國產衛星助力礦產資源動態監測

□馮 濤 劉曉靜

當前國產衛星技術發展十分快速，在各種領域中發揮著越來越重要的作用。如果將國產衛星用于礦產資源的開發和保護環境中，將3S技術的特長和遙感技術的快速、直觀、實時的特點充分發揮出來，全面對收集區內的礦山、遙感圖像、地質礦產、環境、地質災害等資料進行收集，并利用計算機軟件技術對這些資料進行分析和處理，建立有效的開發動態監測數據庫系統，可以為后續礦產資源的動態監管，創造出一個堅實的基礎，更加了解當地礦產資源開發的現狀，及時發現采礦對當地環境造成的破壞，并進行處理，真正實現對礦產資源的動態監測[1]。

一、采用國產衛星對礦產資源進行動態監測的必要性

由于當前礦產資源事業高速發展，在發展過程中出現了較為嚴重的小、散、亂和工藝水平落后的現象。很多礦種出現了非法盜采比較嚴重的情況，造成了大量礦產資源的浪費，也對礦產山環境造成了較為嚴重的破壞。如何及時了解當前礦采資源開采的實際情況，是對礦產開采監管中所面臨的大問題[2]。如果采用傳統的方法進行監管，不僅需要耗費大量的人力、物力和財力，還無法及時掌握當前礦產資源動態開采的信息。隨著我國科學技術高速發展，在衛星技術上也取得了不小的突破，遙感衛星的分辨率不斷提高。通過衛星遙感技術，可以及時掌握全國范圍內的礦業秩序和生態環境破壞狀況，真正實現對礦產資源的動態監測。

二、研究方法

通過利用衛星遙感技術，可以獲得各采礦地區的地質遙感數據，通過對這些遙感數據的進一步處理，通過室內對比提取礦產資源開發地采礦互動痕跡的影響資料信息，就可以及時發現不同時段的采礦活動痕跡變化，其主要分為以下幾個階段。

(一)資料的收集。對礦產資源的動態監管，就是通過分析不同時期的衛星遙感數據，有效總結出這些信息的變化規律，及時發現采礦地區地質環境特征的變化。如何將各種影響信息有效融合起來，并更加及時發現礦山開采和環境的變化，是礦產動態監測所需要解決的最基礎的問題。當前我國國產衛星遙感技術突飛猛進，圖像的幾何分辨率不斷提高，GF1國產衛星航空遙感數據0.4m，SPOT5 2.5m，可以滿足對礦產資源動態監測的需要[3]。

(二)衛星遙感數據的處理。多源遙感數據處理，該技術可以對不同時段的遙感數據進行幾何校正、大地配準，可以將PAN波段數據與多光譜數據有效融合起來。然后對其進行格式轉換和地形矢量數據和采礦權數據的疊加，并將其轉換成各種數據表格，來對當前礦產環境的特征內容進行解釋，及時發現非法盜采現象。一是幾何校正與大地配準。由于礦山地區的地勢起伏一般較大，可以使用衛星軌道模型進行正射校正。通過使用先進的遙感影像處理軟件，可以直接對各種遙感數據狀態參數進行提取，并依照航空正射像和高程模型數據，可以對數據進行一定范圍內的校正。經過校正后的數據，最大殘差應該保證在3～4個像素之間。二是圖像增強。圖像中圖素的亮度信息往往包含的內容較多，可以直接反映不同的物體特征。由于受到成像系統特性、成像光照條件和地物輻射差異大小的影響，導致很多像元的亮度值過于集中，對圖像層次的豐富程度造成了非常大的影響，圖像的色調較差，在圖像中往往難以分辨出具體的地物信息。對圖像進行增強的一個主要目的是為了擴大圖元亮度值的分布區域，像元的亮度差異也會得到顯著增強，圖像的對比度也會大大增加，更進一步能夠觀察到圖像的細節信息。三是多源遙感數據融合。多光譜影響的光譜分辨率較高，但顯示空間細節的能力較差。為了有效對該問題進行解決，可以將低空間分辨率的多光譜影響和高空間分辨率的全色影響融合起來，這會大大增加空間表示的層次感，影像的光譜信息也能得到完整的保留[4]。當前遙感影響技術飛速發展，應用比較多的有HIS變換、主成分分析、基于小波理論的特征融合。在不用融合方法的應用過程中，對于高分辨率的IKONOS數據和QuickBird數據，由于其光譜范圍已經從可見光波段擴展到了近紅外波段，如果還是采用傳統的變換方法，效果往往較差，經常會出現比較嚴重的顏色偏差。通過利用PCI中的pansharp融合方法，通過選擇所有的多光譜波段的數據作為參考波段，綠色植物區域的顏色會變得更加突出，讓該區域更加醒目，讓整個影像更加亮麗，顯得更加有生機，視覺效果得到進一步的提升，其它周圍環境的顏色并不會受到太大的影響。四是主要的監測目標及其特征。衛星遙感監測技術的應用過程中，需要及時對礦產資源的開采情況進行跟蹤，需要人們以多時相遙感圖像對比解釋、分析為主體，及時獲取采礦相關的信息。在礦產資源的監測中，最為主要的地物類型主要包括礦山建筑物、礦山道路、煤礦堆場、煤矸石堆場等。這些環境特征都是礦產資源開采中通常保有的。通過這些特征的發現和提取、分析，就可以及時掌握各地區的實際采礦情況。五是信息提取。在對礦產開采的動態監管過程中，需要定期掌握監管對象的環境特征的變化情況，掌握其發展趨勢，可以為后續管理工作的開展，打下一個很好的基礎。變化信息的提取，需要能夠有效鑒別出來不同遙感圖像上變化區域的具體特征，由于變化特征往往非常模糊，傳統的分析方法往往不是非常奏效，需要采用有效的變化區域提取方法，這樣才能獲得圖像特征變化更為具體的信息。受制于計算機技術發展的限制，目前還沒有一款軟件可以很好完成該工作，因此當前主要還是應用的人機交互的解釋方法。六是遙感野外調查驗證。野外勘察的一個主要目的是為了幫助遙感解釋人員對監測區內的礦區環境和作業現場有感性的認識，在頭腦中建立一個簡單的影響概念，然后通過對遙感圖形的比對，在兩者之間建立更加直觀的聯系，從而完成室內遙感解釋標志的建立，讓遙感解釋的正確性得到進一步增強。在圖像處理和遙感解釋的基礎之上，對道路穿越法和追索法結合起來，對工作區內的礦產資源開發情況、開采活動對環境造成的影響等進行驗證性的觀測。通過進一步的現場驗證表明，遙感技術在礦產資源的定量驗證率可以達到百分之九十以上。

