稀土矿山地质环境调查中的三维遥感技术研究

刘凤梅，曾 敏

(中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205)

稀土矿山地质环境调查中的三维遥感技术研究

刘凤梅，曾 敏

(中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205)

以遥感和GIS为主要技术手段，对CBERS－02B数据进行几何纠正、镶嵌融合和正射纠正处理后，在ArcGIS平台上，利用1∶1万地形图建立数字高程模型(DEM)，通过叠加遥感影像对地形地貌进行三维模拟，制作了江西省安远县稀土矿开采区三维遥感影像图，并对矿区地质环境进行了三维分析实验。实践证明，三维遥感技术对野外地质调查困难区域的野外调查路线选择、典型区域勘察以及指导矿山生产等都有重要的现实意义;且能快速而准确地揭示矿山地质环境的空间分布规律，计算各类地质环境要素的面积、体积;还可以叠加地质环境要素等矢量数据，通过缓冲区分析对地质灾害的危害范围及发展趋势进行分析和预测，为减灾排险和恢复治理提供决策依据。

CBERS－02B;矿山地质环境;三维分析;缓冲区分析

0 引言

遥感图像的三维技术基于DEM数据和遥感影像，可实时显示、绘制动态的三维地形地貌景观。三维地形的数字化显示不单是提供真实观感的问题，也是对空间数据及所处环境的一种非常好的描述，是二维现实地形地貌和水系分布延伸到三维地形世界的真实再现，以直接、可视化、易于理解的形式表达二维地表信息，可应用于所有三维实时显示的场合(特别适合大范围、不规则地形的三维可视化表达)。对三维遥感技术的研究和应用，不仅为本文进行矿山地质环境调查研究提供了有利工具，也是真实三维影像、视景仿真、虚拟现实、虚拟地理信息系统等领域的前沿和热点研究技术［1－2］。

本文采用中巴地球资源卫星02B星(CBERS－02B)遥感数据，经CCD与HR数据融合后(空间分辨率达2.36 m)，与利用1∶1万地形图建立的DEM相结合，对稀土矿开采区的地形地貌进行三维模拟，快速而准确地查清矿山地质环境要素的基础信息和空间分布规律。经野外验证结果可信，并取得为减灾排险和恢复治理提供决策依据的社会效应。

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

安远县车头稀土矿区位于江西省赣州市安远县城以西 6 km，地理坐标为 E115°11＇57″～115°14＇06″，N25°01＇52″～25°03＇52″，治理矿区面积 16.3 km2。矿区属亚热带温暖湿润季风气候区，降雨强度大、暴雨多，降雨量年际与月际变化大，旱涝灾害频发，尤其突发的山洪常常使江河水位猛涨，冲毁农田，严重剥蚀表土层与植被盖层，造成巨大的生命财产损失;开采过度的矿山极易发生泥石流灾害并形成淤积区，毁坏矿区周边农田。

1.2 数据预处理

1.2.1 数据源

本次研究采用CBERS－02B数据，采取遥感解译与野外实地调查相结合的手段，进行安远县车头稀土矿山地质环境调查。

采用的CBERS－02B数据为2008年12月13日获取的CCD数据与2009年12月19日获取的HR数据。通过融合处理，生成模拟真彩色图像。

1.2.2 遥感数据预处理

CBERS－02B图像数据均为二级产品，只经过辐射校正和几何粗纠正处理，所以对CBERS－02B卫星图像又进行了配准、几何精纠正与图像增强、多波段图像合成及裁剪等处理。

采用主成分变换法对CBERS－02B卫星CCD传感器的1～4波段与HR传感器的高分辨率波段图像进行融合，生成含上述4个波段信息的融合图像。根据雪氏熵值法统计分析和地物波谱特征，选取CBERS－02B 融合图像的 Band 4(R)、Band 3(G)、Band 2(B)组合制作的假彩色合成图像为最佳解译波段组合的图像;以 Band 3(R)、Band 2(G)、Band 1(B)组合制作的模拟真彩色图像适用于专题制图。

采用1∶1万地形图对融合后的CBERS－02B数据进行几何精纠正。纠正过程中尽量选取图像中明显、清晰的永久性定位识别标志(如道路交叉点、建筑物边界、桥梁等)作为控制点，使纠正后图像的几何误差控制在1个像元之内;从纠正后的图像中裁剪出研究区范围进行信息提取。

