多源國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的礦山地表要素識別研究及應用示范

呂冰潔

摘要：遙感技術發(fā)展迅速，空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率越來越高，數(shù)據(jù)獲取的時效越來越快，獲取的成本越來越低，遙感技術已經(jīng)成為自然資源監(jiān)測的重要手段。我國的航天遙感發(fā)展很快，高分一號到高分七號系列衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、北京二號、高景一號、歐比特等國產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)射，為開展資源環(huán)境調查提供了豐富的數(shù)據(jù)源。

關鍵詞：遙感監(jiān)測 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù) 礦山監(jiān)測 礦山地表要素

Research and Application Demonstration of Mine Surface Element Recognition Based on Multi-source Domestic Satellite Remote Sensing Data

LYU Bingjie

（Hunan Aerospace Yuanwang Technology Co.，Ltd.，Changsha，Hunan Province，410217 China）

Abstract： With the rapid development of remote sensing technology， the spatial resolution， spectral resolution and temporal resolution are higher and higher， the timeliness of data acquisition is faster and faster， and the acquisition cost is lower and lower. Remote sensing technology has become an important means of resource and environmental monitoring. China's aerospace remote sensing has developed rapidly. The launch of Gaogao series satellites from Gaogao 1 to Gaogao 7， Gaogao series satellites， Beijing II， Gaojing 1， obit and other domestic satellites has provided rich data sources for resource and environmental investigation.

Key Words：Remote sensing monitoring; Multi source satellite data; Mine monitoring; Mine surface elements

近年來，我國航天技術蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)衛(wèi)星大量發(fā)射，國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)也因質量好、重訪周期短、價格低等突出優(yōu)點越來越多地得到各行各業(yè)用戶的認可[1]。國產(chǎn)高分一號及IKONOS遙感數(shù)據(jù)被用于開展稀土礦山土地荒漠化動態(tài)監(jiān)測，實踐證明國產(chǎn)高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)能夠為開展礦山動態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)保障[2]-[3]。國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星，包括資源一號02C星、高分一號、高分二號、高景一號等陸地觀測衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射，填補了我國在中高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空白，改變了礦山環(huán)境遙感監(jiān)測工作長期依賴國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的局面，使得在遙感監(jiān)測的數(shù)據(jù)源選擇上更加多源。

1遙感技術在礦山開發(fā)調查的研究現(xiàn)狀及存在的問題

遙感技術是20世紀60年代發(fā)展起來的一門新興學科，隨著空間技術的快速發(fā)展，特別是20世紀80年代發(fā)射了一系列高分辨率、多波段新型路燈衛(wèi)星、SPOT衛(wèi)星后，國外航天航空遙感技術在礦區(qū)開發(fā)秩序調查、監(jiān)測等方面發(fā)揮了越來越明顯的作用。近半個世紀以來，歐美發(fā)達國家在礦產(chǎn)開采方面出臺了一系列法規(guī)和法律，政府和采礦公司利用遙感等技術對礦山進行了有效的監(jiān)測，在保護環(huán)境的同時限制開采，大大地提高了資源的使用效率。

我國的衛(wèi)星遙感技術起步于20世紀70年代，1999年成功發(fā)射的第一顆傳輸型對地遙感衛(wèi)星中巴資源一號01星標志著我國進入衛(wèi)星遙感旺盛發(fā)展期。高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)可以大大提高礦產(chǎn)資源開發(fā)與環(huán)境監(jiān)測的準確度和精度;高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)主要用于提高監(jiān)測的時效性;高光譜數(shù)據(jù)主要用于礦山環(huán)境監(jiān)測。

我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況以及開采占用土地狀況遙感監(jiān)測自2006年實施“重點成礦帶和礦集區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標遙感調查與監(jiān)測”項目，特別是2010年開始礦產(chǎn)衛(wèi)片疑似違法圖斑提取以來，已經(jīng)取得了很多成功的經(jīng)驗，但仍然存在著一些亟待改進的地方。比如長期應用GeoEye、SPOT、ALOS、Quick Bird、IKONOS、World View等國外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，不僅費用高昂且獲取周期較長，還受制于人;Landsat系列和哨兵系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)雖時間分辨率高且可免費獲得，但空間分辨率低，難以滿足礦山環(huán)境監(jiān)測需求進行礦山監(jiān)測;此外運用單一衛(wèi)星進行礦山監(jiān)測，難以滿足監(jiān)測需求。迫于這些因素，研究國產(chǎn)多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對礦山地表要素的識別與提取以及在礦山開發(fā)中的監(jiān)測應用顯得尤為重要。采用高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)可以準確、快速地查明我國礦山地質環(huán)境現(xiàn)狀，從而為礦山地質環(huán)境管理和礦山復綠行動效果評估等提供基礎數(shù)據(jù)和技術支撐[4]。于博文等[5]研究并總結了高分一號衛(wèi)星在礦山遙感監(jiān)測應用時的數(shù)據(jù)處理流程和方法，研究得出，高分一號衛(wèi)星擁有較高的分辨率和較好的數(shù)據(jù)質量，可以為國土資源部門制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃、整頓礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序、治理礦山地質環(huán)境等提供技術支撐和決策依據(jù)。

