Resee矿山遥感监测系统变化向导模块在矿山变化信息提取中的应用

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(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.北京市国土资源信息开发研究重点实验室，北京 100083)

0 引 言

Resee矿山遥感自动监测信息系统软件是基于Windows 7/Windows NT上运行的多用户、多任务系统。软件具有直观的图形控制界面，整合了图像处理过程中经常用到的遥感影像预处理功能，并研发了最新的影像变化自动检测向导模块，该模块可对矿山的变化进行快速、准确、便捷的监测，以便对矿山环境的变化进行有效的监督管理，大大提高了矿山监测的效率和准确性。

1 工作区概况

选取自然地理特征和基础数据齐全的地区作为研究样本，本次研究将河南信阳作为目标研究区。

1.1 自然地理概况

信阳位于淮河上游，地势南高北低，是岗川相间、形态多样的阶梯地貌。信阳地区已探明各类矿产49种，矿产地280多处。其中金属矿17种，非金属矿24种；有大型矿11处，中型矿31处。特别是非金属矿产资源丰富，开发前景广阔。上天梯非金属矿为亚洲第一大非金属矿，总储量7.3亿t。其中珍珠岩储量1.2亿t，占全国50%以上，膨润土5亿t，沸石5 600万t。此外，还有二氧化硅矿800万t，金红石矿100万t，锌矿100万t，钼矿6.5万t等。

1.2 数据收集

本次研究收集到2011年、2012年2期河南信阳经过预处理的遥感影像，覆盖面积为529.3 km2；2011年、2012年2期矿山开发占地信息矢量要素数据。为更加集中直观地显示矿山开发占地变化信息，截取以上天梯非金属矿区为中心的104.5 km2的2期遥感影像作为研究区基准遥感数据。截取范围选取如图1所示，最终得到2期河南信阳地区研究区结果影像图(图2)。

图1 河南信阳基准影像数据截取范围示意图

图2 2011年(左)和2012年(右)研究区结果影像图

图3 Resee矿山遥感自动监测系统变化向导模块框架

2 研究方法

Resee矿山遥感自动监测系统中的变化向导模块集成了选择影像数据、执行方法评价、选择变化检测方法、确定变化阈值、变化图像滤波、变化图斑矢量化、结果导出7个环节流程(图3)，通过此流程的辅助实施，可以将疑似矿山变化图斑自动圈出，大大节省处理时间。

2.1 选择影像数据

此环节需具备2期经影像前期预处理的范围、栅格分辨率、像素深度、像素值范围均相同，且经辐射校正的不同实相的遥感影像(Burt et al, 1983)。

2.2 执行方法评价

由于矿山环境差异大，且地物信息复杂多样，如何选取适宜已知工作区的变化检测方法已成为提高检测精度的重点问题(甘甫平等，2004；陈继福等，2006；聂洪峰等，2007；尚红英等，2008；Bruzzone et al，2000)。此环节通过交互参数设置，系统即会根据设定要求对选择的检测方法进行运算，运算结果包括经各方法检测的总图斑数、与研究区矿权缓冲区要素相交图斑数、相交图斑占总检测图斑的比率以及各方法归一化值排序列表。归一化值越大，说明此方法的适用性越强。

2.3 选择变化检测方法

如果在检测方法未知的情况下，可选择第二步中归一化值最高的方法作为最优选择，也可根据实际需要选择其他检测方法(李德仁，2003)。

2.4 确定变化阈值

此环节以基于统计的阈值选取方法自然间断点法作为基础，只需设置取值范围A(大于、小于、两端)、差异总分类数M、满足条件的类数N，3个参数即可实现阈值统计。例如，将经变化检测输出的单波段数据利用自然间断点法将其分为6类，取高值部分中的2类作为变化集中区域，则(A=大于，M=6，N=2)。