2 矿山地质环境遥感解译

2.1 遥感解译方法

遥感解译基于地学原理对基础图像上的地物进行判读和识别，并对其进行定性、定量、时间和空间分析，获取各类地物基本属性特征和影像特征［3］。

根据安远县稀土矿区的开采特征，本次解译的矿山地质环境要素主要包括采剥区、堆积区、尾砂淤积区、农田淤积区和采矿后已恢复区，根据前期调查结果建立了矿山地质环境要素解译标志(表1)。

表1 解译标志一览表Tab.1 List of interpretation keys

根据遥感图像的空间分辨率情况，本次遥感解译在ENVI和ArcGIS软件平台上采用人机交互的方式进行，提取矿山地质环境要素，构建拓扑关系，并按照实际规模大小在1∶1万地形图上进行标注。遥感解译是一个初步解译—野外验证—详细解译的综合、反复过程，具体步骤如图1所示。

图1 遥感解译技术流程Fig.1 Flow chart of RS interpretation

2.2 野外调查验证

矿山地质环境野外调查的目的主要是验证遥感解译图斑的可靠性和准确性，特别是对采剥区与堆积区界线的划分、堆积区与尾矿淤积区等问题进行重点调查，对室内解译结果进行再修正，并对室内解译与野外验证结果不一致的原因进行分析。

采取GPS实地测量的方法进行野外调查，并填写野外调查记录。对于采剥区、尾砂堆积区及淤积区分界线的地段，使用GPS布置代表性路线进行追踪验证［4］。在野外共验证了23个矿区的50个图斑，验证结果表明遥感解译的判对率高达94.7%以上(表2)。

表2 野外验证结果与图斑属性精度评价Tab.2 Precision evaluation of field verification results and spot attributes

2.3 解译结果分析

对第一次室内解译结果进行野外验证后，共解译图斑108个(包括采剥区55个、尾砂堆积区31个、尾砂淤积区17个、农田淤积区3个和采矿后已恢复区2个)，详见表3。

表3 解译结果Tab.3 Interpretation results

3 矿区地质环境三维分析

为了更清楚、更直观地表现稀土矿开采所引起的一系列矿山地质环境问题，利用高分辨率图像数据和数字高程模型(DEM)制作了研究区的三维显示效果图。本文选用ENVI 4.4和ArcGIS 9.1生成有关矿区的三维模型，矿区三维模型效果如图2所示。

图2 研究区三维模型效果图Fig.2 3D model of study area

3.1 DEM模型的建立

建立DEM模型的方法主要有数据内插和三角测量。内插方法包括反距离权重、样条函数和Kriging插值法［5］。

DEM内插是根据参考点的高程求出其他待定点的高程，原理上虽属于数学插值问题，但比数学插值更复杂(因为DEM内插必须充分考虑地形的连续性和光滑性，或者说邻近地面高程点之间有很大的相关性)。因此，不是所有的插值方法都适用于DEM数据的内插。本文从地形的连续性和光滑性这一特点出发，采用Kriging插值法对DEM数据进行插值;使用ArcMap的三维分析模块，以1∶1万地形图数据为基础，建立区域DEM模型，并生成1∶1万DEM 晕渲图(图3)。

图3 研究区1∶1万DEM晕渲图Fig.3 DEM hill－ shading map of study area(1 ∶10000)

3.2 遥感影像三维模型的建立

以DEM数据为基础，在ArcGIS中叠加遥感影像及各类矢量数据，构建真实地表三维显示图像。可以通过不同的浏览器从多个角度浏览图像上的不同场景，有助于识别目标地物的影像特征，分析影像与地形的相关性［6］。

在ArcGIS的ArcScene模块中，添加DEM、遥感影像和解译的地质环境矢量数据，场景初始状态的基准高程值为0。影像中的地面纹理是地形的主要信息来源，将遥感影像、地理要素、解译矢量数据和文字符号标注等多种数据叠加到DEM模型上;以DEM模型高程为基准，在Scene Properties对话框设置场景中所有图层的属性，生成三维地形影像［7］。由于为遥感影像和地质环境要素矢量数据添加了高程信息，地面纹理、各类地质环境要素和地形地貌之间的关系就会显示出来，建立起地形地貌的三维显示场景(图4)。

图4 矿区地质环境三维解译与野外调查对比Fig.4 Comparison between 3D interpretation and field survey of mining area

