基于“高分二號(hào)”衛(wèi)星影像的砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查

安志宏 吳春明 孫禧勇 楊怡 王亞娟

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基于“高分二號(hào)”衛(wèi)星影像的砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查

安志宏1,2吳春明3孫禧勇2楊怡2王亞娟4

（1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）（2 中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083）（3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074）（4 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083）

砂金開(kāi)采帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，開(kāi)展砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究對(duì)于砂金礦區(qū)環(huán)境評(píng)價(jià)、監(jiān)管和治理等具有重要的意義。文章以東北琿春河中游砂金礦區(qū)為研究區(qū)，基于“高分二號(hào)”（GF-2）衛(wèi)星遙感影像，采用監(jiān)督分類和人工修正后處理的方法開(kāi)展了礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素提取研究。以野外實(shí)地調(diào)查修正收集的礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素成果作為參考數(shù)據(jù)，對(duì)提取精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，將提取結(jié)果和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，尾礦堆和采礦坑的提取總精度達(dá)到95%。分析結(jié)果表明GF-2衛(wèi)星影像對(duì)砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素具有較好的識(shí)別能力，能夠滿足礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的需求。

砂金礦區(qū) 環(huán)境地質(zhì)調(diào)查 琿春河 “高分二號(hào)”衛(wèi)星 遙感影像

0 引言

砂金是我國(guó)東北地區(qū)重要的礦產(chǎn)資源之一，其開(kāi)采歷史可以追溯至公元500年以前[1]。盡管砂金開(kāi)采為東北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)，然而開(kāi)采過(guò)程卻造成了一系列的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：破壞地表水系，造成嚴(yán)重的水土流失，河流水系輸砂量劇增，生物多樣性銳減等[2]。這些由砂金開(kāi)采造成的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題會(huì)長(zhǎng)期影響著礦區(qū)及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[3]。因此，開(kāi)展砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究，對(duì)于砂金礦區(qū)環(huán)境評(píng)價(jià)、監(jiān)管和治理等具有重要的意義。

傳統(tǒng)的砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查主要采用野外實(shí)地調(diào)查方法。該方法體系較為成熟，調(diào)查成果較為詳細(xì)且精度很高，但是工作周期長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的人力物力且容易受到道路通行狀況等條件的限制，難以滿足區(qū)域礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的需求。隨著空間技術(shù)、成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)成為區(qū)域尺度環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的重要手段之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于遙感影像，開(kāi)展了大量礦山開(kāi)采區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究，如：文獻(xiàn)[4]利用Land Sat TM和ERS-1衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)東德的露天煤礦開(kāi)采情況及環(huán)境地質(zhì)情況進(jìn)行了調(diào)查；文獻(xiàn)[5]利用多時(shí)相的Land Sat數(shù)據(jù)對(duì)非法采金活動(dòng)進(jìn)行調(diào)查，并分析了這些活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。我國(guó)利用遙感影像進(jìn)行礦山環(huán)境調(diào)查開(kāi)始于20世紀(jì)90年代前后，其中：文獻(xiàn)[6]利用遙感影像對(duì)我國(guó)東北某地的煤礦開(kāi)采歷史及現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查；文獻(xiàn)[7]利用航空攝影影像對(duì)冶煉鋅渣及其周圍環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查，并查明了渣堆對(duì)周邊環(huán)境的污染情況；文獻(xiàn)[8]提出將遙感影像與數(shù)字地面模型（DTM）復(fù)合應(yīng)用于礦山測(cè)繪、礦山土壤復(fù)墾等工作中；隨著人們對(duì)礦山環(huán)境的重視，越來(lái)越多的學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中[9-11]。此外，隨著高分遙感技術(shù)的發(fā)展，使得精細(xì)尺度礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成為可能，相關(guān)研究已采用SPOT5、IKONOS等國(guó)外衛(wèi)星影像[12-13]及“資源三號(hào)”（ZY-3）、“高分一號(hào)”（GF-1）等國(guó)產(chǎn)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像[14-15]開(kāi)展礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究。

我國(guó)于2014年發(fā)射升空的“高分二號(hào)”（GF-2）遙感衛(wèi)星，其影像具有1 m的空間分辨率，有能力取代部分國(guó)外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，成為我國(guó)礦山監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源之一[16-17]。本文以GF-2衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，開(kāi)展了砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究并對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證和分析，以期為砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理等提供數(shù)據(jù)和技術(shù)方法支撐。

