基于國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像的礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查研究

陳建明，李云鵬，孫衛(wèi)東

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000）

近幾十年，由于全球工業(yè)化速度加快，面臨著很多生態(tài)問題，因此，我國(guó)相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門提出了環(huán)境遙感調(diào)查計(jì)劃，通過該計(jì)劃，對(duì)各個(gè)地區(qū)的地形和生態(tài)問題進(jìn)行調(diào)查，尋求解決辦法，此項(xiàng)調(diào)查是通過衛(wèi)星遙感資源環(huán)境調(diào)查技術(shù)和地球生態(tài)技術(shù)來繪制地質(zhì)環(huán)境的衛(wèi)星遙感圖[1]。這也是國(guó)內(nèi)首次對(duì)植被、沙漠化、冰川等生態(tài)地質(zhì)環(huán)境因素進(jìn)行遙感分析與監(jiān)測(cè)，以亞洲相關(guān)環(huán)境資料為基礎(chǔ)，探索亞洲地區(qū)生態(tài)信息。根據(jù)各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)、地理、文化、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、技術(shù)、分析生態(tài)問題的分布規(guī)律特征，從而得出調(diào)查成果，最需要關(guān)注的是對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的遙感調(diào)查。

由于各個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求越來越大，礦山的開采成為目前的主要問題，因此，由于過度開采產(chǎn)生了許多礦山生態(tài)問題，對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行遙感調(diào)查對(duì)維護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境，及時(shí)修復(fù)礦山的生態(tài)問題來說有重要意義。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦山地質(zhì)環(huán)境破壞主要受幾個(gè)因素影響，包括碎石堆、尾礦、露天高坡倒塌、泥石流等。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，必須妥善解決目前的礦山生態(tài)問題[2]。因此需要及時(shí)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行遙感調(diào)查，傳統(tǒng)的GPS遙感調(diào)查方法采集到的圖像不清晰，因此本文基于國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像設(shè)計(jì)了新的礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查方法。能全面準(zhǔn)確，客觀、動(dòng)態(tài)地為礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 基于高分辨率衛(wèi)星影像的地質(zhì)遙感調(diào)查方法設(shè)計(jì)

1.1 采集礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)

礦山的地質(zhì)數(shù)據(jù)代表了礦山的環(huán)境狀態(tài)，因此需要進(jìn)行初步采集。遙感影像的四邊形采集法，可應(yīng)用于地質(zhì)監(jiān)測(cè)、地形坡度分析等。礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括DEM數(shù)據(jù)和地形圖數(shù)據(jù)?；诓煌瑢哟蔚恼{(diào)查需求，礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)采集需要適時(shí)使用合適的航空遙感技術(shù)，保證采集到的數(shù)據(jù)滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量要求。

在數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)根據(jù)不同的采集精度選擇不同尺寸的圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的遙感影像數(shù)據(jù)必須連通完整的CRPC、參數(shù)和影像產(chǎn)品(如全色波段和多光譜波段)除此之外，建立正確的數(shù)據(jù)模型有利于數(shù)據(jù)的預(yù)處理。對(duì)于實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)，需要盡量采集敏感部分，同時(shí)還需要關(guān)閉遙感成像時(shí)間，幫助初步計(jì)算?；镜乩頂?shù)據(jù)可通過數(shù)字地形圖、DLG線圖采集和遙感影像解譯等方式獲取[3]。礦山道路數(shù)據(jù)主要用于礦山現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的路線規(guī)劃、與道路相關(guān)的特定礦山目標(biāo)識(shí)別，以及因道路擴(kuò)展而引起的變化分類。流域數(shù)據(jù)有助于了解水體的分布情況，可以辨別水體季節(jié)性波動(dòng)記錄引起的數(shù)據(jù)變化。變化的信息直接影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。因此，準(zhǔn)確了解變化前后影像的地理數(shù)據(jù)的分布，可以有效降低變化的影響，提高變化檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際研究中，需要充分利用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，根據(jù)需要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

除此之外，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)還可以使用鑲嵌數(shù)據(jù)集進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，實(shí)時(shí)反映當(dāng)前圖像上的處理操作，操作者可以根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整不同方法的參數(shù)，力求達(dá)到最佳效果。Mosaic數(shù)據(jù)集提供了3種方法，即Dodging Balance、直方圖、標(biāo)準(zhǔn)偏差。Dodging Balance是指目標(biāo)顏色，可以改變當(dāng)前圖像中每個(gè)像素的值，使圖像均勻過渡。直方圖平衡算法是根據(jù)鑲嵌數(shù)據(jù)集自動(dòng)計(jì)算生成的目標(biāo)直方圖，根據(jù)生成的直方圖可以改變鑲嵌部分的像素值。標(biāo)準(zhǔn)偏差平衡算法創(chuàng)建了鑲嵌數(shù)據(jù)集，并將鑲嵌部分的像素值更改為標(biāo)準(zhǔn)偏差值。當(dāng)多場(chǎng)景圖像的色彩平衡滿足作業(yè)要求時(shí)，可以在圖像的重疊區(qū)域定義羽化值，創(chuàng)建接縫線，處理完成后再導(dǎo)出圖像。

1.2 基于高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行變化檢測(cè)

