高分二號遙感影像在大碑頭廢棄礦山治理動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

曹培國

（山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250002）

1 引言

生態(tài)建設(shè)是當(dāng)今社會發(fā)展的要求，習(xí)近平總書記從生態(tài)文明建設(shè)的宏觀視野提出了“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的理念。礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理越來越受到人們重視，原國土資源部先后發(fā)布實(shí)施了《全國礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理規(guī)劃》《全國“礦山復(fù)綠”行動方案》《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)規(guī)定》修正版等規(guī)章和行動方案，旨在推動礦山環(huán)境恢復(fù)治理重點(diǎn)工程。

目前，各地礦山治理監(jiān)督力量薄弱，信息獲取現(xiàn)勢性和時(shí)效性差，礦山開采點(diǎn)多面廣，缺少適時(shí)、客觀的數(shù)據(jù)，難以對礦山資源的環(huán)境保護(hù)與開發(fā)利用實(shí)施更為有效的監(jiān)管[1-3]。因此，亟須對礦山開采及治理情況實(shí)施動態(tài)監(jiān)測，通過適時(shí)獲取客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為礦產(chǎn)資源規(guī)劃、可持續(xù)開發(fā)與利用、礦區(qū)綜合整治等提供技術(shù)支撐及決策依據(jù)。本文利用遙感技術(shù)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究、動態(tài)監(jiān)測，全面掌握礦區(qū)礦山環(huán)境現(xiàn)狀，有效指導(dǎo)礦山環(huán)境保護(hù)工作和規(guī)劃實(shí)施礦山環(huán)境問題防治工程，對實(shí)施礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 研究區(qū)概況

大碑頭廢棄礦山位于福建省漳州市大碑頭村北部，地處北緯24°31′57″～24°32′32″，東經(jīng)117°49′04″～117°49′45″。礦區(qū)以花崗巖開采為主，經(jīng)過長期亂開濫采后，留下了大量采石廢棄坑和礦渣堆砌地，對當(dāng)?shù)赝恋亍⑺础⒌刭|(zhì)地貌造成了重大破壞，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣裆踩虼耍瑢U棄礦山進(jìn)行治理并開展環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測十分必要。研究區(qū)廢棄礦山治理影像如圖1 所示。

圖1 大碑頭廢棄礦山GF-2影像

3 遙感動態(tài)監(jiān)測原理及高分二號衛(wèi)星介紹

3.1 遙感動態(tài)監(jiān)測原理

礦山遙感動態(tài)監(jiān)測原理是基于同一區(qū)域不同時(shí)間段的圖像存在光譜特征差異，識別礦山土地覆蓋和生態(tài)環(huán)境的狀態(tài)或變化過程。其本質(zhì)是對圖像系列時(shí)域效果進(jìn)行量化，通過量化多時(shí)相遙感圖像空間域、時(shí)間域、光譜域的耦合特征[4]，獲得礦區(qū)開采破壞狀況、土地覆蓋、生態(tài)環(huán)境變化等內(nèi)容。礦產(chǎn)資源動態(tài)監(jiān)測包括礦產(chǎn)開發(fā)點(diǎn)的位置、分布、礦種、數(shù)量、開采方式 ；礦產(chǎn)開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害分布情況；固體廢棄物堆放情況；礦產(chǎn)開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，如影響土地覆蓋變化、耕地和植被破壞及生態(tài)治理、復(fù)墾等[5]。

3.2 高分二號衛(wèi)星介紹

高分二號衛(wèi)星是空間分辨率優(yōu)于1m 的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，載有兩臺高分辨率1m 全色、4m 多光譜相機(jī)，具有亞米級空間分辨率、高定位精度、快速姿態(tài)機(jī)動能力等特點(diǎn)，有效提升了衛(wèi)星綜合觀測效能。高分二號衛(wèi)星參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 高分二號衛(wèi)星參數(shù)指標(biāo)

由于大碑頭廢棄礦山治理項(xiàng)目對采集數(shù)據(jù)精度和時(shí)間進(jìn)度要求比較高，因此要選擇具有高空間分辨率、高精度、高時(shí)間分辨率、光譜特征明顯等特點(diǎn)的高分二號進(jìn)行監(jiān)測。由于不同類別圖斑色彩和紋理相似，或同類別圖斑色彩和紋理不相似，圖斑分類判讀時(shí)模糊不定。同時(shí)，衛(wèi)星空間分辨率的大小影響小圖斑的識別，一些自然地貌和人類活動會導(dǎo)致圖斑誤判。因此，采集過程中應(yīng)提高圖斑分類判讀精度，減少小圖斑的遺漏和誤判，提高監(jiān)測精度。