1 東北地區(qū)砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀

在我國(guó)東北地區(qū)，砂金礦主要分布于河流中上游的溝谷、河灘或一級(jí)階地上[2,18]。這些地區(qū)一般人跡罕至，植被覆蓋較好，但隨著露天開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行，采掘場(chǎng)、臨時(shí)道路及臨時(shí)生活區(qū)等占用并破壞了大量的林地、草地生態(tài)系統(tǒng)。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，砂金開(kāi)采進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代，大量的采金船投入到砂金的開(kāi)采中。采金船將地下含金礦砂翻到地表，經(jīng)過(guò)水力淘洗后再將砂金尾礦石回填，或直接堆積于岸邊形成尾礦堆和采礦坑，尾礦堆多為礫石、卵石及泥沙，高約2~3 m，寬40~60 m不等，使得原有的植被和沖積土層被徹底覆蓋或破壞，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[18]。砂金開(kāi)采不僅造成礦區(qū)環(huán)境污染和生態(tài)破壞，也導(dǎo)致了下游河水污染、河床抬高，而且，礦堆縱橫交錯(cuò)，嚴(yán)重影響了河流的泄洪能力[19]。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于吉林省琿春市春化鎮(zhèn)西北側(cè)的琿春河中游砂金開(kāi)采區(qū)。早期的采金活動(dòng)規(guī)模較小，對(duì)琿春河中上游的影響也比較小，但是，1971年琿春金礦投產(chǎn)后，多條采金船投入到該區(qū)砂金的開(kāi)采，至1991年開(kāi)采面積達(dá)到8×106m2。1991年之后，隨著國(guó)家對(duì)黃金需求的增加，琿春河金礦形成了以船采方式為主，水力開(kāi)采、挖掘機(jī)開(kāi)采及手工溜槽開(kāi)采為輔的開(kāi)采模式[19]，琿春河流域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞。近年來(lái)，琿春市對(duì)該流域地質(zhì)環(huán)境破壞情況進(jìn)行了調(diào)查，并招標(biāo)進(jìn)行治理，但是由于環(huán)境破壞嚴(yán)重，治理效果不明顯，大多數(shù)地區(qū)仍然處于自然恢復(fù)的過(guò)程中。圖1為2015年7月17日GF-2衛(wèi)星拍攝的研究區(qū)高分辨率遙感形像。

3 砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)遙感調(diào)查方法

基于GF-2衛(wèi)星高分辨率遙感影像進(jìn)行砂金礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查時(shí)，需要對(duì)遙感影像進(jìn)行正射校正、圖像融合等預(yù)處理；然后，利用監(jiān)督分類法提取不同地物，對(duì)地物提取結(jié)果進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證，并作一定的分類后處理進(jìn)行修正；最后得到采礦坑、尾礦堆的分布特征及礦區(qū)環(huán)境破壞情況等環(huán)境地質(zhì)要素。

圖1 研究區(qū)位置和融合后的GF-2衛(wèi)星真彩色影像

3.1 GF-2遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

GF-2遙感衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺(tái)高分辨率相機(jī)（1 m全色、4 m多光譜），目前廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查等領(lǐng)域[20-22]。GF-2遙感數(shù)據(jù)處理與傳統(tǒng)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理方式相同。為糾正因地形影響帶來(lái)的幾何偏差，首先需對(duì)多光譜與全色數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正，然后對(duì)正射校正后的圖像進(jìn)行融合。本文利用1∶5萬(wàn)地形圖所生成的數(shù)字高程模型（DEM）及地形圖上選擇的控制點(diǎn)，對(duì)多光譜和全色數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正射校正[20]。

文獻(xiàn)[16]已對(duì)當(dāng)前常用的主成分分析（PCA）、GS（Gram-Schmidt）變換、Modified-HIS變換、高通濾波（HFS）變換及超球體色彩空間（HCS）變換等融合方法進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)HCS和GS變換對(duì)GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有較好的融合效果。因此，本文采用GS變換方法進(jìn)行融合處理。

3.2 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素提取

礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素的提取，可以采用目視解譯方式或計(jì)算機(jī)分類技術(shù)。目視解譯精度高，但需要花費(fèi)大量的人力物力。而計(jì)算機(jī)分類技術(shù)提取速度快，但精度受到多方面的影響[15]。本文根據(jù)礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素在遙感影像上光譜差異較大的特點(diǎn)，建立了不同地物的遙感解譯標(biāo)志，從而選取訓(xùn)練樣本，并利用最大似然分類法[23-24]對(duì)礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素進(jìn)行了初步分類；然后對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行人工目視修正，得到了最終的礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素成果。研究區(qū)地物類型包括水體、植被和尾礦堆。采礦坑由于積水，在遙感影像上表征為水體，目視修正過(guò)程中將水體細(xì)分為河流和采礦坑。將野外實(shí)地調(diào)查（開(kāi)展于2015年8月20日至25日）修正收集的礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素成果作為參考數(shù)據(jù)，用于評(píng)價(jià)提取精度。

4 結(jié)果與討論

4.1 影像融合效果和不同地物遙感解譯標(biāo)志

融合前后的影像如圖2所示。由圖2可知，相比于多光譜、全色影像，融合后的影像具有更豐富的光譜、空間和紋理信息。

在GF-2融合后假彩色影像上，尾礦堆呈深青色，紋理較均勻，但形狀極不規(guī)則；植被呈鮮紅色，紋理不均勻，形狀也不規(guī)則；而采礦坑由于積水呈黑色，紋理均勻，形狀不規(guī)則，且周圍分布尾礦堆。砂金礦區(qū)不同地物類型及GF-2衛(wèi)星融合后假彩色影像，如圖3所示。

