基于IKONOS數(shù)據(jù)的贛南離子吸附型稀土礦非法開采監(jiān)測(cè)研究

代晶晶, 王瑞江, 王登紅, 陳鄭輝

中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

基于IKONOS數(shù)據(jù)的贛南離子吸附型稀土礦非法開采監(jiān)測(cè)研究

代晶晶, 王瑞江, 王登紅, 陳鄭輝

中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

隨著稀土價(jià)值的不斷攀升, 稀土資源亂采濫挖現(xiàn)象日益嚴(yán)重, 如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行稀土礦山非法開采監(jiān)測(cè)成為相關(guān)政府部門管理的重中之重, 高空間分辨率遙感技術(shù)為解決上述問題提供了思路。本文選取贛南尋烏地區(qū)離子吸附型稀土礦區(qū)為研究區(qū), 運(yùn)用IKONOS遙感數(shù)據(jù)結(jié)合礦權(quán)資料建立了離子吸附型稀土礦山非法開采解譯標(biāo)志, 結(jié)合地質(zhì)巖體資料分析了稀土礦山開采重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。研究表明高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)處理與分析為離子吸附型稀土礦礦山非法開采快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了良好的技術(shù)手段。

高空間分辨率; 遙感數(shù)據(jù); 離子吸附型稀土礦; 非法開采監(jiān)測(cè)

離子吸附型稀土礦是1969年在我國江西首次發(fā)現(xiàn)的一種新型稀土礦, 該礦具有分布廣、儲(chǔ)量豐富、放射性低、稀土配分齊全, 富含中重稀土元素等優(yōu)勢(shì), 是我國目前特有的稀土礦產(chǎn)資源, 也是世界上稀缺的礦種, 廣泛分布在我國南方的江西、福建、湖南、廣東、廣西等省, 其中江西省所占份額最大(池汝安等, 2006)。近年來, 由于對(duì)稀土資源需求量的不斷增加和稀土價(jià)值的不斷攀升, 致使稀土礦區(qū)開采規(guī)模擴(kuò)大, 一些不法商人或單位為謀取暴利, 超出礦權(quán)范圍違法開采稀土礦。因此,如何快速、有效、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)離子吸附型稀土礦山非法開采活動(dòng)成為一個(gè)重要的科學(xué)和社會(huì)問題。

贛南離子吸附型稀土礦山分布于崇山峻嶺之中, 交通不便, 如果使用普通監(jiān)控手段不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 而且工作效率很低, 礦山管理的難度較大。遙感技術(shù)作為一種新技術(shù)手段, 可以實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地提取地表及淺地表信息(王海平等, 2005; 楊金香等, 2010; 閆立娟等, 2012; 代晶晶等, 2012), 可以彌補(bǔ)以往礦山環(huán)境調(diào)查中人工采集信息的時(shí)效性差、采集范圍有限和采集信息的地方保護(hù)等不足。特別是近年來高空間分辨率遙感衛(wèi)星得到了長足的發(fā)展, 商用衛(wèi)星的分辨率高達(dá) 0.5 m左右, 使得地物識(shí)別能力大大增強(qiáng)(凌春麗等, 2010; 李思發(fā)等,2011; 孟丹等, 2011; 南竣祥等, 2012; 郝利娜等,2012), 空間分辨率的提高為稀土礦山非法開采監(jiān)測(cè)提供了良好的數(shù)據(jù)保障。

前人運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)稀土礦山開采現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究工作(王瑜玲等, 2006; 王瑜玲,2007; 王平等, 2007; 王陶等, 2009), 但是對(duì)于離子吸附型稀土礦區(qū)非法開采解譯標(biāo)志尚無深入研究, 僅僅是對(duì)稀土礦區(qū)地物類型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分類和統(tǒng)計(jì)。本文采用 IKONOS高空間分辨率遙感數(shù)據(jù), 以贛南尋烏地區(qū)離子吸附型稀土礦山為例,開展稀土礦山非法開采解譯標(biāo)志的進(jìn)一步研究,區(qū)分出了圖像獲取時(shí)間正在非法開采的圖斑和圖像獲取時(shí)間之前非法開采遺留的圖斑兩類疑似違法圖斑, 并結(jié)合地質(zhì)巖體信息分析了今后需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的區(qū)域。這一研究揭示了高空間分辨率遙感技術(shù)在離子吸附型稀土礦山非法開采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力, 同時(shí)研究結(jié)果可以為礦政管理部門制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃、整頓礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序等提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

