多源国产卫星遥感数据的矿山地表要素识别研究及应用示范

吕冰洁

摘要：遥感技术发展迅速，空间分辨率、光谱分辨率、時间分辨率越来越高，数据获取的时效越来越快，获取的成本越来越低，遥感技术已经成为自然资源监测的重要手段。我国的航天遥感发展很快，高分一号到高分七号系列卫星、资源系列卫星、北京二号、高景一号、欧比特等国产卫星的发射，为开展资源环境调查提供了丰富的数据源。

关键词：遥感监测 多源卫星数据 矿山监测 矿山地表要素

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

近年来，我国航天技术蓬勃发展，国产卫星大量发射，国产卫星遥感数据也因质量好、重访周期短、价格低等突出优点越来越多地得到各行各业用户的认可[1]。国产高分一号及IKONOS遥感数据被用于开展稀土矿山土地荒漠化动态监测，实践证明国产高空间分辨率遥感数据能够为开展矿山动态监测提供数据保障[2]-[3]。国产高分辨率卫星，包括资源一号02C星、高分一号、高分二号、高景一号等陆地观测卫星陆续发射，填补了我国在中高分辨率遥感卫星数据的空白，改变了矿山环境遥感监测工作长期依赖国外卫星数据的局面，使得在遥感监测的数据源选择上更加多源。

1遥感技术在矿山开发调查的研究现状及存在的问题

遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科，随着空间技术的快速发展，特别是20世纪80年代发射了一系列高分辨率、多波段新型路灯卫星、SPOT卫星后，国外航天航空遥感技术在矿区开发秩序调查、监测等方面发挥了越来越明显的作用。近半个世纪以来，欧美发达国家在矿产开采方面出台了一系列法规和法律，政府和采矿公司利用遥感等技术对矿山进行了有效的监测，在保护环境的同时限制开采，大大地提高了资源的使用效率。

我国的卫星遥感技术起步于20世纪70年代，1999年成功发射的第一颗传输型对地遥感卫星中巴资源一号01星标志着我国进入卫星遥感旺盛发展期。高空间分辨率遥感数据可以大大提高矿产资源开发与环境监测的准确度和精度;高时间分辨率遥感数据主要用于提高监测的时效性;高光谱数据主要用于矿山环境监测。

我国矿产资源开发利用状况以及开采占用土地状况遥感监测自2006年实施“重点成矿带和矿集区矿产资源开发多目标遥感调查与监测”项目，特别是2010年开始矿产卫片疑似违法图斑提取以来，已经取得了很多成功的经验，但仍然存在着一些亟待改进的地方。比如长期应用GeoEye、SPOT、ALOS、Quick Bird、IKONOS、World View等国外卫星遥感数据，不仅费用高昂且获取周期较长，还受制于人;Landsat系列和哨兵系列卫星数据虽时间分辨率高且可免费获得，但空间分辨率低，难以满足矿山环境监测需求进行矿山监测;此外运用单一卫星进行矿山监测，难以满足监测需求。迫于这些因素，研究国产多源卫星遥感数据对矿山地表要素的识别与提取以及在矿山开发中的监测应用显得尤为重要。采用高空间分辨率遥感数据可以准确、快速地查明我国矿山地质环境现状，从而为矿山地质环境管理和矿山复绿行动效果评估等提供基础数据和技术支撑[4]。于博文等[5]研究并总结了高分一号卫星在矿山遥感监测应用时的数据处理流程和方法，研究得出，高分一号卫星拥有较高的分辨率和较好的数据质量，可以为国土资源部门制定矿产资源规划、整顿矿产资源开发秩序、治理矿山地质环境等提供技术支撑和决策依据。

