蘇一鳴,崔艷梅,詹雅婷,陳 晨,朱葉飛
(江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210018)
礦產資源是一種十分重要的不可再生自然資源,是人類社會賴以生存和發(fā)展不可或缺的物質基礎。長期以來,由于多種原因,礦產資源的開發(fā)利用與管理都很粗放,不僅造成了礦產資源的嚴重浪費,甚至影響經濟的持續(xù)發(fā)展(楊金中等,2009)。利用先進的遙感技術,對江蘇重點礦集區(qū)礦山資源開發(fā)利用狀況、礦山地質環(huán)境等開展遙感調查與監(jiān)測,獲取客觀數據,為礦產資源管理部門提供決策依據。
研究區(qū)位于江蘇西南部,與安徽省、浙江省接壤。行政區(qū)劃包括常州溧陽市及無錫宜興市(圖1)。
區(qū)內地形地貌主要以低山丘陵、殘坡積平原、沖積平原為主。總體地勢有南高北低的特點,南部為丘陵山區(qū),北部為平原區(qū),東部為太湖瀆區(qū),西部為低洼圩區(qū)(圖2)。區(qū)內礦產以露采方式為主,非金屬礦產有水泥用灰?guī)r、建筑石料用灰?guī)r。
資源一號02C星(以下簡稱ZY-1 02C)是我國自主研發(fā)的高分辨率遙感數據衛(wèi)星,該星于2011年12月22日成功發(fā)射,搭載有全色多光譜相機和全色高分辨率相機,可廣泛應用于國土資源調查與監(jiān)測、防災減災、農林水利、生態(tài)環(huán)境等領域。ZY-1 02C衛(wèi)星具有2個顯著特點:(1)配置的10 m分辨率P/MS多光譜相機是我國民用遙感衛(wèi)星中最高分辨率的多光譜相機;(2)配置的2臺2.36 m分辨率HR相機,數據的幅寬達到54 km,從而使數據覆蓋能力大幅增加,使重訪周期大大縮短。ZY-1 02C衛(wèi)星主要載荷指標參數見表1(中國資源衛(wèi)星應用中心,2013)。
研究區(qū)資源一號02C衛(wèi)星影像數據時相為2013年5月1日,衛(wèi)星過境時間為北京時間15:58。影像為1C級TIFF格式,即經過系統(tǒng)幾何與輻射校正后且提供RPC參數的影像,全色(HR)以及多光譜(MS)數據均攜帶完整投影信息以及RPC參數。影像無云覆蓋、清晰,質量較好(圖3)。
圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Map showing traffic of the study area
圖2 研究區(qū)地形地貌圖Fig.2 Topography and geomorphology of the study area
圖3 ZY-1 02C星原始數據索引圖Fig.3 Index maps of raw data for the satellite ZY-1 02C
表1 ZY-1 02C衛(wèi)星影像參數Table 1 Parameters of the ZY-1 02C stallite images
由于衛(wèi)星自身的特點及拍攝時環(huán)境的影響,原始數據不能直接用于工作中,需對其進行必要的后處理,以滿足應用的要求。主要的處理包括灰度調整、正射糾正、匹配、融合(孫富貴等,2008)。
2.3.1 灰度調整 原始數據灰度值范圍較窄,波段組合后色彩溢出,形成偏色,不利于地物的判讀;灰度調整的目的是為了保持各單色間的平衡,使組合后的影像色彩更接近自然色(圖4)。
圖4 灰度調整前后影像效果對比Fig.4 Comparison of image results before and after the gray scale adjustment
2.3.2 正射校正 大比例尺地形圖和高精度DEM數據是進行ZY-1 02C遙感影像高精度正射校正所必需的基礎地理數據。利用1∶5萬數字地形圖及其生成的DEM數據作為ZY-1 02C遙感影像正射校正的基礎數據。ZY-1 02C遙感影像正射校正包括HR數據、PMS數據的校正。由于HR1、HR2是2個相機的入射角、成像角有一定的差別,故需要利用各自的RPC分別進行正射,得到結果后拼接成完整的全景HR影像(馬熹肇,2012)。選取ERDAS軟件對影像進行正射校正(圖5),主要有以下5個步驟。