1 贛南離子吸附型稀土礦山開采方式

在離子吸附型稀土礦的開采史上, 共采用過3種開采方式: 池浸法、就地堆浸法和原地浸礦法。池浸法是最早使用的一種開采方式, 即把含有稀土的土壤運(yùn)到固定的浸礦池, 沉浸 24小時(shí)后, 再回收液體, 沉淀出稀土元素。就地堆浸工藝開采方式在原理上與池浸法基本相同, 只是在含有稀土礦的地區(qū)開采后, 就地堆砌堆浸場(chǎng), 進(jìn)行稀土礦提取。原地浸礦法是在不破壞礦體地表植被, 不開挖表土與礦體的情況下, 布置井網(wǎng), 利用一系列淺井(即注液井)將電解質(zhì)溶液直接注入礦體, 電解質(zhì)溶液中的陽離子將吸附在稀土礦物表面的稀土離子交換解析下來, 形成稀土母液, 然后收集浸出母液在沉淀池中回收稀土(趙靖等, 2001; 高志強(qiáng)等, 2011)。目前南方離子型稀土礦開采方式中池浸法、就地堆浸法基本被廢棄, 主要開采方式為原地浸礦法(池汝安等, 2007; 祝怡斌等, 2011)。這三種開采方式均為地表開采, 開采過程均會(huì)在地表留下痕跡, 故運(yùn)用高空間分辨率遙感技術(shù)可以對(duì)礦山開采現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)介

本文選擇的研究區(qū)位于贛南尋烏地區(qū), 尋烏地處江西東南端, 地理位置如圖1所示。所用IKONOS數(shù)據(jù)拍攝時(shí)間為2011年7月24日。IKONOS衛(wèi)星于1999年9月24日發(fā)射成功, 是世界上第一顆提供高分辨率衛(wèi)星影像的商業(yè)遙感衛(wèi)星。高度為681 km, 軌道傾角98.1°, 太陽同步準(zhǔn)回歸軌道, 重訪周期為 3天, 它共有 5個(gè)工作波段, 多光譜波段空間分辨率為4 m, 全色波段空間分辨率達(dá)到1 m,成像幅寬為11 km × 11 km, 各波段具體技術(shù)參數(shù)如表1所示(宋剛賢等, 2009; 丁麗等, 2010)。

3 IKONOS圖像處理

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig. 1 Location of the study area

表1 IKONOS各波段技術(shù)參數(shù)表Table 1 Parameters of various bands of IKONOS

表2 IKONOS數(shù)據(jù)各波段相關(guān)性Table 2 Correlation of various bands of IKONOS

表3 尋烏地區(qū)稀土礦山各種地物解譯標(biāo)志(以IKONOS 341波段組合圖像為例)Table 3 Interpretation key of various objects of rare earth ore in Xunwu area(with color composition of IKONOS 341 bands as an example)

圖2 尋烏地區(qū)疑似違法圖斑遙感解譯圖(以IKONOS341波段彩色合成圖為例)Fig. 2 Remote sensing interpretation of suspected unauthorized mining area in Xunwu(with color composition of IKONOS 341 bands as an example)

IKONOS圖像處理主要包括幾何校正、數(shù)據(jù)融合及最佳波段選擇。幾何校正的步驟是多光譜波段基于Google Earth參考選取控制點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式法幾何校正, 全色波段基于校正后的多光譜波段進(jìn)行多項(xiàng)式法幾何校正。多光譜與全色波段圖像融合的方法主要包括主成分變換、乘積變換、Gram-schmidt變換和小波變換等, 通過 ENVI遙感圖像處理軟件進(jìn)行處理, 最后選用目視效果最好的Gram-schmidt變換結(jié)果?；谌诤虾蠼Y(jié)果, 采用分析各波段的相關(guān)系數(shù)矩陣來決定波段的最佳組合方式(趙英時(shí), 2003)。從波段相關(guān)性來看(表 2),2波段和 1波段、3波段的相關(guān)性都較大, 而 3波段和 4波段相關(guān)性較小, 而且從單波段影像上可以發(fā)現(xiàn) 2波段和 1波段圖像整體亮度值偏低,地物反差較小, 在1波段上泥沙中的酸性液體反射較高。3波段上泥沙、礦區(qū)反射都很高, 地物反差較大, 各種地物易識(shí)別和區(qū)分。4波段上植被反射高, 所以圖像整體偏亮。為了提取豐富的地物信息,選取3、4、1波段分別賦予紅綠藍(lán)進(jìn)行假彩色合成(圖 2)。

