高分衛(wèi)星遙感助力云南省地質(zhì)礦產(chǎn)綠色勘查技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

文|李穎 王力 李雁 李衛(wèi)海 王艷英 譚玉榮 陳晨 劉錢威

1.高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)云南數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心

2.國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局重大專項(xiàng)中心

3.云南省核工業(yè)二〇九地質(zhì)大隊(duì)

一、引言

云南省位于中國(guó)西南部，地處云貴高原，數(shù)億年來(lái)地域表層經(jīng)過(guò)了一系列的地殼運(yùn)動(dòng)，成礦條件優(yōu)越[1]。地質(zhì)資源種類繁多，礦產(chǎn)資源極為豐富，尤以有色金屬及磷礦著稱，被譽(yù)為“有色金屬王國(guó)”，是得天獨(dú)厚的礦產(chǎn)資源寶地。同時(shí)云南省地形地貌復(fù)雜，氣候類型多樣，擁有豐富的生物多樣性和獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境，是中國(guó)重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)域。

2015 年以來(lái)，云南始終努力建設(shè)成為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)排頭兵，筑牢國(guó)家西南生態(tài)安全屏障。習(xí)近平總書記在全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)上指出，繼續(xù)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，必須以新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義生態(tài)文明思想為指導(dǎo)，正確處理高質(zhì)量發(fā)展和高水平保護(hù)的關(guān)系。結(jié)合《云南省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃（2021-2025 年）》的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)總體要求，在傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)向戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變的形勢(shì)下，在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用率不斷提升和礦業(yè)綠色發(fā)展的共同要求下，要依然堅(jiān)持以地質(zhì)找礦為基礎(chǔ)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新保障能源供給，促進(jìn)資源高效利用，實(shí)現(xiàn)云南省礦業(yè)資源的高質(zhì)量綠色發(fā)展。

隨著時(shí)代的發(fā)展，遙感技術(shù)在地質(zhì)上的應(yīng)用也在不斷更新。從航空遙感到衛(wèi)星遙感，從黑白航空攝影到多光譜遙感、高光譜遙感、雷達(dá)遙感以及時(shí)空數(shù)據(jù)一體化[2]。隨著分辨率的提高，數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和時(shí)效性也在不斷提升。目前遙感技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)大范圍、高分辨率的地質(zhì)信息提取，為地質(zhì)勘查、資源調(diào)查、綠色勘探提供了更有力的支撐。

二、云南省地質(zhì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)背景

云南省現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)有143 種，已探明儲(chǔ)量的有86 種。金屬礦遍及108 個(gè)縣（市），煤礦在116 個(gè)縣（市）發(fā)現(xiàn)，其他非金屬礦產(chǎn)各縣都有。同時(shí)云南有61 個(gè)礦種的保有儲(chǔ)量居全國(guó)前10 位，其中鉛、鋅、錫、磷、銅、銀等25 種礦產(chǎn)含量分別居全國(guó)前3 位[3]。云南礦產(chǎn)資源具有多樣性、富集性、區(qū)域分布性、生態(tài)環(huán)境敏感性的特點(diǎn)[4-6]。這些特點(diǎn)為云南省的礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要在保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的前提下，合理利用和開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源。在礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要特別關(guān)注生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)，以保護(hù)珍稀瀕危物種和生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

在實(shí)現(xiàn)資源保障與生態(tài)文明共贏的要求下，云南省地質(zhì)勘探工作存在一些問(wèn)題。

1）勘探范圍小，地質(zhì)信息不完善。云南省地域遼闊，地形多變，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，很多山區(qū)無(wú)法到達(dá)，勘測(cè)難度大；導(dǎo)致地質(zhì)調(diào)查和勘探工作相對(duì)滯后，地質(zhì)信息不完善。傳統(tǒng)的地質(zhì)地貌測(cè)量只能根據(jù)地質(zhì)圖布置線路，工程師前往踏勘取樣，碰到懸崖峭壁、深溝則無(wú)法通過(guò)，由此將耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力成本。

