有關(guān)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方法探索

賈靜波孫艷榮

1.遼寧省有色地質(zhì)局一○四隊(duì)；2.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院

有關(guān)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方法探索

賈靜波1孫艷榮2

1.遼寧省有色地質(zhì)局一○四隊(duì)；2.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院

科技的發(fā)展促進(jìn)了技術(shù)領(lǐng)域的革新，遙感監(jiān)測(cè)作為一項(xiàng)前沿科技隨著技術(shù)應(yīng)用的成熟，在地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越普遍。本文以筆者近年來從事有關(guān)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方面的經(jīng)驗(yàn)累積為基礎(chǔ)，針對(duì)應(yīng)用于我國(guó)當(dāng)前礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)以及主要監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)性的研究與闡述，對(duì)于從事相關(guān)工作的人員有一定參考意義。

以往對(duì)于可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的礦山環(huán)境所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，主要依靠監(jiān)測(cè)人員的實(shí)地調(diào)查或者當(dāng)?shù)厝罕姷膱?bào)告等人工方式，難以做到實(shí)時(shí)化、可視化監(jiān)測(cè)，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生很難發(fā)揮有效作用，給當(dāng)?shù)匕傩丈?cái)產(chǎn)安全造成了極大的威脅。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而興起的以全球定位衛(wèi)星及地理信息系統(tǒng)為技術(shù)支撐的可視化、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)方法，極大改善了監(jiān)測(cè)工作的可靠性。因此，將遙感技術(shù)推廣應(yīng)用，促進(jìn)其技術(shù)方法更加成熟，對(duì)于這一技術(shù)更好的為人類造福有極大意義。

礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

圖像處理關(guān)鍵技術(shù)

在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)中，實(shí)施監(jiān)測(cè)的兩個(gè)時(shí)相的遙感影像需具備一致的空間分辨率、成像時(shí)間及成像季節(jié)，且具備相同的植被覆蓋狀況及光譜值。但因遙感影像成像環(huán)境差異，遙感影像間常存在較多的輻射誤差與幾何誤差，所以在遙感影像變化監(jiān)測(cè)中要對(duì)成像環(huán)境進(jìn)行修正，降低成像環(huán)境的誤差量。

（1）輻射校正：其基本目的是盡量消減影像因太陽(yáng)高度角、大氣條件及傳感器影像的形成的遙感成像與真實(shí)地物間的輻射亮度差異，通常分為相對(duì)輻射校正與絕對(duì)輻射校正兩種方法；相對(duì)輻射校正是依據(jù)選定的參考圖像，將其與同地區(qū)內(nèi)的其他遙感影像進(jìn)行輻射匹配，以消減影像間的輻射差異，其常用的矯正方法由基于偽不變特征的校正、基于統(tǒng)計(jì)量的校正及直方圖匹配等。

（2）影像融合：其基本目的是將采用不同尺度、不同傳感器類型獲取的同地區(qū)的影像通過相應(yīng)處理措施以改善影像的光譜信息、空間分辨率和紋理信息等特征；當(dāng)前常用的融合方法有多時(shí)相影像融合、不同分辨率影像融合、不同傳感器影像融合、多波段影像數(shù)據(jù)融合等類型；HIS變換法是當(dāng)前影像融合算法的常用算法，此種算法簡(jiǎn)單且方便操作，可有效增強(qiáng)影像色彩信息與空間信息特征，但對(duì)于植被顏色信息特征處理水平較低，主要是因?yàn)橹脖晃湛梢姽?，且反射紅外光，而全色波段內(nèi)包含的一些近紅外波段信息會(huì)在全色波段高亮顯示，較小的顏色噪聲便會(huì)被放大。

信息提取關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于地理信息系統(tǒng)的礦山地物識(shí)別技術(shù)：此技術(shù)主要是以面向?qū)ο筮b感處理技術(shù)為前提，通過對(duì)遙感影像進(jìn)行圖像分割以形成圖像對(duì)象，進(jìn)而深入提取分類輔助信息，并采用空間分析方法完成空間目標(biāo)物識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)；圖像分割中需考慮空間信息與影像光譜信息兩方面的因素。

（2）影像直接對(duì)比法采集變化信息：常用的有內(nèi)積分析法、影像差值法、變化向量分析法、影像比值法等檢測(cè)方法；影像差值法的基本原理是對(duì)時(shí)相t1的遙感影像與時(shí)相t2的遙感影像做減法，若影像間差異較小，則相減結(jié)果應(yīng)趨近于零或?yàn)榱?，若影像間差異較大，則結(jié)果應(yīng)表現(xiàn)為較大值；一般差值影像亮度值按照高斯分布，計(jì)算時(shí)可對(duì)差值影像結(jié)果求絕對(duì)值以保證差值結(jié)果均為非負(fù)值。

礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方法

崩塌遙感監(jiān)測(cè)方法

崩塌通常是露天采石采礦、道路開挖等造成的，大多數(shù)會(huì)產(chǎn)生在節(jié)理裂隙發(fā)育的陡崖位置，破損面凹凸差異大，上陡下緩。遙感影像上崩塌體后緣發(fā)育呈現(xiàn)弧形或直線形，陽(yáng)坡呈現(xiàn)淺色條區(qū)塊、陰坡呈現(xiàn)深色陰影區(qū)帶。為便于凸顯崩塌發(fā)育狀況，對(duì)ETM、TM圖像使用741與453波段進(jìn)行組合和線性增強(qiáng)處理，從而提高山體完整度、植被覆蓋率、巖性特征反映的清晰度；對(duì)于SPOT213波段組合圖像通過直方圖調(diào)整與HSV融合增強(qiáng)處理，可提高地形地貌顯示的清晰度；對(duì)于SPOT5圖像校正時(shí)應(yīng)增加控制點(diǎn)數(shù)量，并使用幾何多項(xiàng)式實(shí)施三次卷積重采樣法變換，可保證圖像精確度；對(duì)部分航片數(shù)據(jù)實(shí)施對(duì)比度拉伸，可有效凸顯山體細(xì)節(jié)。依據(jù)不同片種的遙感分析表明，ETM與TM圖像對(duì)于崩塌宏觀地質(zhì)條件的顯示水平較高，而對(duì)于崩塌產(chǎn)生的形態(tài)特征顯示水平較低。通常崩塌形態(tài)要素在航片、SPOT5圖像中具有較高的精度，其崩塌壁大多數(shù)呈現(xiàn)淺色調(diào)，輪廓線清。

圖1　崩塌地質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)

圖2　某采空區(qū)遙感監(jiān)測(cè)圖

采空塌陷遙感監(jiān)測(cè)方法

在不同地區(qū)不同礦種中，采空塌陷對(duì)于地表的破壞程度也會(huì)不同，在遙感圖像中會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異性。在TM圖像中塌陷會(huì)呈現(xiàn)出單獨(dú)的橢圓形或環(huán)形斑點(diǎn)與板塊，不同斑塊間的明暗程度也不相同；因塌陷坑是具有不同深度的負(fù)地形，在陰影條件下其可呈現(xiàn)出明顯的立體效果。塌陷坑的陰影通常會(huì)產(chǎn)生在環(huán)形斑塊內(nèi)側(cè)的下半部，而土堆陰影通常會(huì)產(chǎn)生在環(huán)形斑塊內(nèi)側(cè)的上半部，與正地形立體效果正好相反，其是判斷塌陷坑的基本指標(biāo)。因B4水體反映效果好，B5信息量較多，在不同地質(zhì)類型的反差較大，B1具有較高的水體亮度值，所以使用TM451段可有效呈現(xiàn)塌陷區(qū)的變化狀況。因礦區(qū)大氣污染相對(duì)嚴(yán)重，可對(duì)圖像實(shí)行濾波或?qū)Ρ榷壤焯幚?，以改善其?xì)節(jié)顯示水平。由于采空塌陷區(qū)與周圍地質(zhì)環(huán)境間的差異較大，可使用闕值法實(shí)施塌陷地信息采集，并采用3波段差值彩色合成法對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行處理，由此便能充分反映塌陷區(qū)接近10年的動(dòng)態(tài)地形變化。若塌陷區(qū)被掩埋，則其塌陷類型在圖像上的識(shí)別水平主要由遙感信息空間分辨率決定；使用全色波段與SPOT213波段組合對(duì)融合圖像進(jìn)行處理，且開展2%的線性增強(qiáng)，根據(jù)色調(diào)及紋理特征狀況可有效采集塌陷區(qū)的細(xì)節(jié)信息；對(duì)于部分塌陷坑范圍較小且不存在積水的礦山，可使用IKONOS、Quickbird等高分辨率遙感圖像實(shí)時(shí)監(jiān)。

礦山污染遙感監(jiān)測(cè)方法

通常礦區(qū)因采礦導(dǎo)致的廢水、大氣、廢液、粉塵污染等造成的水體污染較為嚴(yán)重。采用ETM、TM圖像對(duì)煤礦開采點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可發(fā)現(xiàn)圖像中的DN值差異較大，因此在監(jiān)控中應(yīng)使用SPOT5波段與743波段進(jìn)行組合，通過小波變換融合發(fā)實(shí)行中值濾波處理及直方圖變換。如對(duì)于某煤礦原始TM圖像分析發(fā)現(xiàn)，其灰度分布范圍較小、亮度值較低，對(duì)比度較弱，實(shí)施線性拉伸處理，對(duì)不同波段灰度分布范圍進(jìn)行擴(kuò)展，可使合成圖像效果顯示水平大幅度改善；對(duì)一些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分段線性拉伸，其并不會(huì)造成原始數(shù)據(jù)變動(dòng)，且容易對(duì)大氣污染狀況進(jìn)行解釋。因煤礦山周圍、運(yùn)煤通道及煤礦區(qū)等長(zhǎng)時(shí)間堆放大量煤渣粉等物質(zhì)，使得礦區(qū)粉塵污染較為嚴(yán)重，其在TM543波段假彩色合成圖像中可呈現(xiàn)出明顯的亮白色或暗褐紅色；而礦坑中排出的污水在影像中可呈現(xiàn)明顯的粉紅色。ETM與TM光譜信息量較大，可有效監(jiān)測(cè)礦區(qū)大氣污染狀況；而采用SPOT5光譜圖像可明顯反映礦山水體、粉塵污染狀況。

結(jié)語(yǔ)

遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用水平將直接關(guān)系著礦山地質(zhì)環(huán)境的整體監(jiān)測(cè)效果與質(zhì)量，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方法的研究，總結(jié)遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及不同礦區(qū)地質(zhì)類型遙感監(jiān)測(cè)措施，以逐步改善礦山遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.020