WV-3遙感數據在滇西礦產資源開發與地質災害調查中的應用

(云南省地質技術信息中心，云南 昆明 650051)

0 引 言

研究區位于云南西部德宏芒遮放鎮一帶，地貌屬西南三江中南段高黎貢山之南延部分，區內高山峽谷相間，地形切割深，野外調查極為不便。采用動態巡查的傳統礦政管理缺乏針對性，具有效率低、周期長、耗時費力、工作量大等弊端，難以滿足現代礦政管理的需求。對于地質災害的調查多以現場調查和詢問的方式進行，易造成遺漏；災害調查以單點人工調查為主，視域范圍小，片面性強，缺乏整體性，極大降低了調查的準確性。

遙感技術手段以空間探測為主，不受時間、地域、地形的限制，具有時效性、宏觀性、客觀性等特點，能快速、高效、低成本地解決上述問題(呂鵬等，2015；胡官兵，2019)。目前，不同種類的遙感數據源在礦山開發調查及地質災害監測中應用較多，在相應的影像精度范圍內均取得了較好的調查與監測成效。在礦山開發調查方面主要用于開發狀況、占地、地質環境恢復治理等信息的提取(楊金中等，2011；安志宏等，2015；薛慶等，2017；李鵬偉，2020)；在地質災害調查方面主要用于提取地質環境背景條件以及地質災害體等信息，效果較好(童立強等，2013；張曉東等，2015；黃皓中等，2017；常琳等，2018；楊文佳等，2020)。

遙感技術可幫助有效識別地物的幾何形態特征、時空演化特征以及物質組成和成分(陳玲等，2019)，地物的空間幾何形態特征包括地物的大小、形狀、紋理、空間分布等，是地物識別的關鍵指標。一般來說，空間分辨率越高，越可能實現對地物的精細探測，越有利于地物細節信息的獲取。同樣，在礦產資源開發調查領域，空間分辨率越高，對小規模采礦活動的監測效果越好(王曉紅等，2006；章新益等，2020)。

WorldView-3(WV-3)是目前商業成像衛星中空間分辨率最高的衛星，全色波段空間分辨率可達0.31 m，最大成圖尺度達1∶1 000左右，識別的礦山開發要素信息更為豐富，對這些要素進行組合分析，能識別出更多精細的礦山開采信息，包括開采礦種、開采狀態等。研究區內5種非金屬礦資源開發點為一采石場，其遙感影像特征存在較多相似之處，在遙感數據分辨率不夠的情況下較難區分，利用WV-3數據可進行更細致的解譯，有助于對開采礦種進行細分，突破傳統平面遙感解譯的限制，利用三維立體圖多角度、全方位地展示礦山開發和地質災害的基本形態，提高遙感影像對解譯目標的識別精度。

選用WV-3衛星影像作為遙感數據源，結合高精度數字高程模型(DEM)數據，使用三維軟件制作立體影像場景，對區內較難區分的5種非金屬礦資源開發狀況和地質災害進行精細解譯，力求獲取更多地物信息，輔助礦政管理及地質災害調查，增強工作的針對性和有效性，減少野外核查工作量，提高工作效率和質量。

1 礦產資源開發與地質環境概況

研究區礦產資源以非金屬礦為主，其賦存的地層與巖石主要有白堊紀二長花崗巖(Eηγ)、中侏羅世勐嘎組(J2m)泥巖、粉砂巖夾灰巖、泥質灰巖，早三疊世扎多組(T1z)板巖夾透鏡狀細晶白云巖、大理巖化白云巖，二疊紀沙子坡組(Ps)淺灰、灰白色白云巖、白云質灰巖等。

開采礦種具體可分為建筑石料用灰巖、水泥用灰巖、飾面用大理巖、建筑石料用花崗巖、建筑用砂等。開采方式均為露天開采，并呈點多、規模小、分布較零散的特點，區內存在部分疑似無證及越界開采情況，給礦山管理帶來較大壓力。

