“資源一號”02C衛星高分影像在礦山開發監測中的應用研究

汪潔　荊青青　姚維嶺　李麗　王海慶

“資源一號”02C衛星高分影像在礦山開發監測中的應用研究

汪潔荊青青姚維嶺李麗王海慶

長期以來，在我國礦產資源開發多目標遙感調查與監測工作中，使用的高分辨率遙感數據多為IKONOS、SPOT-5、QuickBird、GeoEye等國外遙感數據源。隨著我國國產衛星的迅速崛起，以國產遙感影像為基底數據，生產各種融合影像產品專題等，以滿足各行業應用需求已成為必然趨勢。遙感影像處理軟件的日趨成熟和穩定加快推進了遙感影像在各個行業的應用。以江西省豐城-撫州煤鐵礦區為例，從影像糾正、合成及解譯和標志建立等方面，探討02C衛星影像數據在1∶5萬礦山開發遙感調查與監測工作中的應用，豐富1∶5萬礦山開發遙感調查與監測工作的遙感數據源類型，為礦山動態遙感監測提供省時有效實用的科學方法和技術支撐，使監測成果更具真實性和準確性。

“資源一號”02C衛星介紹

2011年12月22日，在太原衛星發射中心，我國用長征四號乙運載火箭成功地將“資源一號”02C衛星送上太空，填補了中國高分辨率遙感數據的空白。衛星重約2100 kg，設計壽命3年，搭載了兩臺2.36 m高分辨率相機和1臺5 ～10 m全色多光譜相機，幅寬分別達到54 km和60 km，能夠獲取全色和多光譜圖像數據，可廣泛應用于國土資源調查與監測、防災減災、農林水利和生態環境監測等領域。02C衛星軌道參數見表1，有效載荷指標見表2。

汪潔，工程師，2009年獲中國地質大學（武漢）碩士學位，此后在中國國土資源航空物探遙感中心從事礦產資源遙感調查及應用研究工作，熟悉礦產資源遙感調查的工作流程與技術方法，具有較扎實的理論基礎和較多的實踐經驗。先后負責或參與了“環渤海多金屬礦區遙感地質綜合調查”“全國礦產衛片執法遙感工作”“新疆準東地區礦產資源開發秩序應急調查”“江西省重點礦集區礦產資源開發調查與監測”“華東地區礦山環境監測”等項目近10項，發表論文多篇。

表1　02C衛星軌道參數

表2　ZY1 02C衛星有效載荷技術指標

研究區概況

豐城-撫州煤鐵礦區位于江西省中部，屬于泛鄱陽湖和撫河沖擊平原區。礦區內東、南、西三面環山，中部丘陵與河谷盆地相間。地勢南高北低，漸次向鄱陽湖平原地區傾斜。地貌以丘陵為主，山地、崗地和河谷平原次之。行政區劃涉及豐城市、臨川區、南城縣、宜黃縣、崇仁縣、新干縣、永豐縣、樂安縣和吉水縣，面積11338 km2。區內資源富饒，地下蘊藏煤、鎢、硒、花崗巖、石灰石和陶土等30多種礦產資源，其中煤、硒、鎢最為豐富。煤礦、鐵礦成為本工作區的主要經濟礦種。建筑石材類礦山開采方式均為露天開采，能源礦產均為地下開采。礦業經濟的飛速發展，礦產資源的科學開發利用，對當地經濟社會發展起到了巨大的推動作用。

遙感數據處理

用于本次研究的衛星遙感影像時相為2013年7月12日。工作區數據整體質量較好，局部區域有云層，但未覆蓋礦區，不影響解譯工作，滿足本次調查需求。為滿足礦產資源開發遙感調查與監測對遙感影像幾何精度要求高的需求，通過ENVI對02C衛星影像進行正射校正和影像融合處理，ArcGIS對影像進行幾何校正處理，處理結果符合工作要求。

正射校正

衛星影像高精度正射校正工作，依賴于大比例尺地形圖和高精度DEM基礎地理數據。本次采用了大比例尺（1∶5萬）數字地形圖以及衍生的DEM數據，影像正射校正采用ENVI軟件，對2.36 m全色高分辨率數據和10 m多光譜數據進行正射校正。通過采用該影像范圍內的DEM數據，對影像同時進行傾斜改正和投影差改正，從而獲得正射影像。在進行2.36 m全色高分辨率數據正射前，需先消除空間變換參數的影響。正射校正后的影像同時具有地形圖特性和影像特性，信息清晰、內容豐富，可作為GIS的數據源。圖1為豐城-撫州煤鐵礦區（局部）2.36 m全色高分辨率數據（HRC-高分辨率遙感數據）和10 m多光譜數據（MUX-多光譜數據）完成正射后的影像。

圖1　02C衛星遙感數據正射后影像

數據融合

“資源一號”02C衛星HRC影像地物邊界較清晰，建筑物紋理信息和層次較豐富。而MUX多光譜影像的地物邊界模糊，紋理較不清晰，但光譜信息較豐富。在數據處理過程中，將不同空間分辨率的全色與多光譜數據融合，從而使得影像既具有全色的高分辨率信息又保留多光譜豐富的光譜信息，融合后影像的空間分辨率有很大的提升，融合后的影像可以較好地顯示地物的紋理信息，能夠突出顯示細節。對比全色影像，彩色模式下的影像效果更有利于地物的判讀和識別，有利于建立解譯標志，減少判讀的不確定性。在遙感數據融合過程中，使用主成分分析方法，完成全色與多光譜數據的信息疊加。圖2為豐城-撫州煤鐵礦區（部分）2.36 m全色高分辨率數據和10 m多光譜數據融合后的影像。

