“资源一号”02C卫星高分影像在矿山开发监测中的应用研究

汪洁　荆青青　姚维岭　李丽　王海庆

“资源一号”02C卫星高分影像在矿山开发监测中的应用研究

汪洁荆青青姚维岭李丽王海庆

长期以来，在我国矿产资源开发多目标遥感调查与监测工作中，使用的高分辨率遥感数据多为IKONOS、SPOT-5、QuickBird、GeoEye等国外遥感数据源。随着我国国产卫星的迅速崛起，以国产遥感影像为基底数据，生产各种融合影像产品专题等，以满足各行业应用需求已成为必然趋势。遥感影像处理软件的日趋成熟和稳定加快推进了遥感影像在各个行业的应用。以江西省丰城-抚州煤铁矿区为例，从影像纠正、合成及解译和标志建立等方面，探讨02C卫星影像数据在1∶5万矿山开发遥感调查与监测工作中的应用，丰富1∶5万矿山开发遥感调查与监测工作的遥感数据源类型，为矿山动态遥感监测提供省时有效实用的科学方法和技术支撑，使监测成果更具真实性和准确性。

“资源一号”02C卫星介绍

2011年12月22日，在太原卫星发射中心，我国用长征四号乙运载火箭成功地将“资源一号”02C卫星送上太空，填补了中国高分辨率遥感数据的空白。卫星重约2100 kg，设计寿命3年，搭载了两台2.36 m高分辨率相机和1台5 ～10 m全色多光谱相机，幅宽分别达到54 km和60 km，能够获取全色和多光谱图像数据，可广泛应用于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利和生态环境监测等领域。02C卫星轨道参数见表1，有效载荷指标见表2。

汪洁，工程师，2009年获中国地质大学（武汉）硕士学位，此后在中国国土资源航空物探遥感中心从事矿产资源遥感调查及应用研究工作，熟悉矿产资源遥感调查的工作流程与技术方法，具有较扎实的理论基础和较多的实践经验。先后负责或参与了“环渤海多金属矿区遥感地质综合调查”“全国矿产卫片执法遥感工作”“新疆准东地区矿产资源开发秩序应急调查”“江西省重点矿集区矿产资源开发调查与监测”“华东地区矿山环境监测”等项目近10项，发表论文多篇。

表1　02C卫星轨道参数

表2　ZY1 02C卫星有效载荷技术指标

研究区概况

丰城-抚州煤铁矿区位于江西省中部，属于泛鄱阳湖和抚河冲击平原区。矿区内东、南、西三面环山，中部丘陵与河谷盆地相间。地势南高北低，渐次向鄱阳湖平原地区倾斜。地貌以丘陵为主，山地、岗地和河谷平原次之。行政区划涉及丰城市、临川区、南城县、宜黄县、崇仁县、新干县、永丰县、乐安县和吉水县，面积11338 km2。区内资源富饶，地下蕴藏煤、钨、硒、花岗岩、石灰石和陶土等30多种矿产资源，其中煤、硒、钨最为丰富。煤矿、铁矿成为本工作区的主要经济矿种。建筑石材类矿山开采方式均为露天开采，能源矿产均为地下开采。矿业经济的飞速发展，矿产资源的科学开发利用，对当地经济社会发展起到了巨大的推动作用。

遥感数据处理

用于本次研究的卫星遥感影像时相为2013年7月12日。工作区数据整体质量较好，局部区域有云层，但未覆盖矿区，不影响解译工作，满足本次调查需求。为满足矿产资源开发遥感调查与监测对遥感影像几何精度要求高的需求，通过ENVI对02C卫星影像进行正射校正和影像融合处理，ArcGIS对影像进行几何校正处理，处理结果符合工作要求。

正射校正

卫星影像高精度正射校正工作，依赖于大比例尺地形图和高精度DEM基础地理数据。本次采用了大比例尺（1∶5万）数字地形图以及衍生的DEM数据，影像正射校正采用ENVI软件，对2.36 m全色高分辨率数据和10 m多光谱数据进行正射校正。通过采用该影像范围内的DEM数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正，从而获得正射影像。在进行2.36 m全色高分辨率数据正射前，需先消除空间变换参数的影响。正射校正后的影像同时具有地形图特性和影像特性，信息清晰、内容丰富，可作为GIS的数据源。图1为丰城-抚州煤铁矿区（局部）2.36 m全色高分辨率数据（HRC-高分辨率遥感数据）和10 m多光谱数据（MUX-多光谱数据）完成正射后的影像。

图1　02C卫星遥感数据正射后影像

数据融合

“资源一号”02C卫星HRC影像地物边界较清晰，建筑物纹理信息和层次较丰富。而MUX多光谱影像的地物边界模糊，纹理较不清晰，但光谱信息较丰富。在数据处理过程中，将不同空间分辨率的全色与多光谱数据融合，从而使得影像既具有全色的高分辨率信息又保留多光谱丰富的光谱信息，融合后影像的空间分辨率有很大的提升，融合后的影像可以较好地显示地物的纹理信息，能够突出显示细节。对比全色影像，彩色模式下的影像效果更有利于地物的判读和识别，有利于建立解译标志，减少判读的不确定性。在遥感数据融合过程中，使用主成分分析方法，完成全色与多光谱数据的信息叠加。图2为丰城-抚州煤铁矿区（部分）2.36 m全色高分辨率数据和10 m多光谱数据融合后的影像。