研究區處于云南地質災害易發地段，區內新構造運動強烈，變質巖、巖漿巖體廣泛分布，物理與化學風化作用強烈，是泥石流和滑坡強活動區(云南省自然資源廳，2018)。地貌包括侵蝕堆積地貌、巖溶地貌、構造剝蝕地貌、構造侵蝕地貌等類型，地形地貌為地質災害的發育提供了有利條件。區內地質災害主要分布于交通沿線、礦山開采區等，形成區域多在地質結構破碎、松軟的地段，在強降雨的條件下，陡峻的地形極易造成滑坡、泥石流等地質災害(陳斌等，2015)。

2 WV-3遙感數據與三維模型構建

2.1 WV-3遙感數據及處理

WV-3衛星是第四代高分辨率光學衛星(美國DigitalGlobe公司)，全色波段空間分辨率達0.31 m，可提供8波段短波紅外影像，空間分辨率的提高對細小地物的識別及細節的刻畫有極大優勢。獲取的影像時相為2015-12-13，包括2景數據，原始數據影像清晰,色調信息豐富,無云量覆蓋，整體質量高。

數據處理包括正射校正、融合、鑲嵌、裁剪等。正射校正以1∶1萬地形資料為基準，以已有的高分辨率遙感影像為參考，在影像上找出與其相匹配的、均能正確識別且準確定位的明顯地物作為控制點進行校正。采用紅、綠、藍3個波段與全色波段融合生成空間分辨率為0.31 m的真彩色影像，成圖參數為高斯-克呂格3度帶投影，CGCS2000坐標系。

2.2 三維影像模型構建

基于Skyline軟件生成三維影像模型，Skyline包括TerraBuilder、TerraExplorer Pro等模塊。首先基于研究區1∶1萬地形圖在ArcGIS軟件三維分析模塊中生成DEM數據，然后在TerraBuilder模塊下利用研究區的WV-3衛星正射影像數據、DEM數據及矢量地理數據創建模擬現實影像的三維數據場景，最后在TerraExplorer Pro模塊下進行三維展示及相應目標信息的解譯識別(劉舫等，2017)。

3 礦產資源開發及地質環境遙感信息識別

3.1 礦產資源開發精細識別

區內非金屬礦資源開采方式均為露天開采，遙感影像能有效提取識別礦山的相關要素，包括開采面、中轉場地、礦山建筑、固體廢棄物4大類。不同的開采礦種與開采狀態，其開采面形態與色調、中轉場地相關設備與成品石料、礦山建筑及固體廢棄物分布情況等都存在較大差異。利用WV-3遙感影像對這些細節信息進行詳細識別，同時借助其他資料識別出區內開采礦種與開采狀態等目標信息。開采礦種分為建筑石料用灰巖、水泥用灰巖、建筑用砂、飾面用大理巖、建筑石料用花崗巖5種(表1)，開采狀態包括正在開采、關閉或廢棄，解譯方法以人機交互式解譯為主。

表1 研究區主要非金屬礦資源開采遙感解譯特征

3.1.1 開采礦種識別標志 (1) 建筑石料用灰巖和水泥用灰巖。開采點基本位于中侏羅世勐嘎組(J2m)灰巖夾層中，灰巖相鄰上下層位為泥巖、粉砂巖等。WV-3影像顯示，灰巖開采點受層位控制明顯，多個灰巖開采點的整體展布方向與灰巖巖層走向一致，單個灰巖開采面形態多呈條帶狀。在固體廢棄物方面，因上覆土層及周邊泥、砂、碎屑物質較多，兩者都有占地面積較大的排土場，沿附近的山坡堆放。建筑石料用灰巖與水泥用灰巖開采點的區分主要在中轉場地與礦山建筑方面。① 建筑石料用灰巖的礦山中轉場地區域可見碎石設備及大量細小成品石料堆積(圖1)；水泥用灰巖礦山中轉場地少見碎石設備及成品碎石料堆積，多為大塊石料，同時可見大量運輸車輛運送大塊石料至附近廠區，或直接利用傳輸設備將礦山與附近的廠區相連接進行石料運送；② 建筑石料用灰巖開采點一般有少量簡易平板房；水泥用灰巖開采點附近有大型工業廠房，且離城鎮較近，交通運輸方便(圖2)。