高分辨率衛(wèi)星影像在礦山遙感調(diào)查中有重要的用處，其可以對(duì)礦山中的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并根據(jù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行環(huán)境模擬。礦山地質(zhì)環(huán)境的變化檢測(cè)主要包括圖像差分和圖像保密。遙感影像的差值或比值計(jì)算可以去除成像過程中的變形和干擾信息，結(jié)合相應(yīng)的公式來改善地質(zhì)環(huán)境，因此通過高分辨衛(wèi)星影像的波段來進(jìn)行變化檢測(cè)是獲取此時(shí)礦山遙感影像特征的主要方法。變化信息通過計(jì)算相應(yīng)波段的差異來獲得此時(shí)的變化閾值。遙感圖像經(jīng)過預(yù)處理和輻射匹配過程后，圖像的像素值發(fā)生了改變，因此，在差異圖像中，不變區(qū)域的像素值可能接近于0，變化區(qū)域的像素值可能大于0或小于0。像素值的差異會(huì)導(dǎo)致背景圖像中產(chǎn)生變化信息，變化檢測(cè)的圖像如圖1所示。

圖1 變化檢測(cè)圖

由圖1可知，在遙感影像的色彩和輻射匹配效果良好的前提下，高分辨率衛(wèi)星影像法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、操作快捷、變化信息明顯。由于變化檢測(cè)是像素到像素的變化檢測(cè)，所以檢測(cè)圖像容易產(chǎn)生噪聲，僅根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果很難判斷變化的性質(zhì)。

1.3 設(shè)置礦山地質(zhì)遙感變化閾值

等間隔閾值拆分法是指根據(jù)默認(rèn)的間隔值，將屬性范圍劃分為多個(gè)大小相等的子范圍。等間隔的重點(diǎn)是等值性，即間隔范圍內(nèi)的每個(gè)閾值都是一樣的。等間隔劃分根據(jù)閾值的分布范圍和劃分的字段數(shù)確定每個(gè)范圍的大小，由于每個(gè)字段的范圍相同，整個(gè)閾值分布范圍的遙感變化確定了子區(qū)間的個(gè)數(shù)，也是從結(jié)果中準(zhǔn)確提取變化目標(biāo)信息的關(guān)鍵。

因此，礦山地質(zhì)遙感變化采用了等間隔閾值拆分法，此方法強(qiáng)調(diào)特定屬性值相對(duì)于另一個(gè)值的數(shù)量。由于分位數(shù)分類將每組的元素分為相同數(shù)量，因此生成的閾值通常會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，可以將相似的特征放在相鄰的類中，或者將值較大的特征放在同一個(gè)類中，還可以通過增加類的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)閾值最小化。以礦山遙感變化檢測(cè)為例，當(dāng)圖像中變化區(qū)域數(shù)量較少時(shí)，變化明顯，圖像的背景差異較小，平均值接近于實(shí)際狀態(tài)，而累積標(biāo)準(zhǔn)差閾值分類原則只反映變化信息的強(qiáng)度，數(shù)值分布范圍，不能判斷變化信息最明顯的區(qū)域。

1.4 提取地質(zhì)特征

礦山地質(zhì)特征包括植被、陰影、水體等。在實(shí)際礦山遙感調(diào)查研究中，當(dāng)研究區(qū)植被覆蓋較厚，且兩幅遙感影像有成像時(shí)間時(shí)，可以較好地反映研究區(qū)在這兩個(gè)時(shí)期的活動(dòng)，因此，可以弱化覆蓋區(qū)域來減少礦山遙感圖像的調(diào)查任務(wù)，如果研究區(qū)的植被很多，植被信息分布不明顯，對(duì)植被變化檢測(cè)任務(wù)沒有明顯影響，則可以忽略。除了利用植被指數(shù)提取現(xiàn)有信息外，還可以通過變換模擬每個(gè)像素的信息內(nèi)容，來計(jì)算每個(gè)輸入波段與植被信息的關(guān)系。除此之外，如果工作區(qū)域的陰影較多，可以采用二次線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)。最終的變化監(jiān)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)干擾狀態(tài)時(shí)，可以提取DEM數(shù)據(jù)，或者利用色彩空間的變換來增強(qiáng)陰影區(qū)域的調(diào)查結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)

對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行遙感調(diào)查可以及時(shí)檢測(cè)此時(shí)的地質(zhì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)災(zāi)害的預(yù)測(cè)，因此，為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的調(diào)查方法的調(diào)查準(zhǔn)確度將其與傳統(tǒng)的GPS遙感調(diào)查方法進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先需要將采集到的高分辨遙感數(shù)據(jù)輸入到實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備中，使用上文設(shè)計(jì)的方法，按照流程進(jìn)行逐一操作，導(dǎo)出此時(shí)產(chǎn)生的遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)制定初步檢測(cè)方案，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與野外調(diào)查，統(tǒng)計(jì)出1500個(gè)矢量圖斑，為了保證矢量圖斑的準(zhǔn)確性，還需要進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證后選取部分地區(qū)進(jìn)行調(diào)查。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

選取X礦區(qū)符合遙感調(diào)查的區(qū)域，使用本文設(shè)計(jì)的基于國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像遙感調(diào)查方法和傳統(tǒng)的GPS調(diào)查方法進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查的影像如下圖2所示（a代表本文設(shè)計(jì)的基于國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像遙感調(diào)查方法，b代表傳統(tǒng)的GPS調(diào)查方法）。

圖2 調(diào)查影像

由圖2可知，本文設(shè)計(jì)的調(diào)查方法調(diào)查的影像更清晰，且有辨識(shí)度，不容易受到天氣云層的影響，因此本文設(shè)計(jì)的方法調(diào)查結(jié)果更精準(zhǔn)。

3 結(jié)語

綜上所述，礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查對(duì)保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境，及時(shí)進(jìn)行生態(tài)維護(hù)來說非常重要，也對(duì)礦山后續(xù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)有很大的影響，因此本文基于國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像設(shè)計(jì)了新的礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的方法影像更清晰，有辨識(shí)度，不容易受到天氣云層的影響，因此精準(zhǔn)度高，但由于礦山的地形復(fù)雜，還需要進(jìn)行多次遙感調(diào)查，不斷進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)的礦山地質(zhì)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。