三、實際應用案例

該工作區域位于黑龍江西部地區，其面積近800平方公里，區域內部的礦業活動比較興盛，很多礦山都屬于露天礦山。

為了有效對該地區的礦產資源情況進行動態監測，采用了國產GF2衛星遙感技術，并采用加拿大阿波羅公司開發的PCI Geomatica圖像處理軟件，對圖像進行處理。其工作的原理是通過對圖像的預處理后，應用色彩合成、線性擴展、融合、自動識別等簡單的方法對遙感圖像進行處理和信息提取，有效滿足項目的需要。由于采礦活動對周邊植被破壞比較嚴重，會造成巖石的直接裸露，讓遙感圖像具有比較高的反射率，同周圍地物的差別較大，這就為信息識別提供了基礎。在該項目中就應用了等值線法對采礦區進行了自動識別和圈定。程序會根據圖像亮度值的分布，來自動對圖像的亮度值進行調整。系統還可以通過采用人機對話的方式，來人工設定亮度值、確定分級，并通過人機對話的方式進行交互式的調整。為了有效反映當地的礦產開發的變化形式，可以通過對幾個時間段內的遙感圖像進行對比，來分析建立礦山環境解釋標志，以此來編制遙感解釋圖。

除了采用衛星遙感動態監測的方式外，還應該進行野外調查驗證。遙感地質調查，其是建立在圖像處理和遙感解釋基礎之上的，有效對礦區內的資源開發情況、開采活動對環境所造成的影響進行觀測。化探是對礦山周邊的水系沉積物進行測量，研究礦山開采對周圍水環境所造成的影響。

為了有效對各種遙感監測數據進行存儲管理，需要建設專門的數據庫，建立具有可視化數據查詢、編輯、輸入、輸出功能的礦產資源監測系統。該數據庫系統的使用也非常簡單，通過數據庫索引字段以及GIS條件檢索等功能，來滿足用戶對礦山開發及礦山開發對周邊環境所造成的影響，達到對周邊環境動態監測的目的。

通過對衛星遙感數據圖像的分析和實地勘測情況發現，該區域內的礦山采場存在不同程度的邊緣張問題，在采掘作業面前緣有輕微的崩塌現象，這很容易形成碎塊沿著陡峭斜坡墜落的事故，如果遇到突發的因素，如降雨、爆破振動等，很容易發生小規模的崩塌現象，危機區域內人員的生命安全。此外，礦山開采還對當地的自然景觀情況造成了不小的影響，尤其是對迎面采場的景觀破壞尤為嚴重，造成一定規模的基巖裸露，伴隨小規模的水土流失情況，讓該地失去了過去“青山綠水”的自然景色。此外，在該地區礦山開采的過程中，還造成了一定的粉塵污染。在礦山運輸的過程中，容易造成石料撒漏，汽車行駛時很容易出現飛沙走石的情況，很容易造成路旁的樹木、種植物出現蓬頭垢面的情況。該地區的很多石料都是采用破碎加工的方式，生產過程中會造成較大的粉塵，嚴重時遮天蔽日，導致附近的綠色植物總是不同程度沾滿灰塵。在礦山的開采過程中，也會對當地的地球化學環境造成不小的影響，尤其反映在金屬礦山中，但其影響范圍還比較有限，并沒有造成非常明顯的化學污染。

四、結語

隨著工業的高速發展，對礦產資源的需要量不斷增加，各種礦產采石場越來越多，對礦山開采的監管難度越來越大。為了有效實現對礦山開采的動態監測，應該將國產衛星遙感監測技術有效應用其中，提高對礦山開采監管的效率。