(2) 建筑用砂。開采點的巖性以白云巖為主，層位多位于下三疊統扎多組(T1z)與二疊系沙子坡組(Ps)中。區內白云巖多呈塊狀，易碎，顏色呈灰白色；灰巖多呈層狀，產狀明顯，顏色呈灰色。礦山的相關要素及設施與建筑石料用灰巖基本一致，礦山開采面、礦山建筑、礦山設備、中轉場地等較齊全，但也存在較大區別，主要表現在開采面、色調、開采點與固體廢棄物方面。① 相應的遙感影像(圖3)顯示，建筑用砂的開采面多呈面狀，色調更加灰白；灰巖開采面則呈層狀，色調為灰、灰黃。② 建筑用砂相比灰巖更易開采，因此采砂點分布呈零散、點多、規模小等特點；灰巖開采點多呈條帶狀分布，開采點數量相對較少。③ 白云巖上覆土層非常薄，無排土場或者其規模較?。换規r開采點有大面積固體廢棄物。

圖1 建筑石料用灰巖資源開采點影像及野外特征(a) WV-3真彩色遙感影像；(b) 建筑石料用灰巖開采場Fig. 1 Images and field characteristics of mining site of limestone resource for building(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry of limestone resource for building

圖2 水泥用灰巖資源開采點影像及野外特征(a) WV-3真彩色遙感影像圖；(b) 水泥用灰巖開采面Fig. 2 Images and field characteristics of mining site of limestone resource for cement(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry face of limestone resource for cement

(3) 飾面用大理巖。開采點基本位于早三疊世扎多組(T1z)白云巖夾層中，扎多組白云巖因靠近白堊紀二長花崗巖(Eηγ)而受熱變質成大理巖，主要用作裝飾材料。區內大理巖呈乳白、純白色，在遙感影像上(圖4)反射率較高，色調多為白色、灰白色，開采面比采石場小，采面較陡，正在開采的中轉場地可見切割設備而無采石場的碎石設備，在場地上堆積部分規則的成品石料，影像上表現為斑點較大的碎塊。

(4) 建筑石料用花崗巖。開采點多位于白堊紀及奧陶紀花崗巖中。礦山的相關要素設施與建筑石料用灰巖一樣，開采面、排土場、礦山建筑、中轉場地等較齊全，礦山開發區域可見碎石設備，中轉場地堆積有大量的成品石料。受區內炎熱多雨氣候的影響，花崗巖風化土層厚，排土場規模較大，且花崗巖無明顯產狀，在WV-3影像上開采面多呈面狀。

3.1.2 開采狀態識別 通過對2期影像的礦山開發占地數據進行解譯，對比開采面、固體廢棄物等圖斑的變化，可判定該礦山在監測期內是否發生開采。采用WV-3高分辨率數據對開采面、中轉場地等礦山開發相關要素進行精細識別，能較好地判別其開采狀態。廢棄開采面色調較新鮮，開采面暗，有雜亂的植被分布，且廢棄時間越長，植被覆蓋越多，在影像上表現為色調變暗以及植被覆蓋度較大等；中轉場地方面，廢棄礦山場地及其周邊無設備或設備殘缺、無作業工程車輛、無成品石料或有少量的石料堆積等標志均與正在開采的礦山影像特征有所不同。

