资源一号02C卫星影像在宜溧1∶5万矿山开发遥感调查中的应用研究

2015-04-11苏一鸣崔艳梅詹雅婷朱叶飞

地质学刊 2015年1期

苏一鸣，崔艳梅，詹雅婷，陈晨，朱叶飞

(江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018)

0 引言

矿产资源是一种十分重要的不可再生自然资源，是人类社会赖以生存和发展不可或缺的物质基础。长期以来，由于多种原因，矿产资源的开发利用与管理都很粗放，不仅造成了矿产资源的严重浪费，甚至影响经济的持续发展(杨金中等，2009)。利用先进的遥感技术，对江苏重点矿集区矿山资源开发利用状况、矿山地质环境等开展遥感调查与监测，获取客观数据，为矿产资源管理部门提供决策依据。

1 研究区概况

研究区位于江苏西南部，与安徽省、浙江省接壤。行政区划包括常州溧阳市及无锡宜兴市(图1)。

区内地形地貌主要以低山丘陵、残坡积平原、冲积平原为主。总体地势有南高北低的特点，南部为丘陵山区，北部为平原区，东部为太湖渎区，西部为低洼圩区(图2)。区内矿产以露采方式为主，非金属矿产有水泥用灰岩、建筑石料用灰岩。

2 数据处理

2.1 资源一号02C卫星概况

资源一号02C星(以下简称ZY－1 02C)是我国自主研发的高分辨率遥感数据卫星，该星于2011年12月22日成功发射，搭载有全色多光谱相机和全色高分辨率相机，可广泛应用于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境等领域。ZY－1 02C卫星具有2个显著特点：(1)配置的10 m分辨率P/MS多光谱相机是我国民用遥感卫星中最高分辨率的多光谱相机;(2)配置的2台2.36 m分辨率HR相机，数据的幅宽达到54 km，从而使数据覆盖能力大幅增加，使重访周期大大缩短。ZY－1 02C卫星主要载荷指标参数见表1(中国资源卫星应用中心，2013)。

2.2 数据源

研究区资源一号02C卫星影像数据时相为2013年5月1日，卫星过境时间为北京时间15：58。影像为1C级TIFF格式，即经过系统几何与辐射校正后且提供RPC参数的影像，全色(HR)以及多光谱(MS)数据均携带完整投影信息以及RPC参数。影像无云覆盖、清晰，质量较好(图3)。

图1 研究区交通位置图Fig.1 Map showing traffic of the study area

图2 研究区地形地貌图Fig.2 Topography and geomorphology of the study area

图3 ZY－1 02C星原始数据索引图Fig.3 Index maps of raw data for the satellite ZY-1 02C

表1 ZY-1 02C卫星影像参数Table 1 Parameters of the ZY-1 02C stallite images

2.3 数据处理

由于卫星自身的特点及拍摄时环境的影响，原始数据不能直接用于工作中，需对其进行必要的后处理，以满足应用的要求。主要的处理包括灰度调整、正射纠正、匹配、融合(孙富贵等，2008)。

2.3.1 灰度调整原始数据灰度值范围较窄，波段组合后色彩溢出，形成偏色，不利于地物的判读;灰度调整的目的是为了保持各单色间的平衡，使组合后的影像色彩更接近自然色(图4)。

图4 灰度调整前后影像效果对比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图和高精度DEM数据是进行ZY－1 02C遥感影像高精度正射校正所必需的基础地理数据。利用1∶5万数字地形图及其生成的DEM数据作为ZY－1 02C遥感影像正射校正的基础数据。ZY－1 02C遥感影像正射校正包括HR数据、PMS数据的校正。由于HR1、HR2是2个相机的入射角、成像角有一定的差别，故需要利用各自的RPC分别进行正射，得到结果后拼接成完整的全景HR影像(马熹肇，2012)。选取ERDAS软件对影像进行正射校正(图5)，主要有以下5个步骤。

图5 ZY－1 02C星数据处理流程图Fig.5 Flow chart showing processing the ZY-1 02C satellite data

(1)参数设置。利用ERDAS软件提供的QuickBird RPC模块自动获取待校正遥感影像的瞬时状态参数(包括卫星成像瞬间的高度、倾角、经纬度等)来恢复该影像的成像模型，根据成像模型利用DEM数据纠正投影差。

(2)HR数据拼接。HR1与HR2正射纠正后，接边处存在偏移，需进行边缘配准，该处理采用ERDAS软件中自动边缘匹配模块对正射校正后的HR1和HR2数据进行边缘匹配(党安荣等，2003)，镶嵌后无明显地物错位情况，效果较好(图6)。

图6 正射后HR1与HR2配准前后效果对比图Fig.6 Comparison of registration effects for the orthorectified HR1 and HR2 data

(3)HR数据与PMS多光谱数据匹配。根据高分辨率图像作为基准图像校正低分辨率图像的原则，利用遥感软件的自动配准功能，以正射后的高分辨率数据为基准，对多光谱据进行校正，确保融合数据精度。