2）不規(guī)范或非法采礦失察。造成農(nóng)田植被破壞，棄渣隨意亂堆，壓占河道農(nóng)田，引發(fā)水土流失、排洪不暢、滑坡泥石流等事故。

3）生態(tài)環(huán)境受損。云南省的眾多礦產(chǎn)資源分布在生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域，礦產(chǎn)資源勘探和開(kāi)發(fā)可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。

4）礦山環(huán)境相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)數(shù)字化程度不足。成果的時(shí)相一致性、真實(shí)性難以評(píng)價(jià)，不利于礦產(chǎn)資源管理。因此，云南省在礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)中必須注重綠色勘探和環(huán)保技術(shù)應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用。

高分專項(xiàng)自2010 年5 月正式啟動(dòng)實(shí)施，至2022 年高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星的成功發(fā)射，所有高分衛(wèi)星已實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行，地面系統(tǒng)穩(wěn)步推進(jìn)，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)替代比率已近90%[7]。目前，高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已用于地質(zhì)勘探工作的多個(gè)方面。相較于傳統(tǒng)勘測(cè)技術(shù)，衛(wèi)星遙感具有非接觸、宏觀獲取信息的優(yōu)勢(shì)，大范圍獲取地形、地貌、植被覆蓋等地表信息，可以用于礦產(chǎn)資源的初步識(shí)別和勘探。由于其高分辨率特點(diǎn)，也能揭示微觀構(gòu)造、地層、巖漿巖和礦化蝕變等信息，協(xié)助地質(zhì)工作者發(fā)現(xiàn)礦床的潛在位置，使地質(zhì)工作更加便利。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，遙感技術(shù)能夠提高使用者對(duì)于實(shí)際地面情況的掌握程度，突破傳統(tǒng)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查技術(shù)的限制；高分辨率衛(wèi)星收集數(shù)據(jù)信息的速度更加快捷，可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)較大范圍測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)采集，完善地質(zhì)數(shù)據(jù)，提高地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的效率。高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分六號(hào)衛(wèi)星具有高空間分辨率的特點(diǎn)，可以在影像中反映出礦山環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)非法違規(guī)開(kāi)采行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過(guò)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查更加綜合性的信息獲取，如地表植被、地貌、土壤、水文特點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的變化預(yù)警。高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)已在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)、礦產(chǎn)資源調(diào)查與評(píng)估、礦區(qū)規(guī)劃與管理等方面發(fā)揮重要作用。

三、高分衛(wèi)星系統(tǒng)在地質(zhì)礦產(chǎn)綠色勘察中的應(yīng)用

1.地質(zhì)背景分析

從礦產(chǎn)勘探工作的原理出發(fā)，地質(zhì)背景分析是地質(zhì)找礦的首要工作。遙感技術(shù)能夠大面積獲取地質(zhì)信息，如地形、地貌、構(gòu)造等，經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)技術(shù)可以在影像中增加各地質(zhì)構(gòu)造的差異性，突出不同的巖性信息，結(jié)合人工解譯，完成花崗巖、碳酸鹽、第四系地層、線性構(gòu)造等地質(zhì)解譯圖，實(shí)現(xiàn)大面積的地質(zhì)調(diào)查工作。

高分一號(hào)衛(wèi)星的空間分辨率為2m，在該空間分辨率下可以識(shí)別出1∶50000 地質(zhì)圖中的巖性大類以及地質(zhì)界線。在地質(zhì)調(diào)查等地質(zhì)工作中，利用高分一號(hào)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)云南省1∶50000 柯渡街幅、金所幅、尋甸縣幅及三岔幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查遙感地質(zhì)解譯圖（圖1），服務(wù)于地質(zhì)礦產(chǎn)相關(guān)科研生產(chǎn)部門。圖1 中可以清晰地看出工作區(qū)范圍內(nèi)南北向及北東向構(gòu)造的遙感影像及不同地層在影像中呈現(xiàn)出明顯的色彩差異，結(jié)合地形地貌特征可勾繪出地質(zhì)界線，為進(jìn)一步開(kāi)展區(qū)域地質(zhì)填圖工作提供支撐。

圖1 云南省1∶50000 柯渡街幅、金所幅、尋甸縣幅及三岔幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查遙感地質(zhì)解譯圖