2多源國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征分析

本研究選擇的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括資源一號衛(wèi)星02C星（02C）、高分一號（GF1）、高分二號（GF2）、高景一號（SuperView）4種國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。其中02C于2011年12月22日成功發(fā)射，其搭載2臺HR相機全色波段空間分辨率為2.36米，幅寬54km;2013年4月26日發(fā)射成功的GF1衛(wèi)星搭載2臺2m分辨率全色/8m分辨率多光譜相機，以及四臺16m分辨率多光譜相機;2014年8月19日發(fā)射升空的GF2衛(wèi)星搭載有2臺高分辨率1m全色、4m多光譜相機，具有高定位精度、亞米級空間分辨率及快速姿態(tài)機動能力等優(yōu)點;2016年12月28日以一箭雙星的方式發(fā)射的SuperView衛(wèi)星是我國首個全自主研發(fā)的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，其全色分辨率高達0.5m，多光譜分辨率2m，是國內(nèi)首個具備高敏捷、多模式成像能力的商業(yè)衛(wèi)星星座，不僅可以獲取多點、多條帶拼接等影像數(shù)據(jù)，還能進行立體采集。

對此次研究所選取的數(shù)據(jù)源，分別從衛(wèi)星數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)質量、空間分辨率、輻射分辨率、時間分辨率、光譜分辨率、處理難度、影像紋理、幾何精度等方面進行分析與評價。

（1）原始數(shù)據(jù)質量

4種衛(wèi)星影像原始數(shù)據(jù)整體質量良好。02C和GF1WFV檢查有高光溢出的現(xiàn)象，但范圍較小，不影響正常使用。

（2）空間分辨率

4種遙感影像數(shù)據(jù)中，SuperView-1空間分辨率最高為0.5m，GF2空間分辨率為1m，02C空間分辨率為2.36m，GF1WFV空間分辨率為16m。

（3）輻射分辨率

02C數(shù)據(jù)幅寬60km，GF1WFV數(shù)據(jù)幅寬為60km，GF2數(shù)據(jù)的幅寬為45km，SuperView-1數(shù)據(jù)幅寬12km。02C和GF1WFV數(shù)據(jù)的幅寬最寬，SuperView數(shù)據(jù)的幅寬最小。

（4）時間分辨率

GF1WFV和SuperView-1時間分辨率為2天，02C時間分辨率為3天，GF2時間分辨率為5天。

（5）光譜分辨率

02C數(shù)據(jù)多光譜波段為3波段，無藍色波段;GF1WFV、GF2、SuperView-1數(shù)據(jù)多波譜均為4個波段。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，4個數(shù)據(jù)中SuperView-1數(shù)據(jù)空間分辨率最高且識別地物能力更強，GF1WFV數(shù)據(jù)覆蓋的范圍最大。

（6）數(shù)據(jù)處理難度

GF1WFV、GF2、SuperView-1數(shù)據(jù)處理步驟一致、簡單，處理效率高;02C數(shù)據(jù)處理過程相對要復雜，處理難度最大。

（7）影像紋理

對處理好的4種正射影像進行目視檢查，研究區(qū)制作的4種國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)DOM成果影像質量紋理清晰、反差適中，目視效果好，融合后的影像色彩接近自然真彩色，色彩均衡，無明顯偏色和拼接痕跡。

（8）圖像鑲嵌

4種國產(chǎn)數(shù)據(jù)1A級產(chǎn)品中02C衛(wèi)星HR相機的全色波段和PMS相機的多波譜波段有偏差，通過糾正后能滿足配準精度要求。GF2、SuperView-1衛(wèi)星同一景數(shù)據(jù)的多光譜數(shù)據(jù)之間、全色數(shù)據(jù)之間能很好地接邊，不同軌道數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯位。分別對全色和多光譜數(shù)據(jù)進行正射糾正后各景數(shù)據(jù)之間能很好地接邊和鑲嵌。

（9）幾何精度檢查

在1∶50000數(shù)字地形圖和正射影像圖上隨機選擇20個同名控制點計算誤差。具體公式如下：

其中，ΔX=X圖像-X真實，ΔY=Y圖像-Y真實，n為檢查點個數(shù)。

4顆國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)正射校正后幾何精度由高到低依次為SuperView-1、GF2、02C、GF1WFV。

3多源國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的礦山要素遙感識別

礦產(chǎn)資源開發(fā)解譯要素：礦山分布狀況，開采硐口、開采面的開采狀態(tài)、開采規(guī)模等。礦山環(huán)境的礦山占地解譯要素：采場占地、礦山建筑占地、固廢占地、中轉場地等。