圖2 GF-2衛(wèi)星多光譜假彩色影像、全色影像及融合后假彩色影像

圖3 砂金礦區(qū)不同地物類型及GF-2衛(wèi)星融合后假彩色影像

4.2 環(huán)境地質(zhì)要素提取結(jié)果與分析

環(huán)境地質(zhì)要素提取結(jié)果見(jiàn)圖4，野外實(shí)地調(diào)查見(jiàn)圖5。

根據(jù)GF-2衛(wèi)星遙感影像的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前礦區(qū)主要土地利用類型為植被，采砂活動(dòng)不但破壞了河流兩岸的林地，形成大量的尾礦堆和采礦坑，而且破壞了流域的生態(tài)環(huán)境。從遙感影像中共識(shí)別出尾礦堆100處，總體積約為500 000 m3，總面積0.60 km2；識(shí)別出采礦坑197處，總面積0.21 km2。對(duì)提取結(jié)果和參考數(shù)據(jù)（3.2節(jié)）進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)尾礦堆和采礦坑的提取總精度達(dá)到95%。

圖4 植被、尾礦堆、采礦坑及河流分布

盡管琿春河中游靠近春化鎮(zhèn)附近的砂金礦區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了一些初步的治理，但治理面積只占到整個(gè)礦區(qū)面積的10%，無(wú)法滿足對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的需求，仍需要進(jìn)一步開(kāi)展治理工作。砂金開(kāi)采之前，此區(qū)域主要是河漫灘和河流階地，可以容納部分洪水，緩解了河流下游的泄洪壓力，然而，目前大量尾礦堆仍堆積于河漫灘及一級(jí)階地之上，洪水發(fā)生時(shí)嚴(yán)重影響河流的行洪能力，且河水?dāng)y帶大量泥沙下行，對(duì)下游春化鎮(zhèn)的安全造成嚴(yán)重的影響。

圖5 采礦坑及尾礦堆野外照片及遙感影像

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)GF-2衛(wèi)星影像的預(yù)處理，結(jié)合監(jiān)督分類人工修正的方法實(shí)現(xiàn)了琿春河中游砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素的提取。共識(shí)別出尾礦堆100處，總面積0.60 km2；采砂礦坑197處，總面積0.21 km2。二者的提取總精度達(dá)到95%。調(diào)查驗(yàn)證表明，GF-2衛(wèi)星影像對(duì)砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)要素具有較好的識(shí)別能力，能夠滿足礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的需求。

砂金礦開(kāi)采區(qū)存在嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，不但影響著礦區(qū)，同時(shí)也對(duì)河流下游城市和居民的安全造成影響，盡管當(dāng)前已關(guān)閉了大量的砂金礦并進(jìn)行了初步的治理工作，但是砂金開(kāi)采遺留的生態(tài)、環(huán)境等問(wèn)題仍然非常嚴(yán)重，有待進(jìn)一步加強(qiáng)治理。下一步將考慮加強(qiáng)多時(shí)相GF-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，對(duì)砂金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，為砂金礦區(qū)的環(huán)境演化與治理工作提供參考。

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（編輯：夏淑密）

Study on Environmental Geology Investigation in Gold Placer-mining Area Using GF-2 Imagery

AN Zhihong1,2WU Chunming3SUN Xiyong2YANG Yi2WANG Yajuan4

（1 School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China）（2 China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China）（3 China University of Geosciences （Wuhan）, Wuhan 430074, China）（4 College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology （Beijing）, Beijing 100083, China）

The gold placer mining brings serious environmental geological problems. Environmental geology investigation in gold placer-mining areas is of great significance for the assessment, regulation, and governance of environment in those areas. In the present study, taking a gold placer-mining area in the middle reaches of the Hunchun River of Northeast China as the study area, the feasibility of extracting environmental geological elements was examined using GF-2 imagery. In the study, the supervised classification algorithm and the post-classification method based on manual correction were adopted. Base on field survey, the collected data of environmental geological elements were corrected. The resulted reference data were used to assess the extraction accuracy. Results showed that GF-2 imagery exhibited great capacity of identifying environmental geological elements in gold placer-mining area, and it could meet the requirement of environmental geology investigation in mining areas.

gold placer-mining area; environmental geology investigation; Hunchun River; GF-2 Satellile; remote Sensing image

VP79

A

1009-8518(2017)06-0107-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.013

安志宏，男，1981年生，2012年6月獲中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)、資源環(huán)境遙感領(lǐng)域的工作。E-mail: anzhihong_agrs@sina.com。

2017-07-18

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局計(jì)劃項(xiàng)目2015年度“吉林省礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)”資助(DD20160075，121201003000160905)