基于IKONOS數據的贛南離子吸附型稀土礦非法開采監測研究

代晶晶, 王瑞江, 王登紅, 陳鄭輝

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

基于IKONOS數據的贛南離子吸附型稀土礦非法開采監測研究

代晶晶, 王瑞江, 王登紅, 陳鄭輝

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

隨著稀土價值的不斷攀升, 稀土資源亂采濫挖現象日益嚴重, 如何快速準確地進行稀土礦山非法開采監測成為相關政府部門管理的重中之重, 高空間分辨率遙感技術為解決上述問題提供了思路。本文選取贛南尋烏地區離子吸附型稀土礦區為研究區, 運用IKONOS遙感數據結合礦權資料建立了離子吸附型稀土礦山非法開采解譯標志, 結合地質巖體資料分析了稀土礦山開采重點監測區域。研究表明高空間分辨率遙感數據處理與分析為離子吸附型稀土礦礦山非法開采快速、準確、動態監測提供了良好的技術手段。

高空間分辨率; 遙感數據; 離子吸附型稀土礦; 非法開采監測

離子吸附型稀土礦是1969年在我國江西首次發現的一種新型稀土礦, 該礦具有分布廣、儲量豐富、放射性低、稀土配分齊全, 富含中重稀土元素等優勢, 是我國目前特有的稀土礦產資源, 也是世界上稀缺的礦種, 廣泛分布在我國南方的江西、福建、湖南、廣東、廣西等省, 其中江西省所占份額最大(池汝安等, 2006)。近年來, 由于對稀土資源需求量的不斷增加和稀土價值的不斷攀升, 致使稀土礦區開采規模擴大, 一些不法商人或單位為謀取暴利, 超出礦權范圍違法開采稀土礦。因此,如何快速、有效、動態地監測離子吸附型稀土礦山非法開采活動成為一個重要的科學和社會問題。

贛南離子吸附型稀土礦山分布于崇山峻嶺之中, 交通不便, 如果使用普通監控手段不但費時費力, 而且工作效率很低, 礦山管理的難度較大。遙感技術作為一種新技術手段, 可以實時、快速、準確地提取地表及淺地表信息(王海平等, 2005; 楊金香等, 2010; 閆立娟等, 2012; 代晶晶等, 2012), 可以彌補以往礦山環境調查中人工采集信息的時效性差、采集范圍有限和采集信息的地方保護等不足。特別是近年來高空間分辨率遙感衛星得到了長足的發展, 商用衛星的分辨率高達 0.5 m左右, 使得地物識別能力大大增強(凌春麗等, 2010; 李思發等,2011; 孟丹等, 2011; 南竣祥等, 2012; 郝利娜等,2012), 空間分辨率的提高為稀土礦山非法開采監測提供了良好的數據保障。

前人運用遙感技術對稀土礦山開采現狀監測進行了相關研究工作(王瑜玲等, 2006; 王瑜玲,2007; 王平等, 2007; 王陶等, 2009), 但是對于離子吸附型稀土礦區非法開采解譯標志尚無深入研究, 僅僅是對稀土礦區地物類型進行了簡單的分類和統計。本文采用 IKONOS高空間分辨率遙感數據, 以贛南尋烏地區離子吸附型稀土礦山為例,開展稀土礦山非法開采解譯標志的進一步研究,區分出了圖像獲取時間正在非法開采的圖斑和圖像獲取時間之前非法開采遺留的圖斑兩類疑似違法圖斑, 并結合地質巖體信息分析了今后需要重點監測的區域。這一研究揭示了高空間分辨率遙感技術在離子吸附型稀土礦山非法開采監測中的應用潛力, 同時研究結果可以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等提供技術支持和決策依據。

1 贛南離子吸附型稀土礦山開采方式

在離子吸附型稀土礦的開采史上, 共采用過3種開采方式: 池浸法、就地堆浸法和原地浸礦法。池浸法是最早使用的一種開采方式, 即把含有稀土的土壤運到固定的浸礦池, 沉浸 24小時后, 再回收液體, 沉淀出稀土元素。就地堆浸工藝開采方式在原理上與池浸法基本相同, 只是在含有稀土礦的地區開采后, 就地堆砌堆浸場, 進行稀土礦提取。原地浸礦法是在不破壞礦體地表植被, 不開挖表土與礦體的情況下, 布置井網, 利用一系列淺井(即注液井)將電解質溶液直接注入礦體, 電解質溶液中的陽離子將吸附在稀土礦物表面的稀土離子交換解析下來, 形成稀土母液, 然后收集浸出母液在沉淀池中回收稀土(趙靖等, 2001; 高志強等, 2011)。目前南方離子型稀土礦開采方式中池浸法、就地堆浸法基本被廢棄, 主要開采方式為原地浸礦法(池汝安等, 2007; 祝怡斌等, 2011)。這三種開采方式均為地表開采, 開采過程均會在地表留下痕跡, 故運用高空間分辨率遙感技術可以對礦山開采現狀進行監測。