4 遙感動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)路線

遙感技術(shù)具有多時(shí)相、多波段、多點(diǎn)位、多高度獲取和多次增強(qiáng)信息處理的特征[6]，是礦山開采動態(tài)監(jiān)測的有效技術(shù)手段。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，GF-2、IKONOS、QuickBird 等高分辨率影像可以監(jiān)測到尺度更小的地表特征及其變化，被廣泛用于礦山環(huán)境監(jiān)測中[7]。本文通過分析前人研究成果，參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范，綜合遙感影像、采礦權(quán)、地質(zhì)礦產(chǎn)圖等多源信息，借助人機(jī)交互目視解譯方法，提取試驗(yàn)區(qū)GF-2 三個(gè)時(shí)相的遙感信息，作為各個(gè)監(jiān)測周期（每一監(jiān)測周期為一輪次）的影像數(shù)據(jù)源，并分別對這三個(gè)監(jiān)測周期的衛(wèi)星影像進(jìn)行了輻射校正、幾何校正，滿足精度后進(jìn)行影像融合、正射校正、鑲嵌裁切。在GIS 平臺上實(shí)現(xiàn)RS、采礦權(quán)、地質(zhì)等數(shù)據(jù)與礦山治理專題信息的疊加、分析和評價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)礦山治理動態(tài)監(jiān)測。礦山治理動態(tài)監(jiān)測技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 礦山治理動態(tài)監(jiān)測技術(shù)路線

4.1 目視解譯采集礦區(qū)各破壞區(qū)域并建立解譯標(biāo)志

在第一輪次衛(wèi)星正射影像上采用人機(jī)交互解譯的方法采集露天采場坑底區(qū)、露天采場邊坡區(qū)、礦山道路區(qū)、工業(yè)廣場區(qū)、渣堆區(qū)，經(jīng)外業(yè)確認(rèn)核實(shí)后，確定其位置、屬性和范圍，并建立解譯標(biāo)志。大碑頭廢棄礦山現(xiàn)狀調(diào)查圖如圖3 所示。

圖3 大碑頭廢棄礦山現(xiàn)狀調(diào)查圖

4.2 確定修復(fù)方案并建立修復(fù)后解譯標(biāo)志

針對破壞區(qū)域，綜合考慮礦區(qū)地形地貌、土地、水文等因素，確定各個(gè)區(qū)域修復(fù)工程方案，針對修復(fù)后的類型反推遙感影像的紋理特征、建立修復(fù)后同一區(qū)域的影像解譯標(biāo)志，如人工植被綠化、塌陷地復(fù)墾等解譯標(biāo)志。礦山工程治理措施如表2 所示。

4.3 施工治理后變化信息的提取

依據(jù)同一區(qū)域不同時(shí)相的影像特征，進(jìn)行變化信息的采集分析，確定工程進(jìn)度，確保最終治理工程的順利完工。

表2 礦山工程治理措施

4.3.1 變化信息提取方法

變化信息提取的主要方法包括差異主成分法、多波段主成分分析法、主成分差異法、光譜特征變異法。其中，差異主成分法、多波段主成分分析法、主成分差異法合稱為主成分分析法[8]。

（1）差異主成分法 ：通過對兩時(shí)相的影像進(jìn)行糾正、配準(zhǔn)融合及精確的空間疊置，影像取差作絕對值處理，從而得到一個(gè)差值影像。通過差值影像作PCA變換的第一分量集中了原兩時(shí)相影像的主要差異信息。提取該分量的變化信息，生成變化模板，作為后期變化類型和邊界確定的參考信息。

（2）多波段主成分變換：將前后時(shí)相的多光譜影像與全色影像組合成一個(gè)影像文件，對其進(jìn)行主成分變換。由于變換結(jié)果前幾個(gè)分量集中了兩個(gè)影像的主要信息，而后幾個(gè)分量則反映了兩影像的差別信息，因此可抽取后幾個(gè)分量進(jìn)行波段組合來產(chǎn)生變化信息。

（3）主成分差異法：通過兩時(shí)相的影像PCA 變換作差值，取差值的絕對值作為處理結(jié)果。

（4）光譜特征變異法：兩時(shí)相影像融合后不一致的信息光譜與正常地物有所差別，采用兩時(shí)相高分二號影像數(shù)據(jù)進(jìn)行直接融合運(yùn)算，通過變化區(qū)域影像特征呈現(xiàn)的特殊重影得到光譜特征變異的變化信息。

4.3.2 提取變化信息建立動態(tài)監(jiān)測

通過大碑頭礦山治理前現(xiàn)狀、施工中進(jìn)度變化、治理后效果展示三個(gè)不同時(shí)段衛(wèi)星影像信息的提取，結(jié)合野外調(diào)查得出治理前后的面積變化，如表3 所示。

表3 修復(fù)前后治理區(qū)域面積對比

此外，通過礦區(qū)變化的監(jiān)測成果與關(guān)停礦區(qū)的范圍，對礦區(qū)整頓恢復(fù)分析進(jìn)行對比，如圖4 所示，為礦區(qū)整改管理提供客觀數(shù)據(jù)支撐。

圖4 礦區(qū)整頓局部植被恢復(fù)分析

5 結(jié)論

利用不同時(shí)段高分二號影像數(shù)據(jù)進(jìn)行廢棄礦山治理的動態(tài)監(jiān)測，與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、用時(shí)較短、反饋迅速、節(jié)約人力，能夠較好反映礦區(qū)的破壞現(xiàn)狀、變化情況、施工進(jìn)度及修復(fù)效果等，為合理開發(fā)礦產(chǎn)資源、開展礦山環(huán)境綜合整治、礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)問題“早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早整治”。