礦山地質環境智能遙感監測技術應用研究

陳怡凡

（內蒙古科技大學,內蒙古 包頭 014010）

礦產資源因其重要性成為衡量一個國家綜合國力的重要標準，但在保障礦產資源開采的同時，對自然環境產生了極為不利的影響。在過去的幾十年里，由礦產開采引起的環境問題十分嚴重，情況復雜多樣，包括全國各地不同地區的不同礦山[1]。地面塌陷、土地破壞、山體塌陷、滑坡等自然災害都對人們的生活造成了很嚴重的影響。財產安全和生活秩序正常已成為制約大部分地區經濟社會發展的重要因素。

由于自然環境面積很大，因此很難綜合采用雷達等高精度技術手段定期進行大規模環境監測。傳統的礦山監測通常使用土地資源的動態監測來發現問題，其進行生態環境問題的綜合監測時間長、效率低。因此，需要尋找一種低成本、便捷、適合快速大面積作業的環境監測方式，來促進礦產資源開發。生態環境保護是我國亟待解決的關鍵挑戰之一[2]。

1 智能遙感技術在礦山地質環境監測中的應用

1.1 采集礦山地質環境數據

數據采集是整個研究的基礎，數據采集的質量和采集到的數據完整性直接關系到后續工作能否順利完成。本研究中的數據采集是指廣義上的數據采集，包括影像數據、地形數據、基礎地理數據等。必須從數據公司訂購用于變化監測操作的遙感圖像數據，以及完整的文件參數和圖像產品，例如全色帶和多光譜帶[4]。

道路數據用于實地勘察中的路線規劃，還可以識別與道路相關的特定礦山目標，以及區分因道路延伸而引起的變化等。水體分布數據代表自然或人造水體的位置，例如河流和湖泊。流域分布等，了解水體分布有助于區分水體季節性波動引起的變化信息。

采礦數據主要是指研究區兩個時期的采礦權、采礦點分布、土地占用等與采礦開發活動相關的數據。采礦權數據在監測采礦目標的變化和判斷是否違法方面起著非常重要的作用，包括工作區的礦山所有權、探礦權、采礦權以及不同時期其他礦山的分布位置。雷場、礦源的分布隨時間變化而變化，遙感影像中的地雷數量和地雷邊界范圍隨時間變化而變化。因此，變化監測作業的采礦權數據應與當前作業的兩個時期相匹配，以此來描述作業區的主要監測狀況，并從采礦權數據中提取出范圍內采礦企業的主要活動方式，從而明確采礦會發生的環境問題。

對于一些初步開展礦山監測工作的研究領域，生成的監測結果數據可以為研發提供極大的便利。由此產生的數據，包括解釋圖表、采礦活動分布和礦權分布，都是非常寶貴的數據材料。文件資料可以按照工作區的分布、地質情況、相應的地理和人文環境，以及礦山的分布和存在的主要問題進行分類。紙質成果圖如礦山開采分布活動區，必須轉換成光柵形式，還需要經過嚴格的登記和修改，以備后續使用，電子地圖經過一些調整后可直接用于監測分析。

1.2 進行數據預處理

礦山環境變化監測研究的數據預處理主要包括兩步，單場景遙感影像和多遙感影像重匹配處理。遙感圖像受到相機軸傾斜影響，因此需要進行正交校正。正交校正是通過考慮位置、高程和傳感器信息來減少由地形引起的幾何誤差并拉伸圖像以適應地圖的空間精度來創建細化柵格數據集。

標定方法有很多，高精度校準結果主要基于數據完整性要求非常高的復雜衛星參數模型。經驗模型的精度受地形和控制點的限制。

多光譜遙感影像常用于礦山遙感監測作業，以方便遙感解譯和特征識別。泛色銳化合并包含高分辨率泛色柵格數據集和低分辨率多波段柵格數據集。要創建具有全色網格分辨率的真彩色圖像需要利用數據融合來增加數據的信息儲備量。使用Pan-sharpen等方法融合多光譜圖像可以提高圖像的空間分辨率，進而改進圖像變化監測和接地中物體識別的準確性。根據典型的遙感分析目標類型，將影像特征分為水分布特征、礦井特征、植被和建筑物這幾類特征，原始多光譜影像中這幾類特征的光譜曲線融合圖像的繪制方式不同，需要統計和比較來確定最佳的方法。

1.3 智能遙感分析礦山地質矢量數據空間

監測圖像之間的變化涉及檢測時量空間變化，包括分析差異和劃分矢量圖形這兩個階段的分配屬性。總結實際礦山遙感矢量分析工作，將矢量空間對應的分類規則劃分。無論是多種工具的組合還是獨立的綜合研發，矢量圖形中的變化監測都需要注意從監測結果中去除碎片化數據。碎片數據由于解釋者的運動誤差呈現出相同的結果，結果的兩個階段的地物邊界不完全重合，因此被認為是空間計算過程中保持的變化信息的一部分。

