表2建立的解譯標志，將宜春414礦采礦權邊界、成礦母巖邊界疊置在IKONOS假彩色合成圖像上，進行濃縮池、溜井、稀有金屬采礦廠、高嶺土采礦區、尾礦庫、廢石場和廠房等7種地物的遙感解譯，解譯結果如圖2所示。

圖2基于IKONOS假彩色合成圖像的礦區地物信息解譯結果

Fig.2RemotesensinginterpretationresultsbasedonIKONOSpseudocolorcompositionimage

從圖2可以看出，目前宜春414開采主礦體銀子嶺、工人村等位于采礦權范圍之內； 在采礦權范圍之外有幾塊開采痕跡，經過野外調研，礦權范圍外的幾塊開采痕跡不是稀有金屬采礦區，為高嶺土采礦區。因高嶺土采礦區與稀有金屬采礦區的成礦母巖一致，因而它們的影像具有相似的色調特征。經過野外調研及圖像分析，因高嶺土采礦區主要開采的風化殼土質比較細膩，而稀有金屬開采區主要是對堿性基巖進行開采(圖3)，故兩者的巖石粗糙度有一定差異，可以通過紋理特征將二者區分。

(a) 稀有金屬采場 (b) 高嶺土采場

圖3稀有金屬采場與高嶺土采場野外照片

Fig.3Fieldphotoofraremetalmineandkaolinitemine

圖4(a)和(c)分別為高嶺土采礦區與稀有金屬采礦區的IKONOS全色波段圖像，對其進行邊緣檢測，結果如圖4(b)和(d)所示。稀有金屬采礦區與高嶺土采礦區相比，紋理信息較豐富。通過與地質資料的對比分析，認為該地區稀有金屬的主要成礦母巖為雅山巖體(圖2中玫瑰紅色的巖體邊界)，目前稀有金屬開采主要集中在雅山巖體內。對其周邊巖體進行分析，發現此類型巖體在周邊地區分布較少，故稀有金屬非法開采的概率相對較小(從圖2可以發現，僅有小規模越界開采存在)。

(a) 高嶺土礦區圖像(b) (a)的邊緣檢測結果(c) 稀有金屬礦區圖像(d) (c)的邊緣檢測結果

圖4IKONOS全色圖像及其邊緣檢測結果

Fig.4PanchromaticimagesofIKONOSandtheiredgedetectionresults

對礦區內各類地物的占地情況進行了分析和面積測算，結果如圖5所示，其中采礦場1.223 km2，廠房0.273 km2，廢石場0.154 km2，高嶺土開采區0.732 km2，溜井0.001 km2，濃縮池0.009 km2，尾礦庫0.11 km2。

圖5 宜春414稀有金屬礦山礦區地物占地統計結果

3 礦山地質災害遙感監測

根據野外調研，目前宜春414礦主要的礦山環境問題是存在廢石堆放場引發的次生滑坡，特別是在工人村礦段。將ZY-3衛星前視與后視數據生成的DEM應用于融合后的ZY-3衛星B3(R)，B4(G)，B1(B)假彩色合成圖像，生成礦區三維視圖(圖6)，從視圖上可以準確地圈出工人村礦段的滑坡。與野外照片(圖7)對比分析，該礦區次生滑坡較為嚴重，滑坡整體位于工人村礦段的南側，面積達60 000 m2。

圖6 基于ZY-3衛星數據的宜春414礦區三維視圖

圖7 工人村礦段滑坡野外照片

4 遙感數據對比分析

4.1 對稀有礦山典型地物類型的識別能力

地物識別能力的強弱是遙感數據信息量多寡的一種反映。信息量主要取決于傳感器的光譜分辨率及空間分辨率。不同平臺遙感數據的比較主要可從地物邊界的可圈定能力和地物內部細節的反映能力2個方面考慮。這2種能力直接影響監測幾何精度和對礦山開發狀況的判定[15]。如上文前述，該稀有礦區的主要地物類型包括濃縮池、溜井、采礦場、尾礦庫、廢石場和廠房等，其中濃縮池和溜井為其開采的典型識別標志。本文為了比較所采用的3種遙感數據的地物識別能力，分別先將3種數據的全色及多光譜數據在ENVI處理軟件中進行Gram-Schmidt融合，再對融合后數據進行比較。IKONOS數據的最佳波段選擇為B3, B4和B1，分別對應紅、近紅外和藍波段； WorldView2數據對應的波段分別為B5, B7和B2； ZY-3數據對應的波段為B3, B4和B1。從空間分辨率來看，WorldView2 融合圖像的分辨率為0.5 m， IKONOS 融合圖像的分辨率為1 m，ZY-3融合圖像的分辨率為2.1 m。因此，在理論上WorldView2 融合圖像具有最高的分辨率，對地物的識別能力最強。

對3種圖像的目視識別效果進行對比(表3)，結果表明： WorldView2,IKONOS和ZY-3數據對濃縮池、采礦場、廢石場和廠房的邊界及內部的細節均有良好的影像顯示； 針對溜井和尾礦庫等的內部細節，WorldView2圖像顯示效果最好，ZY-3圖像顯示較差。但是從礦山監測的需求而言，這3種數據對稀有礦山典型地物均有良好的識別效果，故在區域性大面積監測中，可推廣ZY-3國產衛星數據的應用。