2 研究區概況及數據源簡介

本文選擇的研究區位于贛南尋烏地區, 尋烏地處江西東南端, 地理位置如圖1所示。所用IKONOS數據拍攝時間為2011年7月24日。IKONOS衛星于1999年9月24日發射成功, 是世界上第一顆提供高分辨率衛星影像的商業遙感衛星。高度為681 km, 軌道傾角98.1°, 太陽同步準回歸軌道, 重訪周期為 3天, 它共有 5個工作波段, 多光譜波段空間分辨率為4 m, 全色波段空間分辨率達到1 m,成像幅寬為11 km × 11 km, 各波段具體技術參數如表1所示(宋剛賢等, 2009; 丁麗等, 2010)。

3 IKONOS圖像處理

圖1 研究區地理位置圖Fig. 1 Location of the study area

表1 IKONOS各波段技術參數表Table 1 Parameters of various bands of IKONOS

表2 IKONOS數據各波段相關性Table 2 Correlation of various bands of IKONOS

表3 尋烏地區稀土礦山各種地物解譯標志(以IKONOS 341波段組合圖像為例)Table 3 Interpretation key of various objects of rare earth ore in Xunwu area(with color composition of IKONOS 341 bands as an example)

圖2 尋烏地區疑似違法圖斑遙感解譯圖(以IKONOS341波段彩色合成圖為例)Fig. 2 Remote sensing interpretation of suspected unauthorized mining area in Xunwu(with color composition of IKONOS 341 bands as an example)

IKONOS圖像處理主要包括幾何校正、數據融合及最佳波段選擇。幾何校正的步驟是多光譜波段基于Google Earth參考選取控制點進行多項式法幾何校正, 全色波段基于校正后的多光譜波段進行多項式法幾何校正。多光譜與全色波段圖像融合的方法主要包括主成分變換、乘積變換、Gram-schmidt變換和小波變換等, 通過 ENVI遙感圖像處理軟件進行處理, 最后選用目視效果最好的Gram-schmidt變換結果。基于融合后結果, 采用分析各波段的相關系數矩陣來決定波段的最佳組合方式(趙英時, 2003)。從波段相關性來看(表 2),2波段和 1波段、3波段的相關性都較大, 而 3波段和 4波段相關性較小, 而且從單波段影像上可以發現 2波段和 1波段圖像整體亮度值偏低,地物反差較小, 在1波段上泥沙中的酸性液體反射較高。3波段上泥沙、礦區反射都很高, 地物反差較大, 各種地物易識別和區分。4波段上植被反射高, 所以圖像整體偏亮。為了提取豐富的地物信息,選取3、4、1波段分別賦予紅綠藍進行假彩色合成(圖 2)。

圖3 尋烏地區稀土礦山各種地物圖像特征Fig. 3 Image characteristics of various objects in Xunwu area

圖4 違法圖斑的判定及野外調研圖片Fig. 4 Determination of unauthorized mining area and photographs of field survey

4 礦權數據及地質巖體信息的疊加及分析

4.1 稀土礦山基本地物類型解譯標志的建立

圖像信息和地物的地表特征二者間的內在聯系可通過解譯標志有效地聯系起來。任何可視地物要素在其遙感影像上都具有一定的光譜特征、幾何特征及其它輔助特征。其中光譜特征在視覺上最直觀的反映就是色調, 幾何特征在視覺上最直觀的反映就是形狀, 其它輔助特征在視覺上的直觀反映有陰影、紋理及影像結構。所謂影像特征分析就是從色調、形狀、陰影、紋理及影像結構等方面對提取的可視地物要素進行影像的定性分析。通過對這些地物要素影像的定性分析, 總結、歸納出這些地物要素各自所具有的影像特征, 以此作為這些地物要素的解譯標志和依據(王曉紅等, 2004), 并通過野外實地驗證和修改。研究區內地物類型多樣, 通過研究收集的的資料、野外踏勘, 以及對IKONOS圖像341波段究收集彩色合成后, 綜合分析影響解譯要素, 可以建立稀土礦山基本地物類型解譯標志, 主要包括尾砂區、高位池、晾曬坪、沉淀池(浸液池)、建筑物等(表3, 圖3)。

圖5 礦權及巖體信息疊加圖Fig. 5 Stacking chart of mining right data and geological rock masses data

4.2 疑似違法圖斑的圈定

基于稀土礦山基本地物類型解譯標志, 可以進一步圈定疑似違法圖斑。尋烏地區擁有礦權的礦區主要包括上甲園墩背、南橋下廖、石排涵水、上甲柯樹塘、原礦生產、雙茶亭共計6個礦區。在ArcGIS軟件中, 將IKONOS遙感數據與尋烏地區礦區礦權邊界疊加分析, 發現在礦權邊界以外存在多處稀土礦山地物特征的區域, 共圈定了 21個疑似違法圖斑區域(圖2)。