圖2　融合后的影像

幾何校正

以1∶1萬精度的“2012年土地衛片執法調查成果數據”為基準數據，隨機且均勻選取32個控制點，將融合后的02C影像數據進行幾何精度糾正處理，采用二次多項式、雙線性內插的方法，點位中平均誤差為2.72，糾正后影像數據滿足監測精度要求，接邊情況良好，可滿足1∶5萬礦產資源開發遙感調查與監測工作的要求。

遙感解譯與監測結果

遙感解譯

在礦產資源開發多目標遙感調查與監測工作中，遙感解譯主要包括影像變化信息的發現和變化信息提取工作。進行遙感影像圖像解譯，要從礦產資源開發狀況、礦山開發環境和礦產資源規劃執行情況三方面著手，建立多類型、特征顯著、能準確反映礦山地物現狀的解譯標志庫，開展遙感信息解譯工作。

通過對本監測區現狀和礦產資源分布的分析，結合監測標準和監測要求，確定本監測區要監測的主要目標有：地下開采煤礦的開采硐口與堆煤場；露天開采(包括露天開采鐵礦、石灰巖、建筑石料用灰巖)的開采面、排土場、尾礦庫等；其他有停止開采的煤礦、地質災害(地面沉降)等。其中主要目標物的影像特征如下：

煤礦開采硐口：影像圖上較難發現硐口位置，由于硐口較小且極為隱蔽，對采場硐口位置監測有一定的難度。但煤矸石堆、堆煤場的影像特征比較明顯，可以據此來判別地下開采煤礦所在區域。山區表現為顏色呈黑色，且沿溝谷線狀延伸，丘陵和平原地區則呈現為黑色點狀或塊狀。

圖3　02C衛星影像典型遙感解譯標志

鐵礦露天開采面：色調為藍黑色，中部顏色深周邊淺，坑沿邊坡呈現階梯狀，紋理明顯，一般開采面積較大。大型的鐵礦以大規模的礦石堆為特征，在開采鐵礦旁邊，一般會有尾礦庫及礦山建筑或設施。

灰巖露天開采面：指開采用于燒制水泥的灰巖礦區，色調為亮白色，形狀為不規則的云狀，在遙感影像圖上與周邊地區的色調、紋理差異顯著，一般低于周圍地形，礦區道路呈清晰亮白色。

尾礦庫：為金屬礦山的地物標志，金屬礦山進行礦石篩選后用于排放尾礦的場所。影像上呈深紫色，色調及飽和度均較低，尾礦庫污水多呈亮藍色，下方存在倒三角狀的壩體，表面有稀疏的植被生長，幾何形狀不規則。

磚廠：有燒磚窯的高煙囪、取土坑，堆磚坯的場地，通常比較容易圈定。

關閉的石材采場：整體呈暗色塊，開采面紋理比較光滑，沒有新鮮巖石堆積形成的強反射區域，無明顯立體感，周邊和內部道路不清晰。

廢石堆：地勢高于周圍地物，影像紋理細膩光滑，易圈定邊界；排土場，呈排狀，有道路與外界相連，堆積范圍集中，呈錐形；礦山建筑，多位于中轉場地及采場周邊地區，分布密度較低。在遙感影像上多呈亮白色。

礦山建筑：多位于中轉場地及采場周邊地區，分布密度較低。在遙感影像上多呈亮白色。

監測結果

在工作區范圍內，煤礦主要分布在宜春市豐城市的南部，鐵礦主要分布在撫州市臨川區與宜黃縣的交界處，鎢礦分布在宜春市豐城市與撫州市崇仁縣的交界處，規模數量均較小。

遙感調查顯示，工作區內共有井工開采點61個，均為界內開采；共有露天活動開采面65個。發現關閉地下開采礦山31個，其中煤礦26個、鐵礦2個、鎢礦1個、長石礦1個、玻璃用脈石英1個。另外有159個廢棄的露天開采的礦山采場，其中鎢礦2個，長石1個，石材類礦156個。通過采用“資源一號”02C衛星影像，開展工作區礦山開發監測與評價，認為區內開采秩序總體良好。

結論

（1）通過對“資源一號”02C衛星遙感數據解譯工作，建立了包括開采硐口、露天開采面、尾礦庫、磚廠、廢石堆、礦山建筑等類型的解譯標志庫。解譯標志特征明顯，具有很好的參考作用。

（2）通過“資源一號”02C衛星遙感數據，對江西省豐城-撫州煤鐵礦區進行遙感解譯研究，發現開采點61個，開采面65個，廢棄礦山采場159個，解譯結果基本滿足工作要求。

（3）從對02C影像數據的處理過程和影像解譯標志來看，02C遙感影像可以替代具有相似空間分辨率和光譜波段設計TM、SPOT等國外遙感衛星，并運用于礦產資源開發多目標遙感調查與監測工作，豐富1∶5萬礦山開發遙感調查與監測工作的遙感數據源，提高時效性且有效降低了數據費用。