3.3 矿山地质环境三维可视化分析

建立场景逼真的三维地形的主要目的是对研究区的地理、地形、地貌有更清楚的了解和掌握，不仅有助于了解各类矿山地质环境要素的平面分布特征，还有助于进一步查明各地质环境点的地形地貌分布特征，从而有利于从宏观上发现地质环境问题，便于及时决策及解决问题。结合研究区的具体地质环境问题进行的三维分析主要包括以下内容:

(1)矿山地质环境要素的空间计算。从DEM模型中提取坡度、坡向、地面剖面曲率、地面平面曲率等相关的地形因子，利用三维分析扩展模块，结合解译的地质环境要素矢量界线所对应的DEM高程值，量算各类地质环境要素的面积和体积。

(2)三维矿山地质环境缓冲区分析。利用遥感影像结合地面采集的各类地质灾害数据，能够迅速、准确地监测和确定各类地质灾害的地理位置、面积、规模等内容。先根据地形地貌特征，在三维可视化显示下模拟地质灾害发生的情况，对所解译地质环境要素的矢量数据进行分段缓冲区分析(缓冲区半径根据各地质环境要素的高程计算而得);再结合专业数学模型，对地质灾害的危害范围及发展趋势做出分析和预测。

4结论

(1)在实际应用方面，利用三维遥感可视化技术取得的影像色彩真实、立体感显著增强，对矿山地质环境野外调查路线选择和野外验证具有真实观感;形象反映了研究区的地形地貌，摆脱了以往二维平面遥感影像解译的空间局限性，对解译标志的建立及解译准确率的提高具有重要作用。

(2)通过三维空间建模，采用不同的空间尺度和观察视角，可准确、高效地提取出稀土矿开采区、尾矿堆积区、尾砂淤积区和农田淤积区的范围、面积、空间分布等基础信息。

(3)通过遥感影像与DEM相结合进行三维空间分析，能快速了解地质灾害的影响范围，从遥感影像中实时分析出受地质灾害影响的地物，为减灾排险和恢复治理提供决策依据。

［1］徐友宁.矿山地质环境调查研究现状及展望［J］.地质通报，2008，27(8):1235 －1244.

［2］付碧宏，二宫芳树，董彦芳，等.三维卫星遥感图像生成技术及其在第四纪构造地貌研究中华的应用［J］.第四纪研究，2008，28(2):189－196.

［3］况顺达，赵震海.遥感技术在贵州矿山地质环境调查中的应用［J］.中国矿业，2006，15(11):49 －52.

［4］孙立新，白喜庆.“3S”技术在矿山环境地质调查中的应用［J］.中国煤田地质，2004，16(S1):70 －71，83.

［5］汤国安，刘学军，闾国年，等.数字高程模型及地学分析的原理与方法［M］.北京:科学出版社，2005.

［6］张心彬，鲁孟胜，黄春慧.矿区遥感解译与三维景观的制作方法及应用［J］.煤炭工程，2006(3):88－90.

［7］杨武年，廖崇高，濮国梁，等.数字区调新技术新方法——遥感图像地质解译三维可视化及影像动态分析［J］.地质通报，2003，22(1):60 －64.

A Study of 3D Remote Sensing Technology in Geological Environment Investigation of the REE Mine

LIU Feng－mei，ZENG Min
(Wuhan Center of Geological Survey of China Geological Survey，Wuhan 430205，China)

According to the methods of RS and GIS and after geometric correction，image fusion，image mosaicking and ortho－rectification for CBERS－02B image，the remote sensing image can be overlapped with DEM generated by TIN from the relief map.On the basis of 3D remote sensing images of a REE ore exploration area in Anyuan County，three － dimensional simulation can be applied to the three－ dimensional analysis so as to study the geological environment of the mining area.Practices show that 3D remote sensing technology has great practical significance for selection of geological investigation route in areas where it is difficult to conduct field work as well as typical regional reconnaissance and mining production.In addition，it can find out the distribution pattern of the geological environment with great speed and accuracy，and can also be superimposed with vector data for the buffer analysis.Finally，the method can be used to analyze and predict the scale and development tendency of the geological hazards so as to provide the basis for decision－making on eliminating and tackling the hazards.

CBERS－02B;Geological environment in mining area;Three－dimensional analysis;Buffer analysis

TP 79

A

1001－070X(2011)04－0136－04

2011－03－22;

2011－04－22

刘凤梅(1984－)，女，硕士，工程师，主要从事遥感、地理信息系统等地学应用方面的研究。

(责任编辑:刘心季)