錫林郭勒草原礦山地質環境治理基礎數據資料提取方法研究

李錦華

（山西錦明科技有限公司，山西 臨汾 041000）

0.引言

錫林郭勒草原礦區位于錫林郭勒盟東部大興安嶺南段西坡，地處遼闊草原腹部。解譯區為白音華礦區，位于錫林郭勒草原東部西烏珠穆沁旗東北部。白音華礦區為正在生產的中型煤礦，開采方式主要為露天開采。造成的環境地質問題主要有采場、廢渣堆、排土場等的占地，造成土地資源浪費、水土流失等，亟需掌握白音華礦區地質環境現狀。

本文以相關標準、規范為依據，采用多時相高分辨率衛星遙感數據，以室內解譯為主、野外調查驗證為輔的方法提取錫林郭勒草原礦山地質環境動態變化信息，綜合分析研究礦山地質環境動態變化特點，最終形成遙感解譯報告，為礦區地質環境治理提供基礎數據資料。

1.衛星遙感影像處理

衛星遙感影像數據處理流程主要包括區域網平差、正射校正、影像融合、影像鑲嵌、影像分幅等，具體工作流程（如圖1 所示）：

圖1 遙感數據處理工作流程圖

1.1 區域網平差與正射校正

在進行區域網平差時，首先，通過在衛片上選取一些地面控制點，并利用原來已經獲取的該衛片范圍內的數字高程模型（DEM）數據，進行有理函數的區域網整體平差，得到精化后的RPC。對經過區域網平差的全色影像和多光譜影像利用精化后的有理多項式及DEM 進行正射校正，從而提高校正精度。影像區域網平差和正射校正處理流程（如圖2 所示）：

圖2 區域網平差和正射校正流程圖

1.2 數據融合

本項目主要采用HPF 法進行全色和多光譜的數據融合。HPF 方法與其他融合方法相比，具有以下優點：

（1）HPF 變換法對光譜特征的扭曲較小，具有較好的空間分辨率。

（2）HPF 融合結果圖像，在細節上清晰度增強，能更好地保留影像的光譜特征。

（3）采用HPF 方法得到的合成影像，使采場、排土場、廢石堆、礦山建筑、固體廢棄物、尾礦庫等地物的邊緣規則、清晰。

1.3 影像鑲嵌

鑲嵌過程中，在相鄰兩個重疊區域內，按照一定的規則選擇。同時，為了能夠修正鑲嵌影像在拼接縫附近的灰度（或顏色），使之在接縫處的灰度（或顏色）有一個光滑的過渡，不產生突變效應，需要對兩幅影像的重疊區域做羽化處理，從而接邊線變得相當模糊，能夠很好地融入圖像中；為了避免由于鑲嵌圖像顏色不一致而影響鑲嵌的結果，采用顏色平衡的方法，以一幅圖像為基準，統計各鑲嵌圖像的直方圖，以整幅基準圖像或者重疊區域的直方圖為基準，采用直方圖匹配法匹配其他鑲嵌圖像，使得鑲嵌圖像具有相似的灰度特征。

2.遙感解譯

2.1 解譯原則

（1）從已知到未知，先易后難，先整體后局部，先宏觀后微觀的原則。

（2）盡可能采用多源、多時相、多分辨率的航天遙感數據進行綜合解譯。

（3）室內遙感解譯與野外調查相結合的原則，解譯初期通過野外實地踏勘，掌握解譯對象的野外特征及其影像特征，初步建立解譯對象的解譯標志。解譯過程中對難以判定的目標進行野外補充調查，并不斷完善解譯標志。在遙感解譯后期則要通過野外驗證來對各種因素造成的解譯偏差進行校對及糾錯，以保證項目成果的可信度。

（4）遙感信息與常規資料相結合的原則。

（5）遙感解譯以目視解譯、人機交互解譯為主，計算機自動識別提取為輔。

2.2 解譯方法

礦山遙感監測需要解譯的對象種類繁多，類型復雜，應遵循“從已知到未知、先易后難、逐步深入”的原則，充分利用各種分析推理方法進行解譯。常用的方法有：直接判讀法、歷史對比法、信息綜合法、綜合推理法、地理相關分析法。上述方法在具體工作中可結合實際情況靈活、綜合應用，在某一解譯過程中，某一方法可以占據主導地位。