2.5 变化图像滤波

由于经自然间断点法差异分类后的数据包含大量的噪声，需要对其进行滤波处理，以保证最后输出的变化精度，此步骤中集成了众数滤波、开运算、闭运算、边界清理等实用算法，大大提升了图斑筛选的精度。

2.6 变化图斑矢量化

将经过滤波处理的栅格数据根据聚合原理转化为矢量，作为疑似矿山变化图斑进行保存(Johnson et al,1998)，为了确保矢量图斑的完整性、聚合合理性以及聚合准确性，需要设定简化阈值(旨在减少矢量图斑节点，简化阈值与保留节点个数成反比，经验值为1.5)、聚合相邻图斑的搜索距离(旨在将一定范围内的图斑进行融合，融合范围不宜过大，阈值区间在1～5为优)、去除图斑内部孔洞的最大面积阈值(旨在消除矢量图斑内部存在的小于指定半径的孔洞)、去除细碎图斑的最大面积阈值(旨在消除变化图斑中小于指定面积的细小图斑，具体参数视情况而定，默认值为400)进行设置，确保输出结果的完整性。

2.7 结果导出

确认无误后，将最后的提取结果进行保存导出。

3 结果与讨论

通过变化向导模块7个步骤的处理，很好地完成了矿山变化图斑的提取工作，加载2期结果影像后，只需为程序提供步骤参数即可流程化，实现最后变化图斑的输出，流程中间结果清晰展示了模块数据的处理过程。

首先，加载2期影像数据后，进行方法评价参数设置，选取参与方法评价的检测方法，以及研究区对应的矿权或开发占地矢量要素类，执行后系统会对中间结果进行自动计算。方法评价设置窗口如图4所示。

第二步，在变化检测方法选择中，会显示经方法评价后输出的检测方法归一化值排序，归一化值越高，证明针对研究区的该处理方法最优，结合检测总图斑数和相交图斑数即可确定检测方法。方法评价结果显示效果如图5。

图4 变化检测方法评价参数设置图

图5 变化检测方法评价归一化效果图

第三步，确定变化信息所在的阈值。可利用ArcGIS对数据进行差异分类，根据检测效果，确认最优的分类数和选取的分类范围，针对河南信阳研究区选择利用自然间断点法将数据分为6类，取高值部分的2类进行分析。

第四步，确定滤波模板参数。推荐众数滤波和边界清理2种方法搭配使用，最大限度地去除噪声，提高筛选质量。本研究区选取众数滤波7×7模板和边界清理7×7模板进行处理，效果较为理想。

第五步，变化图斑矢量化。要求根据研究区的栅格筛选情况确定合理的图斑筛选阈值，以信阳研究区为例，设置简化阈值为2、搜索距离为2、去除内部孔洞面积为200、去除细碎图斑面积为400，所有数值单位均以米为基础。

第六步，选择是否加载中间结果及矢量图斑进行显示。经变化向导流程处理后，研究区范围内检测结果与实际矿山开发占地变化吻合率为67%，变化向导流程导出矿山变化图斑中包含实际变化图斑42处，实际解译变化图斑数为63处。

变化检测对比效果图如6所示。

图6 研究区变化向导检测效果分析图

4 结 论

Resee矿山遥感自动监测系统中的变化向导模块集成了变化检测及基于统计分析的阈值选取技术，并结合矿山监测处理的实际过程搭建了变化检测辅助流程，通过大量研究测试，得出以下结论。

(1) Resee矿山遥感自动监测系统变化向导模块中的方法评价体系可以快速、准确地评价出适宜研究区变化提取的检测方法，为矿山地区大区域的检测提取提供技术支持。

(2) 经Resee矿山遥感自动监测系统变化向导模块处理后的变化图斑提取结果很大程度上与实际目视解译的变化图斑信息相吻合，证明了方法的实用性和数据统计的科学性。

(3) Resee矿山遥感自动监测系统变化向导模块可以有效地提取矿山变化信息，大大缩短工作周期，提高数据利用率，为矿山信息的实时监测打下坚实的基础。

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