基于遙感數(shù)據(jù)的河南省欒川礦山占地動(dòng)態(tài)變化

武慧智，何姝珺，馬驍

1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001；2.遙感衛(wèi)星應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)遙感中心，鄭州 450001

0 引言

國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用能力快速提升，空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率上的精度日益提高，使得高性價(jià)比的影像數(shù)據(jù)應(yīng)用成為可能，已穩(wěn)步成為中國全覆蓋遙感監(jiān)測(cè)與成果應(yīng)用的主要數(shù)據(jù)源[1--7]。中國礦產(chǎn)資源豐富，礦種齊全，近年來隨著社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加，作為一種不可再生的自然資源，其合理開采利用關(guān)系到子孫后代的生存和發(fā)展，隨著科技的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的礦山監(jiān)測(cè)方法已無法滿足當(dāng)今礦山發(fā)展的需要，而遙感技術(shù)憑借其遙感影像的宏觀性、真實(shí)性、全面性、高速性及準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中[8--10]。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)簡介

欒川縣位于河南省西部，地勢(shì)由東北向西南逐漸升高，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，森林資源豐富，屬暖溫帶落葉闊葉林，是南水北調(diào)中線工程水源保護(hù)地之一，是黃河中游最大支流伊河的發(fā)源地[11--12]。研究區(qū)位于河南省欒川縣西部地區(qū)，地理范圍介于111°22′00″～111°34′30″E，33°49′30″～34°00′00″N之間，面積約375 km2，研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富。

收集的數(shù)據(jù)有：2011年7月SPOT5數(shù)據(jù)(1A級(jí)，多光譜與全色波段融合數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)軌道號(hào)為274--281；2016年11月5日GF1國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)編碼為L1A0001939450。

SPOT5數(shù)據(jù)[13]包含有1個(gè)全色波段，空間分辨率為2.5 m；4個(gè)多光譜波段，其中綠(Band1)、紅(Band2)和近紅外(Band3)的空間分辨率為10 m，短波紅外(Band4)的空間分辨率為20 m(表1)。

表1 衛(wèi)星參數(shù)表Table 1 SPOT5 and GF1 satellite image parameters

GF1數(shù)據(jù)[14]包含有1個(gè)全色波段，空間分辨率為2 m；4個(gè)多光譜波段，為藍(lán)(Band1)、綠(Band2)、紅(Band3)和近紅外(Band4)，空間分辨率均為8 m(表1)。

2 技術(shù)方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像預(yù)處理過程主要包括多源遙感數(shù)據(jù)的輻射校正、正射校正、配準(zhǔn)、融合、幾何精校正、鑲嵌和裁剪等。輻射校正主要是校正由大氣影響造成的畸變，筆者采用FLAASH大氣校正方法進(jìn)行輻射校正。正射校正主要是校正地形對(duì)遙感數(shù)據(jù)光譜信息的影響，通常分為幾何粗校正和幾何精校正兩部分。

2.2 彩色合成

考慮SPOT5、GF1數(shù)據(jù)的波段特征，經(jīng)過不同多光譜數(shù)據(jù)波段組合的效果對(duì)比，SPOT5數(shù)據(jù)缺少藍(lán)色波段，選用R(B4)、G(B1)、B(B3)組合合成假彩色圖像，合成的圖像植被呈綠色，水體呈藍(lán)色，房屋和道路呈白色(部分略帶粉紅色)，接近于自然色，滿足礦山環(huán)境解譯的要求[15]。GF1數(shù)據(jù)選用R(B3)、G(B2)、B(B1)組合合成真彩色圖像，用于礦山地物的識(shí)別。

2.3 圖像融合

圖像融合，是將低分辨率的多光譜影像與高分辨率的單波段影像重采樣生成一幅高分辨率多光譜影像遙感的圖像處理技術(shù)，使得處理后的影像既有較高的空間分辨率，又具有多光譜特征。

圖像融合方法有很多，本文選用PCA、Gram--Schmidt、Brovey、NNDiffuse這幾種融合方法，以GF1數(shù)據(jù)為例，將GF1數(shù)據(jù)8 m多光譜波段，選擇R(Band3)、G(Band2)、B(Band1)進(jìn)行波段組合后與GF1數(shù)據(jù)2 m全色波段進(jìn)行融合處理，并對(duì)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)[16--17]。定性評(píng)價(jià)是從影像的清晰度、色彩和紋理等方面進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的目視評(píng)價(jià)，定量評(píng)價(jià)選擇了信息熵、平均梯度作為評(píng)價(jià)因子。在遙感影像中，信息熵用來表示影像(去除噪聲因素)包含的信息量，熵值越大，代表融合后的影像信息量越豐富，紋理越復(fù)雜，影像的融合效果越好[18--19]。平均梯度能敏感地反映影像對(duì)微小細(xì)節(jié)反差表達(dá)的能力，平均梯度越大，代表影像的清晰程度越高[20]。綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)(表2)，NNDiffuse法融合影像相對(duì)于其他方法的融合影像清晰度最低；Gram--Schmidt法融合后的影像顏色偏藍(lán)，且亮度偏暗；PCA法融合后的影像平均梯度最大，但亮度偏暗；Brovey法融合后的影像的信息熵最大，平均梯度略低于PCA法融合后的影像，且亮度適中，故本次工作選擇選擇Brovey法進(jìn)行影像融合(圖1)。