圖3 尋烏地區(qū)稀土礦山各種地物圖像特征Fig. 3 Image characteristics of various objects in Xunwu area

圖4 違法圖斑的判定及野外調(diào)研圖片F(xiàn)ig. 4 Determination of unauthorized mining area and photographs of field survey

4 礦權(quán)數(shù)據(jù)及地質(zhì)巖體信息的疊加及分析

4.1 稀土礦山基本地物類型解譯標(biāo)志的建立

圖像信息和地物的地表特征二者間的內(nèi)在聯(lián)系可通過解譯標(biāo)志有效地聯(lián)系起來。任何可視地物要素在其遙感影像上都具有一定的光譜特征、幾何特征及其它輔助特征。其中光譜特征在視覺上最直觀的反映就是色調(diào), 幾何特征在視覺上最直觀的反映就是形狀, 其它輔助特征在視覺上的直觀反映有陰影、紋理及影像結(jié)構(gòu)。所謂影像特征分析就是從色調(diào)、形狀、陰影、紋理及影像結(jié)構(gòu)等方面對(duì)提取的可視地物要素進(jìn)行影像的定性分析。通過對(duì)這些地物要素影像的定性分析, 總結(jié)、歸納出這些地物要素各自所具有的影像特征, 以此作為這些地物要素的解譯標(biāo)志和依據(jù)(王曉紅等, 2004), 并通過野外實(shí)地驗(yàn)證和修改。研究區(qū)內(nèi)地物類型多樣, 通過研究收集的的資料、野外踏勘, 以及對(duì)IKONOS圖像341波段究收集彩色合成后, 綜合分析影響解譯要素, 可以建立稀土礦山基本地物類型解譯標(biāo)志, 主要包括尾砂區(qū)、高位池、晾曬坪、沉淀池(浸液池)、建筑物等(表3, 圖3)。

圖5 礦權(quán)及巖體信息疊加圖Fig. 5 Stacking chart of mining right data and geological rock masses data

4.2 疑似違法圖斑的圈定

基于稀土礦山基本地物類型解譯標(biāo)志, 可以進(jìn)一步圈定疑似違法圖斑。尋烏地區(qū)擁有礦權(quán)的礦區(qū)主要包括上甲園墩背、南橋下廖、石排涵水、上甲柯樹塘、原礦生產(chǎn)、雙茶亭共計(jì)6個(gè)礦區(qū)。在ArcGIS軟件中, 將IKONOS遙感數(shù)據(jù)與尋烏地區(qū)礦區(qū)礦權(quán)邊界疊加分析, 發(fā)現(xiàn)在礦權(quán)邊界以外存在多處稀土礦山地物特征的區(qū)域, 共圈定了 21個(gè)疑似違法圖斑區(qū)域(圖2)。

4.3 非法開采解譯標(biāo)志的建立

圖2圈定的疑似違法圖斑主要包括兩種: (1)之前存在非法開采活動(dòng)遺留的疑似違法圖斑, 但是在圖像獲取時(shí)間非法開采活動(dòng)已停止; (2)在圖像獲取時(shí)間非法開采活動(dòng)還在進(jìn)行。根據(jù)這兩種情況, 分別可以建立相應(yīng)的非法開采解譯標(biāo)志。區(qū)分這兩種疑似違法圖斑的判斷依據(jù)主要為觀察圖像上沉淀池(浸液池)及礦區(qū)周邊河流的顏色, 如果圖像上沉淀池(浸液池)及礦區(qū)周邊河流的顏色同正常水體相比存在異常, 則判定此礦區(qū)圖像獲取時(shí)間非法開采活動(dòng)還在進(jìn)行; 如果圖像上沉淀池(浸液池)及礦區(qū)周邊河流的顏色同正常水體相比基本無變化, 則判定此礦區(qū)圖像獲取時(shí)間無非法開采活動(dòng)。主要原因是化學(xué)藥劑的加入及浸液對(duì)周邊河流的污染,使得沉淀池(浸液池)及礦區(qū)周邊河流的顏色和正常水體的顏色存在著很大的差異, 在 IKONOS 341彩色合成圖像上正常水體呈藍(lán)黑色, 而加入了化學(xué)藥劑的水體顏色呈現(xiàn)出粉色、紫紅色特征。如果礦山正在生產(chǎn), 則沉淀池(浸液池)及礦區(qū)周邊河流的顏色存在異常; 而如果長期處于停產(chǎn)狀態(tài), 由于南方雨水的淋濾, 沉淀池中化學(xué)藥劑的濃度較低, 基本和正常水體顏色接近?；诖苏J(rèn)識(shí),我們對(duì)其中的一些圖斑進(jìn)行了野外調(diào)研, 可見上述結(jié)論是可行的(圖4)。