3.2 地質災害信息三維解譯

研究區內地質災害的發育與地形地貌、地質構造(尤其是新構造運動)、巖土體工程性質、植被覆蓋度、人類工程活動等因素密切相關。陡峻的地形是地質災害產生的主要原因，區內滑坡的斜坡坡度多>25°，相對高差較大，具有有效的臨空面；崩塌的斜坡坡度更大(一般>35°)。泥石流溝口多位于兩種地貌由陡變緩的部位，即上游形成區、流通區(地勢陡峭)和下游堆積區(地勢相對開闊平坦、溝谷縱坡降大)(陳斌等，2015)。對地質災害進行遙感解譯時，利用高精度DEM數據制作的三維模型能充分考慮地形地貌的因素，可從不同的視域范圍、方位視角及遠近尺度展示地質災害體的真實情況，獲取包括災害群的整體宏觀分布情況、災害體的周邊地質環境特征、單個地質災害的局部精細特征等信息。

3.2.1 滑坡信息解譯 區內滑坡主要分為土質滑坡和巖質切層型滑坡：土質滑坡多與人工開挖、切坡等相關，殘坡積土體沿基巖頂面滑坡；巖質切層滑坡多位于軟弱結構面，即兩種不同巖層構成的界面或同一巖層所夾的軟弱層(陳斌等，2015)。

圖3 建筑用砂資源開采點影像及野外特征(a) WV-3真彩色遙感影像圖；(b) 建筑用砂開采面Fig. 3 Images and field characteristics of mining site of sand resource for building(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry face of sand resource for construction

圖4 飾面用大理石資源開采點影像及野外特征(a) WV-3真彩色遙感影像圖；(b) 大理巖開采面Fig. 4 Images and field characteristics of mining site of marble resource for decorative overlays(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry face of marble resource

遙感影像平面圖顯示，滑坡體多呈長條舌狀、扇狀，滑體表面具揉皺狀紋理特征。土質滑坡呈現上覆土層的色調，巖質滑坡呈現切層基巖的顏色，滑坡體上無植被覆蓋或有少量植被稀疏分布。

三維遙感影像展示了滑坡所處的地貌位置以及一些局部細節形態信息，如裂縫、鼓丘、植被附著情況等。區內一滑坡(圖5)為巖質切層型滑坡，出露巖性為中侏羅世勐嘎組(J2m)紫紅色泥巖、粉砂巖夾灰巖、泥質灰巖，滑坡處于堅硬及抗剪強度不同的巖性所構成的界面上。WV-3高分辨率三維影像顯示：該滑坡色調以紫紅色泥巖為主，少量呈灰黃色；位于溝谷右岸，滑坡前緣的滑動空間充足，滑坡后壁的開口朝向溝谷，形態呈圈椅狀；紫紅色巖石裸露，滑坡體中存在拉張裂隙,植被傾倒或成角度的傾斜，與周邊正常生長的植被形態差異大。

圖5 滑坡影像及野外特征(a) WV-3真彩色遙感影像圖；(b) 100°方向視角三維圖；(c) 120°方向視角三維圖；(d) 實地照片Fig. 5 Images and field characteristics of landslide(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) 3D image in the direction of 100°; (c) 3D image in the direction of 120°; (d) Field photo

3.2.2 崩塌信息解譯 區內構造運動強烈，新構造運動活躍，節理裂隙發育，風化強烈，易形成崩塌。崩塌體物質以巖質為主，少見土質，主要發育在公路邊坡、深切河谷岸坡和露采邊坡等處。遙感影像顯示：崩塌多呈塊狀、細長扇形或新月狀等，邊界輪廓線明顯，與地形等高線近于平行一致；在峭壁或陡巖的底部有大量滾落的巨大巖塊，影像上呈點狀、圓狀錐形堆積體；色調多與出露基巖接近，由于影像獲取時受太陽光線的影響，崩塌壁的背光一側多形成黑色陰影。

三維遙感影像可幫助展示周邊的地形地貌，如區內沿龍江左岸發育1處崩塌(圖6)。該崩塌體在地勢上位于坡度約55°的陡坡地段，其頂底相對高差最大約475 m，整體表現為上陡下緩的特征。出露巖性為大理巖化白云巖，巖石內部構造裂隙與巖溶裂隙發育，將碳酸鹽巖分割成大小不等的塊體，在重力作用下發生掉落。影像上崩塌體顏色為灰黃色，與周邊植被的青綠色不協調，公路下方見大量碎屑崩塌物質，對公路及建筑威脅很大。