2多源国产卫星数据特征分析

本研究选择的国产高分辨率卫星数据包括资源一号卫星02C星（02C）、高分一号（GF1）、高分二号（GF2）、高景一号（SuperView）4种国产卫星数据。其中02C于2011年12月22日成功发射，其搭载2台HR相机全色波段空间分辨率为2.36米，幅宽54km;2013年4月26日发射成功的GF1卫星搭载2台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机，以及四台16m分辨率多光谱相机;2014年8月19日发射升空的GF2卫星搭载有2台高分辨率1m全色、4m多光谱相机，具有高定位精度、亚米级空间分辨率及快速姿态机动能力等优点;2016年12月28日以一箭双星的方式发射的SuperView卫星是我国首个全自主研发的商业遥感卫星星座，其全色分辨率高达0.5m，多光谱分辨率2m，是国内首个具备高敏捷、多模式成像能力的商业卫星星座，不仅可以获取多点、多条带拼接等影像数据，还能进行立体采集。

对此次研究所选取的数据源，分别从卫星数据的原始数据质量、空间分辨率、辐射分辨率、时间分辨率、光谱分辨率、处理难度、影像纹理、几何精度等方面进行分析与评价。

（1）原始数据质量

4种卫星影像原始数据整体质量良好。02C和GF1WFV检查有高光溢出的现象，但范围较小，不影响正常使用。

（2）空间分辨率

4种遥感影像数据中，SuperView-1空间分辨率最高为0.5m，GF2空间分辨率为1m，02C空间分辨率为2.36m，GF1WFV空间分辨率为16m。

（3）辐射分辨率

02C数据幅宽60km，GF1WFV数据幅宽为60km，GF2数据的幅宽为45km，SuperView-1数据幅宽12km。02C和GF1WFV数据的幅宽最宽，SuperView数据的幅宽最小。

（4）时间分辨率

GF1WFV和SuperView-1时间分辨率为2天，02C时间分辨率为3天，GF2时间分辨率为5天。

（5）光谱分辨率

02C数据多光谱波段为3波段，无蓝色波段;GF1WFV、GF2、SuperView-1数据多波谱均为4个波段。

通过分析可以发现，4个数据中SuperView-1数据空间分辨率最高且识别地物能力更强，GF1WFV数据覆盖的范围最大。

（6）数据处理难度

GF1WFV、GF2、SuperView-1数据处理步骤一致、简单，处理效率高;02C数据处理过程相对要复杂，处理难度最大。

（7）影像纹理

对处理好的4种正射影像进行目视检查，研究区制作的4种国产卫星数据DOM成果影像质量纹理清晰、反差适中，目视效果好，融合后的影像色彩接近自然真彩色，色彩均衡，无明显偏色和拼接痕迹。

（8）图像镶嵌

4种国产数据1A级产品中02C卫星HR相机的全色波段和PMS相机的多波谱波段有偏差，通过纠正后能满足配准精度要求。GF2、SuperView-1卫星同一景数据的多光谱数据之间、全色数据之间能很好地接边，不同轨道数据出现错位。分别对全色和多光谱数据进行正射纠正后各景数据之间能很好地接边和镶嵌。

（9）几何精度检查

在1∶50000数字地形图和正射影像图上随机选择20个同名控制点计算误差。具体公式如下：

其中，ΔX=X图像-X真实，ΔY=Y图像-Y真实，n为检查点个数。

4颗国产卫星数据正射校正后几何精度由高到低依次为SuperView-1、GF2、02C、GF1WFV。

3多源國产卫星数据的矿山要素遥感识别

矿产资源开发解译要素：矿山分布状况，开采硐口、开采面的开采状态、开采规模等。矿山环境的矿山占地解译要素：采场占地、矿山建筑占地、固废占地、中转场地等。

利用获取的4种国产卫星数据对某研究区内的开采硐口、开采面的开采状态、开采规模、采场占地、矿山建筑占地、固废占地、中转场地等要素的可解译能力进行对比分析，详见表1。

备注     除GF1WFV数据无法直接判定要素类型，其余国产卫星数据都能判定出开采面的位置，但02C显示的要素边界模糊，GF2能准确判定要素的边界，SuperView-1能看清开采纹理，进一步确认要素范围内的开采状态。