圖6 預(yù)警區(qū)域提取結(jié)果圖Fig. 6 Extraction result image of warning areas

4.4 地質(zhì)巖體信息的疊加與分析

因贛南離子吸附型稀土礦主要分布在中酸性花崗巖及火山巖體中(張祖海, 1990; 池汝安等, 1995;于揚(yáng)等, 2012), 故地質(zhì)巖體信息在研究過程中十分重要。在ArcGIS軟件中將1:5萬地質(zhì)圖中巖體信息與礦權(quán)數(shù)據(jù)疊加(圖 5), 可見目前稀土礦開采區(qū)域主要位于地質(zhì)巖體信息之中, 整體上符合地質(zhì)規(guī)律,但是在開采區(qū)域的外圍巖體中還存在多處未開采痕跡, 這些未開采的區(qū)域一方面可以作為今后離子吸附型稀土礦預(yù)測(cè)的依據(jù), 另外可以作為今后相關(guān)政府管理部門需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的區(qū)域, 即預(yù)警區(qū)域。預(yù)警區(qū)域提取的思路為: 首先在ENVI遙感圖像處理軟件中運(yùn)用監(jiān)督分類方法提取圖像上稀土礦開采區(qū)域, 然后在ArcGIS軟件中將巖體信息和開采區(qū)區(qū)域信息進(jìn)行疊加相減操作, 可以快速得到預(yù)警區(qū)域范圍, 如圖6所示。

5 結(jié)論

本文通過運(yùn)用 IKONOS遙感數(shù)據(jù)在贛南離子吸附型稀土礦區(qū)進(jìn)行非法開采監(jiān)測(cè)示范研究, 根據(jù)礦權(quán)信息與圖像的疊加分析, 可以圈定疑似違法圖斑, 根據(jù)礦區(qū)浸液池沉淀池和礦區(qū)周邊河流中的顏色可以進(jìn)一步確定是否處于非法開采狀態(tài)。根據(jù)地質(zhì)圖中巖體信息與礦權(quán)數(shù)據(jù)疊加分析, 可以圈定今后應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的區(qū)域。但是目前研究中也存在一些問題, 主要包括: 1)離子吸附型稀土礦主要分布在南方地區(qū), 由于南方多云多雨的氣候特征, 高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取存在一定困難, 建議每年的 11月份到次年的 3月份進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取, 也建議開展雷達(dá)數(shù)據(jù)在稀土礦山監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究, 以彌補(bǔ)光學(xué)數(shù)據(jù)受天氣影響的局限性。2)由于高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)購買價(jià)格較高, 應(yīng)加強(qiáng)國產(chǎn)衛(wèi)星如中巴資源 02C星、資源3號(hào)衛(wèi)星在稀土礦山開采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。

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The Investigation of Unauthorized Mining of Ion-absorbed Rare Earth Ore Deposits in South Jiangxi Province Based on IKONOS Data

DAI Jing-jing, WANG Rui-jiang, WANG Deng-hong, CHEN Zheng-hui
MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037

Unauthorized mining of ion-absorbed rare earth ore deposits have become more and more serious with the rising of the price of rare earth. The quick and accurate investigation of unauthorized mining has thus become government administrators’ major concern. High resolution remote sensing technology provides an idea for solving this problem. In this paper, ion-absorbed rare earth ore district in Xunwu area of south Jiangxi was selected as the study area, and IKONOS remote sensing data was used for investigation. The interpretation criteria were built with the help of the mining right data, and the vital monitoring areas were mentioned using the geological rock mass data. The results indicate that high resolution remote sensing processing can provide a good method for quick, accurate and dynamic investigation of ion-absorbed rare earth ore deposits.

high resolution; remote sensing data; ion-absorbed rare earth ore; unauthorized mining investigation

P627; P618.4

A

10.3975/cagsb.2014.04.13

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目“我國三稀資源戰(zhàn)略調(diào)查研究”(編號(hào): 1212011220804)、“華東地區(qū)礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)”(編號(hào): 1212011220064)和中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(編號(hào): K1315)聯(lián)合資助。

2013-06-03; 改回日期: 2013-08-14。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

代晶晶, 女, 1982年生。副研究員?，F(xiàn)主要從事遙感地質(zhì)找礦及礦山監(jiān)測(cè)研究工作。通訊地址: 100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街26號(hào)。電話: 010-68999055。E-mail: daijingjing863@sina.com。