在通行不便、人工難以到達(dá)的區(qū)域，利用高分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)工作區(qū)內(nèi)的大中型線性構(gòu)造、第四系地層、碳酸鹽巖分布區(qū)、侵入巖（花崗巖、霞石正長(zhǎng)巖、玄武巖）界線、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、人類活動(dòng)影響區(qū)、地貌特征進(jìn)行提取和識(shí)別，開(kāi)展地質(zhì)解譯工作，替代大部分人工地質(zhì)調(diào)查實(shí)地工作，提高了識(shí)別工作效率和精度。應(yīng)用高分衛(wèi)星縮減了地質(zhì)勘查成本，節(jié)省了20 人3 個(gè)月人力，產(chǎn)生了60 萬(wàn)～123 萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為合理布置探礦工程、勘探資源量提供重要參考。

2.礦床識(shí)別與評(píng)價(jià)

高分一號(hào)數(shù)據(jù)共有4 個(gè)波段，分別為紅綠藍(lán)及近紅外波段，包含有地物的光譜信息和空間信息。通過(guò)光譜特征進(jìn)行地物識(shí)別方法，對(duì)礦床進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，對(duì)發(fā)現(xiàn)礦化帶和礦化物的分布特征、評(píng)估礦產(chǎn)資源具有潛力和價(jià)值。

在建水縣普雄地區(qū)地質(zhì)調(diào)查等地質(zhì)工作中，利用高分一號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦地貌分區(qū)圖。在人工難以到達(dá)的區(qū)域或無(wú)人區(qū)，利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)羽狀山谷、圓頂山、淺剝蝕區(qū)等地貌特征的提取、識(shí)別，將探礦權(quán)范圍劃分為4 個(gè)地貌分區(qū)，開(kāi)展地貌解譯工作。通過(guò)地質(zhì)解譯、實(shí)地勘查，合理布置探礦工程，最終探獲資源量達(dá)大型規(guī)模，共伴生鈮、鎵、鈧、銣等多種有益金屬元素亦達(dá)大型以上規(guī)模，并選定水庫(kù)東南側(cè)為建水普雄風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦重點(diǎn)工作區(qū)，探獲了稀土工業(yè)礦體。建水普雄風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦地貌分區(qū)如圖2 所示。利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)識(shí)別地貌特征指導(dǎo)風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦找礦工作屬云南省內(nèi)首創(chuàng)，在識(shí)別工作區(qū)內(nèi)隱伏線狀構(gòu)造、通行不便地區(qū)地質(zhì)界線、第四系斷陷盆地及湖泊邊界等方面發(fā)揮較大優(yōu)勢(shì)。在此項(xiàng)工作中，縮減了地質(zhì)勘查成本，節(jié)省了10 人2 個(gè)月人力，產(chǎn)生了26 萬(wàn)～86 萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖2 云南省建水縣普雄風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦地貌分區(qū)圖

3.礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)

高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以監(jiān)測(cè)出礦山區(qū)域的環(huán)境變化和影響，如土地利用變化、水體污染、植被覆蓋等，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦山對(duì)環(huán)境的影響，為環(huán)境保護(hù)和綠色礦產(chǎn)勘查提供支持。

通過(guò)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)云南省曲靖市糯木村礦山開(kāi)采現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)不同時(shí)期礦山衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行對(duì)比，了解礦山開(kāi)采活動(dòng)，監(jiān)控礦山是否存在越界開(kāi)采行為，開(kāi)采行為是否合法、合規(guī)、合理，開(kāi)采活動(dòng)是否按照礦山開(kāi)發(fā)利用方案實(shí)施以及越界開(kāi)采被行政處罰后礦山的整改情況，土地復(fù)墾及植被恢復(fù)情況，臺(tái)階及邊坡的穩(wěn)定性（地質(zhì)災(zāi)害）情況等。圖3 為應(yīng)用高分二號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的糯木村礦山環(huán)境地質(zhì)遙感解譯圖斑分布圖。從圖3中可以識(shí)別出能源礦產(chǎn)集中區(qū)礦山及礦山固體廢棄物分布特征，為后期能源礦產(chǎn)集中區(qū)礦山環(huán)境生態(tài)修復(fù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