圖5 ZY-1 02C星數據處理流程圖Fig.5 Flow chart showing processing the ZY-1 02C satellite data
(1)參數設置。利用ERDAS軟件提供的QuickBird RPC模塊自動獲取待校正遙感影像的瞬時狀態(tài)參數(包括衛(wèi)星成像瞬間的高度、傾角、經緯度等)來恢復該影像的成像模型,根據成像模型利用DEM數據糾正投影差。
(2)HR數據拼接。HR1與HR2正射糾正后,接邊處存在偏移,需進行邊緣配準,該處理采用ERDAS軟件中自動邊緣匹配模塊對正射校正后的HR1和HR2數據進行邊緣匹配(黨安榮等,2003),鑲嵌后無明顯地物錯位情況,效果較好(圖6)。
圖6 正射后HR1與HR2配準前后效果對比圖Fig.6 Comparison of registration effects for the orthorectified HR1 and HR2 data
(3)HR數據與PMS多光譜數據匹配。根據高分辨率圖像作為基準圖像校正低分辨率圖像的原則,利用遙感軟件的自動配準功能,以正射后的高分辨率數據為基準,對多光譜據進行校正,確保融合數據精度。
(4)HR數據與PMS多光譜數據融合。ZY-1 02C衛(wèi)星HR數據空間分辨率高,易于判讀,由于是單波段黑白圖像,無法呈現真實世界豐富的地物光譜信息,限制了其更廣泛的應用。而ZY-1 02C衛(wèi)星PMS多光譜數據具有豐富的光譜信息,其分辨率偏低,適用于宏觀判讀和分析,難以提取城市的細節(jié)信息。將二者不同空間分辨率遙感圖像進行影像融合處理,使處理后的遙感圖像既具有較好的空間分辨率又具有多光譜特征,色彩信息豐富,可信度更高,信息量更大,兩者取長補短可以最大限度地發(fā)揮衛(wèi)星數據的作用。
影像融合常采用的方法有HSV變換、主成分變換(PCA變換)、線性加權乘積變換、Brovey變換、Gram-Schmidt變換等融合方法(張薇等,2005)。采用Gram-Schmidt融合方法將2.36 m HR數據與10 m PMS數據進行融合,融合后提高了影像的解譯精度,信息量更加豐富,較好地顯示了地物的紋理信息(圖7)。
圖7 Gram-Schmidt融合前后影像效果Fig.7 Comparison of image effects before and after the Gram-Schmidt fusion
(5)真彩色合成。ZY-1 02C多光譜只有綠色、紅色、近紅外3個波段,無法獲得真彩色影像,為更易判讀地物,可以利用已有波段模擬真彩色。方法是將原來的綠波段(0.52~0.59 μm)當作藍波段(該波段靠近藍波段的光譜范圍),紅波段(0.63~0.69 μm)仍采用原來的波段,綠波段用綠波段、近紅外波段按3∶1的加權算術平均值來代替(R:Red,G:(Green×3+Nir)/4,B:Green)(圖 8)(馬熹肇,2012)。
圖8 ZY-1 02C近紅外、紅、綠色波段合成的真彩色影像Fig.8 True-color image of ZY-1 02C data synthesized by near-infrared,red and green bands
研究選用的ZY-1 02C星數據融合后空間分辨率為2.36 m,可以分辨出的礦山地物包括采場、排土場、礦山建筑、尾礦庫等位置、范圍、開發(fā)現狀,但對大中型礦山活動開采面的判定、小型礦山的開采狀況(是否開采)的判定效果欠佳(楊金中等,2011)。研究區(qū)礦山開發(fā)遙感調查涉及的礦山目標地物類型包括活動開采面、采場、中轉場地、礦山道路等,上述地物在處理后的ZY-1 02C星影像上均有清晰的影像特征(王曉紅等,2006)。
2.4.1 采場 露采礦山采場多沿礦脈延伸方向展布,呈負地形,邊部階梯狀剝離臺階發(fā)育,采場內無植被,人為活動與地貌破壞明顯,采場影像特征與周圍地物差異明顯(圖9)。