圖6 崩塌影像及野外特征(a) WV-3真彩色遙感影像圖；(b) 45°方向視角三維圖；(c) 90°方向視角三維圖；(d) 實地照片Fig. 6 Images and field characteristics of collapse(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) 3D image in the direction of 45°; (c) 3D image in the direction of 90°; (d) Field photo

3.2.3 泥石流信息解譯 區內泥石流按流域形態可分為山坡型和溝谷型，其中以溝谷型泥石流為主，主要發育于河谷狹窄、滑坡與崩塌等發育的流域。三維遙感影像可宏觀識別泥石流的流域范圍、形成區、流通區和堆積區。泥石流的流域整體呈葫蘆形或樹枝形等。

(1) 形成區位于溝谷的上游，呈勺狀或瓢狀，同時在該區域能解譯出滑坡、崩塌等不良地質現象以及礦山開發和道路修建工程等人類工程活動，這些區域產生的大量松散堆積物質積存在岸坡或溝床中，為泥石流的產生和發展提供了固體物質來源。

(2) 流通區由多條河段、溝槽或干溝組成，形態細長，寬窄曲直不一，受植被覆蓋影響，色調與周邊區域差異不大，局部溝槽彎曲段可見裸露的堆積物，地貌上流通區的縱坡較形成區地段緩，但較沉積區地段陡。

(3) 沉積區位于下游溝谷開口處，縱坡平緩，規模大小不一，整體呈扇形或帶狀，輪廓明顯，三維遙感影像上整體比周邊平緩區域地勢高，可準確圈定其形態。

4 結果分析

根據遙感解譯標志，研究區共解譯出礦產資源開發點41處，其中正在開采23處、關閉或廢棄18處。按礦種分為5種類型，其中水泥用灰巖1處、建筑石料用灰巖6處、建筑用砂30處、建筑石料用花崗巖2處、飾面用大理巖2處。礦山開發占地面積為78.39 hm2。將提取信息與采礦權的空間范圍、屬性等資料相結合，可較為準確地識別區內可能存在的疑似違規開采活動，包括疑似無證開采、越界開采、擅自改變開采方式、改變開采礦種等，為礦山行政管理部門提供精準的執法對象，解譯出的礦山開發占地圖斑可為礦山地質環境恢復治理和土地復墾提供遙感技術支撐。

在地質災害方面，提取了區內地形地貌、植被覆蓋、人類工程活動等地質環境背景條件，解譯出地質災害點39處，其中滑坡13處、崩塌6處、泥石流20處，可作為野外地質災害詳查的補充。

5 結 論

(1) 區內5種非金屬礦資源開發點均為傳統意義上的采石場，影像特征會存在較多的相似之處，在遙感數據空間分辨率不足的情況下較難區分，利用WV-3數據對開采面的色調與形態、中轉場地相關設備及成品石料堆積、固體廢棄物占地面積以及礦山建筑組成與規模等進行更細致的解譯，能夠細分開采礦種。

(2) 在解譯過程中，利用Skyline平臺構建研究區三維立體模型開展地質災害解譯，從不同的視域范圍、遠近尺度、方位視角，展示地質災害體的地理位置、高程、坡度、形態、規模、影響范圍等細節信息，獲取包括災害群的整體宏觀分布情況、災害體的周邊地質環境特征、單個地質災害的局部精細特征等多方面的信息，大幅提高解譯精度及對地質災害的認識。

(3) WorldView-3衛星影像可提供目前商業衛星數據中分辨率最高的遙感數據，三維視圖能夠識別的地物種類更多，形態更加準確，地物屬性更易確定。將其應用于礦產資源開發狀況及地質災害調查等領域，有利于減少野外工作量，提升礦政管理和野外調查工作的精準性。