从表1可知，不同空间分辨率的卫星遥感影像对矿山地表要素的可解译程度不同。4种分辨率卫星遥感数据都能用于矿产资源开发遥感解译。

SuperView-1可解译矿山地表要素包括地表覆盖类型、地下水泉眼出露点、矿山建筑类型、矿硐或开采面、矿山设备类型、矿山堆积物类型、矿山道路、矿山占用损毁土地（可识别永久占用与临时占用类型）、地质灾害类型与规模、废水排放区域、矿山地质灾害治理工程、矿山土地复垦工程、矿山复绿等。GF2可解译矿山地表要素包括地表覆盖类型、地下水泉眼出露点、矿山建筑类型开采面，并间接推断矿硐位置、部分矿山设备类型、矿山堆积物类型、矿山道路、矿山占用损毁土地（可基本识别永久占用与临时占用类型）、大型地质灾害类型与规模、废水排放区域，基本识别矿山地质灾害治理工程、矿山土地复垦工程、矿山复绿面积。02C可解译矿山地表要素包括地表覆盖类型、部分矿山建筑类型、部分开采面、部分矿山堆积物类型、矿山道路、矿山占用损毁土地（难以识别永久占用与临时占用类型）、泥石流隐患，部分识别废水排放区域、矿山土地复垦及矿山复绿面积。GF1WFV可解译矿山地表要素包括特大型的矿业活动图斑，如特大型的尾砂库，但不能准确地判断开采硐口位置，不能清除地识别活动开采面、废石堆、矿山建筑等矿山要素，只能大致判断出有矿业活动的痕迹，更不能直接识别出矿山是否正在开采。

从解译效果来看，对于开采硐口、开采面的开采状态、开采规模、采场占地、矿山建筑占地、固废占地、中转场地等要素的可解译能力，SuperView-1最强，根据先验知识从SuperView的影像上可以比较容易判读出开采硐口的位置，以及开采面的状态、周边设置的其他矿山环境要素;GF2数据同样能判读出矿产资源开发的相关信息，但开采硐口的位置需根据其解译标志对照参考数据推断范围;02C数据可以判译要素类别但显示模糊，室内解译结果不能确定其状态;而GF1WFV数据解译矿山开发和矿山环境要素则需要更多辅助数据及野外调查才能判断要素的位置。在同等条件下优先考虑使用空间分辨率更高的SuperView-1或GF2数据开展矿产资源要素的遥感解译，在数据不全的情况下可以使用02C进行补充。

通过对上述不同分辨率卫星数据在矿产资源开发遥感解译能力分析可知，02C、GF2、SuperView-1都可用于开展矿产资源开发遥感调查工作，但综合考虑应用效果，SuperView-1空间分辨率最高，对于矿产资源调查效果更好，在同等条件下应优先使用SuperView-1数据开展工作[6]。

4结语

多源多尺度高分遥感信息复合协同应用日益广泛，3S技术一体化集成技术发展以及人工智能、大数据集成分析能力的提高，将加快国产高分卫星遥感技术在矿产资源开发环境遥感调查应用中的纵深发展。

参考文献

[1]井延涛.国土资源遥感监测应用研究[J].华北自然资源，2020（6）：84-85.

[2]代晶晶，王登红，王海宇.我国三稀矿产资源遥感调查综述[J].地质学报，2019，93（6）：1270-1278.

[3]陈玲，贾佳，王海庆.高分遥感在自然资源调查中的应用综述[J].国土资源遥感，2019，31（1）：1-7.

[4]于博文，田淑芳，赵永超等.高分一号卫星在京津矿山遥感监测中的应用[J].现代地质，2017，31（4）：843-850.

[5]李永平，赵晓燕，谈树成.基于高分卫星影像的矿山开发环境遥感监测[J].内江师范学院学报，2021，36（2）：68-72.

[6]吴沙.遥感技术在矿产勘查中的应用[J].世界有色金属，2021（13）：72-73.