表3 基于3種數據融合圖像的稀有礦山典型地物類型識別能力對比

4.2 對高嶺土礦與稀有礦的區分能力

因在宜春稀有礦山采礦權邊界之外有一些高嶺土采場，其基巖與稀有礦山的相似，在遙感圖像中與稀有礦山采場的色調較為接近，容易混淆，故本文對3種數據在高嶺土與稀有礦山采場的區別能力方面進行了初步探討。根據前文中IKONOS數據在區分這2種礦山中的應用，盡管2種礦床的基巖相同，但因高嶺土開采的是風化殼，紋理較為細膩； 而稀有礦山開采的是基巖，紋理較為粗糙； 故通過對比圖像中的紋理特征，可以區分高嶺土礦山與稀有礦山。通過對高嶺土與稀有礦山在3種數據融合圖像中的影像特征對比(表4)，可見WorldView2和IKONOS這2種數據對地物內部細節顯示較好，能夠反映高嶺土礦區與稀有礦區的紋理差異，進而將2種礦床區分； 而ZY-3號數據對地物內部細節識別較差，對這2種礦床較難區分。

表4 3種數據融合圖像中高嶺土礦區與稀有礦區采場的影像特征

5 結論與建議

5.1 結論

本文利用高分遙感技術開展了江西宜春414稀有礦山監測示范研究，為我國稀有礦山遙感監測提供了應用參考。研究成果主要包括3個方面：

1)以IKONOS衛星數據為主要信息源，通過圖像處理及分析，建立了稀有礦山主要地物類型的解譯標志； 結合礦權資料，分析了稀有礦山開采現狀； 根據遙感圖像紋理特征，區分了稀有礦和周邊較易混淆的高嶺土礦的開發狀況。

2)針對宜春414稀有礦山開采過程中的存在的主要地質環境問題——次生滑坡，通過對ZY-3號遙感數據前后視處理和提取DEM建立的三維模型分析，圈定了滑坡的范圍，并計算了滑坡體的面積，

3)對比分析了WorldView2,ZY-3和IKONOS這3種衛星數據在稀有礦山監測中的應用效果。

5.2 建議

雖然本文在基于高分遙感數據的稀有礦山監測研究中取得了一些初步結果，但是還需要由表及里，層層深入。今后遙感技術在稀有礦山監測方面的研究主要應注重2個方面：

1)目前對于國產數據在稀有礦產開發及礦山環境遙感調查等方面的推廣應用較為薄弱。本文的研究表明，國產衛星數據在稀有礦山監測領域可以發揮重要作用，而且目前我國自主研發的對地觀測衛星已達幾十顆(如GF-2,GF-1,ZY-3,TH-1和ZY-1 02C等)，其數據質量高、價格低、時效性強等優勢使得加強國產衛星數據在稀有礦山動態監測中的應用是未來趨勢。

2)稀有礦山的戰略地位已經日益引起各國重視，未來研究應該以點帶面，在全國范圍開展稀有礦山遙感監測工作，系統了解和掌握稀有礦山的開發狀況，對我國稀有礦山的開發利用及資源儲備提出合理的對策和建議。

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(責任編輯：劉心季)

Investigationofraremetalmineusinghighresolutionremotesensingdata：AcasestudyofNo.414raremetalmineinYichun,JiangxiProvince

DAI Jingjing1， WANG Denghong1， WU Yanan2

(1.MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,CAGS，Beijing100037，China；2.FacultyofEarthSciences，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China)

The investigation of rare metal mine is very important due to its strategic position in recent years. In this paper, the investigation of the No. 414 superlarge rare metal mine (tantalum, niobium, lithium) in Yichun of Jiangxi Province was conducted using the satellite remote sensing data of ZY-3, IKONOS and Worldview-2. Firstly, the interpretation keys of each feature in the mine were built, and the mining situation was delineated with the help of the mining right data and geological rock data. Then, the difference between rare metal mining and kaolinite mining was studied using texture information on the image. Finally, the landslide of the mine was estimated using the three-dimensional representation of the ZY-3 satellite data, and the application comparison of the three kinds of satellite data was analyzed. The results show that high resolution remote sensing processing can provide a good method for quick and accurate mining status investigation and geological environmental analysis of rare metal mines，thus having further popularization and application value.

high resolution remote sensing data； rare metal mine； mining status investigation； geologic environmental monitoring

10.6046/gtzyyg.2017.03.15

代晶晶,王登紅,吳亞楠.基于高分遙感數據的稀有礦山監測——以江西宜春414稀有礦山為例[J].國土資源遙感,2017,29(3)：104-110.(Dai J J,Wang D H,Wu Y N.Investigation of rare metal mine using high resolution remote sensing data：A case study of No. 414 rare metal mine in Yichun, Jiangxi Province[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：104-110.)

2015-12-22；

2016-03-09

中國地質調查局地質調查項目“南方稀土礦產開發環境問題遙感調查”(編號： 12120115059501)和國家自然科學基金項目“基于反射波譜吸收深度的溶液中稀土濃度定量評估研究”(編號： 41402292)共同資助。

代晶晶(1982-),女,博士,副研究員,主要從事遙感地質研究。Email： daijingjing863@sina.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0104-07