出現圖形變化更新或減少的情況，可根據前后光點的分布情況進行判斷，變化的光點應根據兩步的類型屬性進行進一步判斷。由于矢量圖形的特殊屬性，在進行空間分析時需要注意其屬性。與圖像之間變化監測相比，矢量圖形中的變化信息簡單且易于提取，由于矢量圖形的兩個階段在變化監測之前都有特殊的屬性信息。該信息提供了四種常用的圖像操作方法用于圖像的變化監測。主成分變化監測可以將遙感圖像的多波段信息集中到變化監測中，適用于遙感圖像之間的變化監測。

1.4 監測環境監測中的變化閾值

每種變化監測方法的數學和物理基礎不同，對比變化監測結果的像素值分布，可以看出其他方法得到范圍和分布形式大。因此必須選擇一種客觀的方法來劃分閾值并去除閾值劃分的誤差。在這個階段，閾值劃分有兩種方法，第一是基于統計的自然不連續性和標準偏差，第二是自然間斷分類，根據閾值的分布，可以通過選擇高值或低值來改變其具體范圍，其偏差分為均值和特殊值。

變化監測的結果也因變化監測的方法而異。歐氏距離法、主成分分析法、多波段主成分法都可以有效地發現研究區采礦活動變化區域在地圖上的變化。從比例上看，多波段主成分變化探測法探測到的圖案集中在礦層分布范圍內，從變化區域與礦物的相關比來看，多波段主成分變化監測方法監測到的地域更大，主要集中在礦區周圍，更貼近整個研究區礦區環境變化的需要。考慮到礦區的實際情況，建議采用多波段主成分變化監測方法來監測。

根據圖像之間的計算監測變化的結果，得出單波段灰度圖像。像素值等于顯示變化的強度，包括背景信息和變化對象的分布同樣需要改變。不僅如此，還可以通過設置該閾值來進行初步分析，將目標與背景信息分離。現有閾值是通過采集訓練樣本或根據工作經驗的分離閾值來建立的。閾值的準確性有效地將操作者的實際工作變化信息與背景信息區分開來。

1.5 提取礦山地質環境監測專題要素

植被覆蓋范圍因地區和季節而異，如果工作場所的兩幅遙感影像植被覆蓋度存在較大差異，此時會受到干擾信息影響。陰影是自然界中的一種常見現象，陽光照射在地物表面，由光線的入射角和地上的障礙物形成陰影。由于太陽在不同時間的仰角不同，遙感圖像具有不同形式的陰影。為了提高遙感監測的準確性，如果遙感檢測畫面中顯示出了陰影，則需要及時處理。

在調查時，如果調查區域的地形復雜，有很多高低均勻的地形，此時就需要格外注意陰影問題，需要提前對陰影進行預處理，將陰影邊界弱化后提取其邊緣，從而建立復雜的數學模型，并使用相應的算法處理。在實際礦山遙感監測工作中，經過調查發現，礦山的遙感地形還會受到季節影響，主要因為不同的季節降雨量不同，礦山的水體面積自然不同，這些變化可能會對水體的分布產生不利影響。因此在進行遙感監測時，需要利用預先設定的傳感器獲取此時地表的具體狀況。

2 實例

2.1 X礦山現狀

X礦山位于某城市的東北部，其礦區處于整個山體的中間位置，該礦山地質背景復雜，雨季集中，礦區內以山地為主，多分布金屬礦產和石料廠，且開采方式以露天開采為主，綜合多方面因素，研究區內地質災害較多，滑坡以及泥石流等問題居多，會給人民生命財產帶來巨大損失。

2.2 應用智能遙感技術監測結果

使用智能遙感監測技術，監測X礦山的地質環境，監測到的畫面如下圖1所示。

圖1 監測畫面

根據圖1可知，遙感技術監測到的畫面清晰，可以很好地監測X礦山的地質環境，因此具有提高監測準確性的作用。

3 結束語

綜上所述，礦山地質環境的監測可以有效地避免礦山災害的發生，同時也可以減少災害造成的人員傷亡問題，遙感技術的整個監測的核心技術，應用在目前的地質環境監測中，經過實例分析證明其監測畫面清晰，可以有效地提高監測準確度，有一定的應用價值，但由于礦山的環境受環境變化影響，在環境改變時，還需進行多次監測，從而得出最準確的礦山地質環境遙感圖。