圖1 GF1數(shù)據(jù)321組合波段與全色波段及融合后影像Fig.1 321 multi-spectral images, panchromatic images and fusion images of GF--1 data

表2 各融合法影像評(píng)價(jià)Table 2 Image evaluation of each fusion method

2.4 礦山環(huán)境信息提取

工作區(qū)內(nèi)采場為露天開采的方式，一般為負(fù)地形，坑底作業(yè)痕跡明顯，呈階梯狀環(huán)形紋理，與周邊地物差異顯著。中轉(zhuǎn)場一般位于采場附近，包括選礦廠、選礦池和礦石堆等臨時(shí)堆放礦石的場所。一般有多個(gè)錐狀堆積物，多有棕色機(jī)械類的選礦設(shè)備。尾礦庫多位于溝谷內(nèi)，前部地勢(shì)略高，有水泥制壩體攔擋，后部有較大面積的水域，顏色較自然形成的水域偏白，呈灰白色(自然水域?yàn)樗{(lán)色或深藍(lán)色)。廢石堆多在采場和中轉(zhuǎn)場附近，規(guī)模較大，為錐狀堆積物，部分比較規(guī)范的外側(cè)建有擋土墻。礦山建筑位于采廠附近，比較整齊規(guī)則的幾何房屋，多為藍(lán)色鐵皮房，呈藍(lán)色矩形狀。工作區(qū)內(nèi)礦山恢復(fù)治理工程比較典型，在采坑上種有樹叢，人工紋理較強(qiáng)(圖2)。融合后的GF1影像比SPOT5影像礦山占地圖斑邊界更加清晰，色彩、亮度更加真實(shí)、清晰度更高、紋理更細(xì)致。

圖2 礦山環(huán)境解譯標(biāo)志Fig.2 Interpretation marks of mine enviroment

3 結(jié)果與分析

工作區(qū)內(nèi)礦山占地類型主要有采場、尾礦庫、中轉(zhuǎn)場、廢石堆、礦山建筑和恢復(fù)治理(圖3)。

圖3 2011—2016年礦山占地變化圖Fig.3 Dynamic change map of mine development land occupation from 2011 to 2016

2016年礦山占地圖斑共144處，總面積共14.739 km2，其中采場圖斑16處，面積為4.629 km2；中轉(zhuǎn)場圖斑15處，面積為0.174 km2；尾礦庫圖斑78處，面積為6.940 km2；廢石堆圖斑22處，面積為2.498 km2；礦山建筑圖斑12處，面積為0.392 km2；恢復(fù)治理圖斑1處，面積為0.106 km2。其中尾礦庫圖斑面積最大，占礦山占地圖斑總面積的47.08%；其次為采場圖斑，占總面積的31.41%；第三為廢石堆圖斑，占總面積的16.95%。

2011—2016年變化圖斑共25處，其中擴(kuò)張圖斑19處，新增圖斑6處，面積共增加了2.562 km2。除恢復(fù)治理圖斑的個(gè)數(shù)、面積無變化外，其他礦山占地圖斑面積均有所增加。采場擴(kuò)張圖斑3處，面積增加了0.442 km2。中轉(zhuǎn)場擴(kuò)張圖斑1處，面積增加了0.006 km2。尾礦庫擴(kuò)張圖斑11處，新增圖斑3處，面積共增加了1.639 km2，新增圖斑1處位于白石崖村，面積為0.508 km2；2處位于花園村，面積分別為0.130 km2、0.014 km2。廢石堆擴(kuò)張圖斑3處，新增圖斑3處，面積共增加了0.461 km2，新增圖斑均位于花園村附近，面積分別為0.030 km2、0.025 km2和0.046 km2。礦山建筑擴(kuò)張圖斑1處，面積增加了0.014 km2(表3)。其中尾礦庫面積增加最大，占總增加面積的63.95%；其次為廢石堆和采場，分別占17.98%和17.25%。

表3 2011—2016年礦山占地統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of mine opccupied land from 2011 to 2016

4 結(jié)論

(1)2016年，工作區(qū)內(nèi)礦山開采占地以采場、廢石堆和尾礦庫為主，三類圖斑面積共14.067 km2，占礦山占地總面積的95.44%；工作區(qū)在大量開采礦產(chǎn)的同時(shí)，進(jìn)行了相應(yīng)的環(huán)境治理，對(duì)停止開采的采坑進(jìn)行了平整和復(fù)綠，有恢復(fù)治理圖斑1處，面積為0.106 km2。

(2)2011—2016年礦山開采占地圖斑個(gè)數(shù)增多、面積擴(kuò)大，共新增圖斑6處，其中廢石堆3處，尾礦庫3處，采場、廢石堆、尾礦庫面積共增加了2.542 km2，占礦山占地圖斑面積增加總數(shù)的99.22%。

(3)國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)能快速準(zhǔn)確地提取礦山開采占地信息，在礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中將發(fā)揮越來越重要的作用。