圖3 糯木村礦山環(huán)境地質(zhì)遙感解譯圖斑分布圖

4.礦產(chǎn)資源管理

高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)，如礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)程度、礦產(chǎn)儲(chǔ)量等。通過(guò)遙感圖像分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)狀況，提供決策支持和資源管理的依據(jù)。

在臨滄市臨翔區(qū)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀信息管理中，應(yīng)用高分一號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)臨滄市臨翔區(qū)三個(gè)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)對(duì)比圖（圖4），支撐臨滄市臨翔區(qū)國(guó)土部門及時(shí)掌握礦山企業(yè)開(kāi)采現(xiàn)狀信息，服務(wù)頻次為1年1 次。高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)每年能覆蓋全區(qū)100%的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全區(qū)的礦山開(kāi)采現(xiàn)狀信息監(jiān)管。使用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展監(jiān)測(cè)礦山現(xiàn)狀調(diào)查工作之后，業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)較之前的調(diào)查方式節(jié)省50%。使用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)露天開(kāi)采的礦山進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免了大量野外工作以及野外工作中對(duì)環(huán)境的破壞，極大地減少了礦山現(xiàn)狀測(cè)量工作人員的工作量，同時(shí)降低了監(jiān)測(cè)成本，使地質(zhì)礦產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化反映。通過(guò)遙感技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)的靜態(tài)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查技術(shù)限制，使整體地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查結(jié)果更加滿足現(xiàn)代化地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查需求。

圖4 臨滄市臨翔區(qū)三個(gè)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

5.礦產(chǎn)勘查規(guī)劃

高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以提供區(qū)域的地貌、地形、水文等信息，輔助礦產(chǎn)勘查規(guī)劃的制定。通過(guò)圖像分析，確定勘查區(qū)域的優(yōu)先級(jí)和方向，提高勘查工作的效率和準(zhǔn)確性，指導(dǎo)綠色勘查工作的開(kāi)展。利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提前對(duì)工作區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，有效識(shí)別地質(zhì)勘查區(qū)林地、耕地、生態(tài)紅線等地類分布情況，科學(xué)劃定勘查區(qū)范圍和路線，有針對(duì)性地部署地質(zhì)勘查工作，選取最優(yōu)方式開(kāi)展設(shè)計(jì)及野外定位。利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)無(wú)接觸、大范圍獲取地理信息的優(yōu)勢(shì)，制定科學(xué)綠色的勘探規(guī)劃，極大提高勘探效率，節(jié)省人力物力的同時(shí)，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

四、結(jié)論及展望

綠色勘探是未來(lái)地質(zhì)礦產(chǎn)勘探的必行之路，在保障礦產(chǎn)資源供給的前提下，做到最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和可持續(xù)性。高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在地質(zhì)背景分析、礦床識(shí)別與評(píng)價(jià)、礦產(chǎn)管理、礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)勘查規(guī)劃的礦產(chǎn)勘探工作中充分體現(xiàn)了致廣盡微的優(yōu)勢(shì)，為地質(zhì)信息獲取提供宏觀且具有細(xì)節(jié)的影像數(shù)據(jù)，助力實(shí)現(xiàn)地質(zhì)礦產(chǎn)勘探時(shí)空數(shù)據(jù)一體化，提升勘探效率。同時(shí)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)促使地質(zhì)工作者創(chuàng)新工作方法，探尋綠色勘探技術(shù)，完善礦產(chǎn)資源的綜合管理辦法。高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分六號(hào)衛(wèi)星由于高空間分辨率使用率較高，其余高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)使用率較低，技術(shù)方法以地質(zhì)解譯和遙感監(jiān)測(cè)為主。在未來(lái)工作中高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)要繼續(xù)發(fā)揮無(wú)接觸獲取大范圍地理信息的優(yōu)勢(shì)，豐富數(shù)據(jù)類型，挖掘高光譜數(shù)據(jù)中的信息，創(chuàng)新技術(shù)方法，充分開(kāi)發(fā)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)效能。總之，高分系列衛(wèi)星在綠色礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域依然有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ@需要地質(zhì)工作者和遙感技術(shù)人員在未來(lái)實(shí)踐中不斷探索。