圖9 采場遙感解譯標志Fig.9 Indicator of remote sensing interpretation for the stope
2.4.2 中轉場地 中轉場地多靠近采場修建,選礦傳輸帶在遙感影像上成線狀分布(圖10)。
2.4.3 礦山道路 采場內礦山道路在影像上色調較亮,有明顯的線狀特征,主要用于輔助判讀活動開采面位置(圖11)。
2.4.4 磚瓦廠 磚瓦廠一般由燒磚廠、堆磚場、取土場3個部分組成,堆土場影像上紋理呈網格狀分布,由于位于平原區(qū),占用的都是耕地,與周圍耕地色調差異較大,燒磚廠與其相連(圖12)。
圖10 中轉場地遙感解譯標志Fig.10 Indicator of remote sensing interpretation for the transit site
圖11 礦山道路遙感解譯標志Fig.11 Indicator of remote sensing interpretation for mine road
礦山開發(fā)遙感調查提取信息內容主要包括以下2個方面(楊金中等,2009)。
(1)開發(fā)利用狀況調查:查清礦產資源開采點或開采面的位置、開采方式(露天、地下);查明礦山開采狀態(tài)(正在開采、停產或關閉)和礦業(yè)秩序(是否無證開采、越界開采等)。
(2)礦山地質環(huán)境調查:按正在開采、廢棄礦山,查明礦山開發(fā)區(qū)的采場、礦山建筑物、中轉場地(煤堆、礦石堆、洗煤廠、選礦廠、選礦池等)、固體廢棄物(排土(石)場、尾礦庫、煤矸石堆等)分布和占地情況。
圖12 磚瓦廠遙感解譯標志Fig.12 Indicator of remote sensing interpretation for brick and tile factory
2.6.1 礦山開發(fā)狀況在礦山遙感解譯標志的基礎上,共圈定礦山類型圖斑115個,其中采場圖斑67個,中轉場地圖斑26個;實地調查發(fā)現活動開采面22個,其中疑似違法開采圖斑7處,涉及礦種為水泥用灰?guī)r、磚瓦用黏土和制灰用灰?guī)r,違法類型為疑似越界和疑似無證(圖13)。
圖13 宜溧工作區(qū)礦山開發(fā)疑似違法開采圖斑統(tǒng)計圖Fig.13 Statistics of suspected illegal mine development in the Yixing-Liyang work area
2.6.2 礦山地質環(huán)境 工作區(qū)礦山開發(fā)占地總面積1 278.6 hm2(表2)。其中合法開采占地1 224.07 hm2,違法開采占地54.53 hm2。按礦山類型分,采場占地1 067.29 hm2,占比83%;中轉場地占地211.31 hm2,占比17%。按礦種類型分,建筑石料用灰?guī)r礦占地最多,為380.64 hm2;方解石礦占地最少,為5.91 hm2。
表2 宜溧工作區(qū)礦山開發(fā)占地統(tǒng)計表Table 2 Statistics of mine development areas in the Yixing-Liyang work area
(1)ZY-1 02C具有自身的優(yōu)勢和特點,其覆蓋范圍廣、成像周期短,大大提高了時效性。從影像質量上分析,ZY-1 02C數據空間分辨率高,對地物的紋理信息顯示明顯,影像上各類遙感標志清晰,能夠識別各類礦山開發(fā)占地類型。
(2)采用的Gram-Schmidt融合方法效果最好,較好地顯示了地物的紋理信息。
(3)礦山類型影像特征明顯,易于遙感判讀,在宜溧露采非金屬礦區(qū)應用效果較好,可以應用于露采礦山集中地區(qū)1∶5萬精度的礦山開發(fā)遙感調查工作中。
(4)比較國外同等分辨率的SPOT衛(wèi)星數據,國產ZY-1 02C數據價格低廉,在礦山遙感監(jiān)測中更是免費使用,大大降低了監(jiān)測成本,體現了較好的社會經濟效益。
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