4.3 非法開采解譯標志的建立

圖2圈定的疑似違法圖斑主要包括兩種: (1)之前存在非法開采活動遺留的疑似違法圖斑, 但是在圖像獲取時間非法開采活動已停止; (2)在圖像獲取時間非法開采活動還在進行。根據這兩種情況, 分別可以建立相應的非法開采解譯標志。區分這兩種疑似違法圖斑的判斷依據主要為觀察圖像上沉淀池(浸液池)及礦區周邊河流的顏色, 如果圖像上沉淀池(浸液池)及礦區周邊河流的顏色同正常水體相比存在異常, 則判定此礦區圖像獲取時間非法開采活動還在進行; 如果圖像上沉淀池(浸液池)及礦區周邊河流的顏色同正常水體相比基本無變化, 則判定此礦區圖像獲取時間無非法開采活動。主要原因是化學藥劑的加入及浸液對周邊河流的污染,使得沉淀池(浸液池)及礦區周邊河流的顏色和正常水體的顏色存在著很大的差異, 在 IKONOS 341彩色合成圖像上正常水體呈藍黑色, 而加入了化學藥劑的水體顏色呈現出粉色、紫紅色特征。如果礦山正在生產, 則沉淀池(浸液池)及礦區周邊河流的顏色存在異常; 而如果長期處于停產狀態, 由于南方雨水的淋濾, 沉淀池中化學藥劑的濃度較低, 基本和正常水體顏色接近。基于此認識,我們對其中的一些圖斑進行了野外調研, 可見上述結論是可行的(圖4)。

圖6 預警區域提取結果圖Fig. 6 Extraction result image of warning areas

4.4 地質巖體信息的疊加與分析

因贛南離子吸附型稀土礦主要分布在中酸性花崗巖及火山巖體中(張祖海, 1990; 池汝安等, 1995;于揚等, 2012), 故地質巖體信息在研究過程中十分重要。在ArcGIS軟件中將1:5萬地質圖中巖體信息與礦權數據疊加(圖 5), 可見目前稀土礦開采區域主要位于地質巖體信息之中, 整體上符合地質規律,但是在開采區域的外圍巖體中還存在多處未開采痕跡, 這些未開采的區域一方面可以作為今后離子吸附型稀土礦預測的依據, 另外可以作為今后相關政府管理部門需要重點監測的區域, 即預警區域。預警區域提取的思路為: 首先在ENVI遙感圖像處理軟件中運用監督分類方法提取圖像上稀土礦開采區域, 然后在ArcGIS軟件中將巖體信息和開采區區域信息進行疊加相減操作, 可以快速得到預警區域范圍, 如圖6所示。

5 結論

本文通過運用 IKONOS遙感數據在贛南離子吸附型稀土礦區進行非法開采監測示范研究, 根據礦權信息與圖像的疊加分析, 可以圈定疑似違法圖斑, 根據礦區浸液池沉淀池和礦區周邊河流中的顏色可以進一步確定是否處于非法開采狀態。根據地質圖中巖體信息與礦權數據疊加分析, 可以圈定今后應該重點監測的區域。但是目前研究中也存在一些問題, 主要包括: 1)離子吸附型稀土礦主要分布在南方地區, 由于南方多云多雨的氣候特征, 高空間分辨率遙感數據的獲取存在一定困難, 建議每年的 11月份到次年的 3月份進行數據獲取, 也建議開展雷達數據在稀土礦山監測的應用研究, 以彌補光學數據受天氣影響的局限性。2)由于高空間分辨率遙感數據購買價格較高, 應加強國產衛星如中巴資源 02C星、資源3號衛星在稀土礦山開采監測中的應用研究。

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The Investigation of Unauthorized Mining of Ion-absorbed Rare Earth Ore Deposits in South Jiangxi Province Based on IKONOS Data

DAI Jing-jing, WANG Rui-jiang, WANG Deng-hong, CHEN Zheng-hui
MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037

Unauthorized mining of ion-absorbed rare earth ore deposits have become more and more serious with the rising of the price of rare earth. The quick and accurate investigation of unauthorized mining has thus become government administrators’ major concern. High resolution remote sensing technology provides an idea for solving this problem. In this paper, ion-absorbed rare earth ore district in Xunwu area of south Jiangxi was selected as the study area, and IKONOS remote sensing data was used for investigation. The interpretation criteria were built with the help of the mining right data, and the vital monitoring areas were mentioned using the geological rock mass data. The results indicate that high resolution remote sensing processing can provide a good method for quick, accurate and dynamic investigation of ion-absorbed rare earth ore deposits.

high resolution; remote sensing data; ion-absorbed rare earth ore; unauthorized mining investigation

P627; P618.4

A

10.3975/cagsb.2014.04.13

本文由中國地質調查局地質大調查項目“我國三稀資源戰略調查研究”(編號: 1212011220804)、“華東地區礦山遙感調查與監測”(編號: 1212011220064)和中央級公益性科研院所基本科研業務費專項基金(編號: K1315)聯合資助。

2013-06-03; 改回日期: 2013-08-14。責任編輯: 魏樂軍。

代晶晶, 女, 1982年生。副研究員。現主要從事遙感地質找礦及礦山監測研究工作。通訊地址: 100037, 北京市西城區百萬莊大街26號。電話: 010-68999055。E-mail: daijingjing863@sina.com。