2.3 解譯流程

2.3.1 熟悉資料、初步宏觀解譯及野外踏勘

2.3.2 詳細解譯

根據野外踏勘建立的解譯標志，分析不同地物的波譜特征，并將解譯對象在圖像上所顯示的波譜特征與光譜庫中的相應光譜曲線進行對比分析，依據影像的色調、形狀、大小、陰影、紋理、圖案、布局、位置等要素建立地物原型與影像模型之間的直接解譯標志，并運用相關分析法建立間接解譯標志。解譯手段，以目視解譯、人機交互解譯為主，對光譜特征獨特的地物用計算機自動提取的方式，兩者結合，對礦山地物類型、礦山地質災害及恢復治理工程等進行全面解譯，完善解譯標志。

2.4 影像特征

結合以往遙感解譯及實地驗證結果，本項目得到不同礦山地物的影像特征，現列舉如下：

2.4.1 露天采場

露天采場采坑道路發育，坑底作業形跡清晰，形態與周圍環境對比鮮明，易于判別（如圖3 所示）：

2.4.2 尾礦庫

尾礦庫一側成直線型，一般為壩體，一側為礦渣和水體，尾礦顏色明顯與周圍不同（如圖4 所示）：

圖3 露天采場影像特征（SPOT-5）

圖4 尾礦庫影像特征（高分一號）

圖5 煤矸石堆（左）及礦山恢復治理工程（右）影像特征（GeoEye-1）

2.4.3 煤矸石堆

煤礦區分布有多處大型煤矸石堆，在標準假彩色合成影像上與周圍地物色調差異明顯，在形態上呈現出明顯的倒錐形（如圖5-（左）所示）：

2.4.4 礦山環境恢復與治理工程

礦山環境恢復治理工程主要可分為排土場植被恢復和開采廢石再處理兩種類型。排土場植被恢復區域在影像上表現為人工紋理較強的綠地，與周圍天然植被區別明顯（如圖5-（右）所示）：

2.5 錫林郭勒草原礦區遙感影像解譯

2.5.1 礦山開發占地

分別解譯兩個不同年度錫林郭勒草原礦山的開發占地，包括采場、排土場、礦山建筑、固體廢棄物、尾礦庫等的分布位置、分布面積。對比分析錫林郭勒草原礦山開發占地變化情況。

2.5.2 礦山地質災害

分別解譯兩個不同年度錫林郭勒草原礦山的地質災害，具體包括地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等的分布位置、分布范圍、規模、發育特征和危害對象。

2.5.3 礦山環境恢復治理

分別解譯兩個不同年度錫林郭勒草原礦山的恢復治理工程和地質災害治理工程的分布位置、分布面積等，并綜合分析恢復治理效果。

3.動態監測

本項目對比分析不同時相遙感數據的解譯結果，分析研究各工作區礦山地質環境的動態變化監測。并運用多期遙感影像數據（或波段）的運算和操作（空間歐氏距離法、PCA、影像代數法和變化向量法等），實現工作區礦山地質環境的動態變化監測。

為了更形象的突出礦山地質環境、礦山地質災害、恢復治理工程的現狀信息，還以柱狀圖、餅狀圖等多種形式分析研究錫林郭勒草原礦山地質環境治理不同年度間面積的動態變化情況、恢復治理效果等。

4.結束語

本項目主要研究成果包括：

4.1 遙感影像圖

在對遙感數據進行處理的基礎上，按照錫林郭勒草原礦山分布的范圍，編制形成1∶10000 遙感影像圖。

4.2 遙感監測圖

對高分辨率遙感影像圖進行淡化處理，并以此為底圖，疊覆基準年的礦業占地圖斑、礦山地質災害圖斑及礦山地質環境、地質災害恢復治理工程圖斑，形成礦山地質環境遙感監測圖。

4.3 成果報告

在綜合分析內蒙古自治區錫林郭勒草原礦山各類地質資料、礦產資源的基礎上，結合遙感解譯結果，編制錫林郭勒草原礦山地質環境治理模式研究報告。

開展礦產資源集中開采區礦山地質環境動態監測工作，應用遙感技術、地理信息技術和全球定位技術，利用多種遙感平臺多種類、多時相遙感影像，然后在野外實地建立遙感解譯標志，對影像進行全面解譯分析，形成礦山地質環境遙感監測圖。最終查明集中開采區礦山地質環境現狀，掌握礦產資源開發引發的礦山地質環境問題，為今后連續開展礦山地質環境動態遙感監測奠定基礎，也為區域地質環境保護、礦山地質環境治理等提供基礎資料。