(4)HR数据与PMS多光谱数据融合。ZY－1 02C卫星HR数据空间分辨率高，易于判读，由于是单波段黑白图像，无法呈现真实世界丰富的地物光谱信息，限制了其更广泛的应用。而ZY－1 02C卫星PMS多光谱数据具有丰富的光谱信息，其分辨率偏低，适用于宏观判读和分析，难以提取城市的细节信息。将二者不同空间分辨率遥感图像进行影像融合处理，使处理后的遥感图像既具有较好的空间分辨率又具有多光谱特征，色彩信息丰富，可信度更高，信息量更大，两者取长补短可以最大限度地发挥卫星数据的作用。

影像融合常采用的方法有HSV变换、主成分变换(PCA变换)、线性加权乘积变换、Brovey变换、Gram－Schmidt变换等融合方法(张薇等，2005)。采用Gram－Schmidt融合方法将2.36 m HR数据与10 m PMS数据进行融合，融合后提高了影像的解译精度，信息量更加丰富，较好地显示了地物的纹理信息(图7)。

图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多光谱只有绿色、红色、近红外3个波段，无法获得真彩色影像，为更易判读地物，可以利用已有波段模拟真彩色。方法是将原来的绿波段(0.52～0.59 μm)当作蓝波段(该波段靠近蓝波段的光谱范围)，红波段(0.63～0.69 μm)仍采用原来的波段，绿波段用绿波段、近红外波段按3∶1的加权算术平均值来代替(R：Red，G：(Green×3+Nir)/4，B：Green)(图 8)(马熹肇，2012)。

图8 ZY－1 02C近红外、红、绿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

2.4 矿山开发要素解译标志

研究选用的ZY－1 02C星数据融合后空间分辨率为2.36 m，可以分辨出的矿山地物包括采场、排土场、矿山建筑、尾矿库等位置、范围、开发现状，但对大中型矿山活动开采面的判定、小型矿山的开采状况(是否开采)的判定效果欠佳(杨金中等，2011)。研究区矿山开发遥感调查涉及的矿山目标地物类型包括活动开采面、采场、中转场地、矿山道路等，上述地物在处理后的ZY－1 02C星影像上均有清晰的影像特征(王晓红等，2006)。

2.4.1 采场露采矿山采场多沿矿脉延伸方向展布，呈负地形，边部阶梯状剥离台阶发育，采场内无植被，人为活动与地貌破坏明显，采场影像特征与周围地物差异明显(图9)。

图9 采场遥感解译标志Fig.9 Indicator of remote sensing interpretation for the stope

2.4.2 中转场地中转场地多靠近采场修建，选矿传输带在遥感影像上成线状分布(图10)。

2.4.3 矿山道路采场内矿山道路在影像上色调较亮，有明显的线状特征，主要用于辅助判读活动开采面位置(图11)。

2.4.4 砖瓦厂砖瓦厂一般由烧砖厂、堆砖场、取土场3个部分组成，堆土场影像上纹理呈网格状分布，由于位于平原区，占用的都是耕地，与周围耕地色调差异较大，烧砖厂与其相连(图12)。

图10 中转场地遥感解译标志Fig.10 Indicator of remote sensing interpretation for the transit site

图11 矿山道路遥感解译标志Fig.11 Indicator of remote sensing interpretation for mine road

2.5 矿山要素信息提取

矿山开发遥感调查提取信息内容主要包括以下2个方面(杨金中等，2009)。

(1)开发利用状况调查：查清矿产资源开采点或开采面的位置、开采方式(露天、地下);查明矿山开采状态(正在开采、停产或关闭)和矿业秩序(是否无证开采、越界开采等)。

(2)矿山地质环境调查：按正在开采、废弃矿山，查明矿山开发区的采场、矿山建筑物、中转场地(煤堆、矿石堆、洗煤厂、选矿厂、选矿池等)、固体废弃物(排土(石)场、尾矿库、煤矸石堆等)分布和占地情况。

图12 砖瓦厂遥感解译标志Fig.12 Indicator of remote sensing interpretation for brick and tile factory

2.6 应用结果

2.6.1 矿山开发状况在矿山遥感解译标志的基础上，共圈定矿山类型图斑115个，其中采场图斑67个，中转场地图斑26个;实地调查发现活动开采面22个，其中疑似违法开采图斑7处，涉及矿种为水泥用灰岩、砖瓦用黏土和制灰用灰岩，违法类型为疑似越界和疑似无证(图13)。

图13 宜溧工作区矿山开发疑似违法开采图斑统计图Fig.13 Statistics of suspected illegal mine development in the Yixing-Liyang work area

2.6.2 矿山地质环境工作区矿山开发占地总面积1 278.6 hm2(表2)。其中合法开采占地1 224.07 hm2，违法开采占地54.53 hm2。按矿山类型分，采场占地1 067.29 hm2，占比83%;中转场地占地211.31 hm2，占比17%。按矿种类型分，建筑石料用灰岩矿占地最多，为380.64 hm2;方解石矿占地最少，为5.91 hm2。