利用獲取的4種國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對某研究區(qū)內(nèi)的開采硐口、開采面的開采狀態(tài)、開采規(guī)模、采場占地、礦山建筑占地、固廢占地、中轉場地等要素的可解譯能力進行對比分析，詳見表1。

備注???? 除GF1WFV數(shù)據(jù)無法直接判定要素類型，其余國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)都能判定出開采面的位置，但02C顯示的要素邊界模糊，GF2能準確判定要素的邊界，SuperView-1能看清開采紋理，進一步確認要素范圍內(nèi)的開采狀態(tài)。

從表1可知，不同空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像對礦山地表要素的可解譯程度不同。4種分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)都能用于礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感解譯。

SuperView-1可解譯礦山地表要素包括地表覆蓋類型、地下水泉眼出露點、礦山建筑類型、礦硐或開采面、礦山設備類型、礦山堆積物類型、礦山道路、礦山占用損毀土地（可識別永久占用與臨時占用類型）、地質災害類型與規(guī)模、廢水排放區(qū)域、礦山地質災害治理工程、礦山土地復墾工程、礦山復綠等。GF2可解譯礦山地表要素包括地表覆蓋類型、地下水泉眼出露點、礦山建筑類型開采面，并間接推斷礦硐位置、部分礦山設備類型、礦山堆積物類型、礦山道路、礦山占用損毀土地（可基本識別永久占用與臨時占用類型）、大型地質災害類型與規(guī)模、廢水排放區(qū)域，基本識別礦山地質災害治理工程、礦山土地復墾工程、礦山復綠面積。02C可解譯礦山地表要素包括地表覆蓋類型、部分礦山建筑類型、部分開采面、部分礦山堆積物類型、礦山道路、礦山占用損毀土地（難以識別永久占用與臨時占用類型）、泥石流隱患，部分識別廢水排放區(qū)域、礦山土地復墾及礦山復綠面積。GF1WFV可解譯礦山地表要素包括特大型的礦業(yè)活動圖斑，如特大型的尾砂庫，但不能準確地判斷開采硐口位置，不能清除地識別活動開采面、廢石堆、礦山建筑等礦山要素，只能大致判斷出有礦業(yè)活動的痕跡，更不能直接識別出礦山是否正在開采。

從解譯效果來看，對于開采硐口、開采面的開采狀態(tài)、開采規(guī)模、采場占地、礦山建筑占地、固廢占地、中轉場地等要素的可解譯能力，SuperView-1最強，根據(jù)先驗知識從SuperView的影像上可以比較容易判讀出開采硐口的位置，以及開采面的狀態(tài)、周邊設置的其他礦山環(huán)境要素;GF2數(shù)據(jù)同樣能判讀出礦產(chǎn)資源開發(fā)的相關信息，但開采硐口的位置需根據(jù)其解譯標志對照參考數(shù)據(jù)推斷范圍;02C數(shù)據(jù)可以判譯要素類別但顯示模糊，室內(nèi)解譯結果不能確定其狀態(tài);而GF1WFV數(shù)據(jù)解譯礦山開發(fā)和礦山環(huán)境要素則需要更多輔助數(shù)據(jù)及野外調查才能判斷要素的位置。在同等條件下優(yōu)先考慮使用空間分辨率更高的SuperView-1或GF2數(shù)據(jù)開展礦產(chǎn)資源要素的遙感解譯，在數(shù)據(jù)不全的情況下可以使用02C進行補充。

通過對上述不同分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感解譯能力分析可知，02C、GF2、SuperView-1都可用于開展礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感調查工作，但綜合考慮應用效果，SuperView-1空間分辨率最高，對于礦產(chǎn)資源調查效果更好，在同等條件下應優(yōu)先使用SuperView-1數(shù)據(jù)開展工作[6]。

4結語

多源多尺度高分遙感信息復合協(xié)同應用日益廣泛，3S技術一體化集成技術發(fā)展以及人工智能、大數(shù)據(jù)集成分析能力的提高，將加快國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感技術在礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感調查應用中的縱深發(fā)展。

參考文獻

[1]井延濤.國土資源遙感監(jiān)測應用研究[J].華北自然資源，2020（6）：84-85.

[2]代晶晶，王登紅，王海宇.我國三稀礦產(chǎn)資源遙感調查綜述[J].地質學報，2019，93（6）：1270-1278.

[3]陳玲，賈佳，王海慶.高分遙感在自然資源調查中的應用綜述[J].國土資源遙感，2019，31（1）：1-7.

[4]于博文，田淑芳，趙永超等.高分一號衛(wèi)星在京津礦山遙感監(jiān)測中的應用[J].現(xiàn)代地質，2017，31（4）：843-850.

[5]李永平，趙曉燕，談樹成.基于高分衛(wèi)星影像的礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測[J].內(nèi)江師范學院學報，2021，36（2）：68-72.

[6]吳沙.遙感技術在礦產(chǎn)勘查中的應用[J].世界有色金屬，2021（13）：72-73.