图2　融合后的影像

几何校正

以1∶1万精度的“2012年土地卫片执法调查成果数据”为基准数据，随机且均匀选取32个控制点，将融合后的02C影像数据进行几何精度纠正处理，采用二次多项式、双线性内插的方法，点位中平均误差为2.72，纠正后影像数据满足监测精度要求，接边情况良好，可满足1∶5万矿产资源开发遥感调查与监测工作的要求。

遥感解译与监测结果

遥感解译

在矿产资源开发多目标遥感调查与监测工作中，遥感解译主要包括影像变化信息的发现和变化信息提取工作。进行遥感影像图像解译，要从矿产资源开发状况、矿山开发环境和矿产资源规划执行情况三方面着手，建立多类型、特征显著、能准确反映矿山地物现状的解译标志库，开展遥感信息解译工作。

通过对本监测区现状和矿产资源分布的分析，结合监测标准和监测要求，确定本监测区要监测的主要目标有：地下开采煤矿的开采硐口与堆煤场；露天开采(包括露天开采铁矿、石灰岩、建筑石料用灰岩)的开采面、排土场、尾矿库等；其他有停止开采的煤矿、地质灾害(地面沉降)等。其中主要目标物的影像特征如下：

煤矿开采硐口：影像图上较难发现硐口位置，由于硐口较小且极为隐蔽，对采场硐口位置监测有一定的难度。但煤矸石堆、堆煤场的影像特征比较明显，可以据此来判别地下开采煤矿所在区域。山区表现为颜色呈黑色，且沿沟谷线状延伸，丘陵和平原地区则呈现为黑色点状或块状。

图3　02C卫星影像典型遥感解译标志

铁矿露天开采面：色调为蓝黑色，中部颜色深周边浅，坑沿边坡呈现阶梯状，纹理明显，一般开采面积较大。大型的铁矿以大规模的矿石堆为特征，在开采铁矿旁边，一般会有尾矿库及矿山建筑或设施。

灰岩露天开采面：指开采用于烧制水泥的灰岩矿区，色调为亮白色，形状为不规则的云状，在遥感影像图上与周边地区的色调、纹理差异显著，一般低于周围地形，矿区道路呈清晰亮白色。

尾矿库：为金属矿山的地物标志，金属矿山进行矿石筛选后用于排放尾矿的场所。影像上呈深紫色，色调及饱和度均较低，尾矿库污水多呈亮蓝色，下方存在倒三角状的坝体，表面有稀疏的植被生长，几何形状不规则。

砖厂：有烧砖窑的高烟囱、取土坑，堆砖坯的场地，通常比较容易圈定。

关闭的石材采场：整体呈暗色块，开采面纹理比较光滑，没有新鲜岩石堆积形成的强反射区域，无明显立体感，周边和内部道路不清晰。

废石堆：地势高于周围地物，影像纹理细腻光滑，易圈定边界；排土场，呈排状，有道路与外界相连，堆积范围集中，呈锥形；矿山建筑，多位于中转场地及采场周边地区，分布密度较低。在遥感影像上多呈亮白色。

矿山建筑：多位于中转场地及采场周边地区，分布密度较低。在遥感影像上多呈亮白色。

监测结果

在工作区范围内，煤矿主要分布在宜春市丰城市的南部，铁矿主要分布在抚州市临川区与宜黄县的交界处，钨矿分布在宜春市丰城市与抚州市崇仁县的交界处，规模数量均较小。

遥感调查显示，工作区内共有井工开采点61个，均为界内开采；共有露天活动开采面65个。发现关闭地下开采矿山31个，其中煤矿26个、铁矿2个、钨矿1个、长石矿1个、玻璃用脉石英1个。另外有159个废弃的露天开采的矿山采场，其中钨矿2个，长石1个，石材类矿156个。通过采用“资源一号”02C卫星影像，开展工作区矿山开发监测与评价，认为区内开采秩序总体良好。

结论

（1）通过对“资源一号”02C卫星遥感数据解译工作，建立了包括开采硐口、露天开采面、尾矿库、砖厂、废石堆、矿山建筑等类型的解译标志库。解译标志特征明显，具有很好的参考作用。

（2）通过“资源一号”02C卫星遥感数据，对江西省丰城-抚州煤铁矿区进行遥感解译研究，发现开采点61个，开采面65个，废弃矿山采场159个，解译结果基本满足工作要求。

（3）从对02C影像数据的处理过程和影像解译标志来看，02C遥感影像可以替代具有相似空间分辨率和光谱波段设计TM、SPOT等国外遥感卫星，并运用于矿产资源开发多目标遥感调查与监测工作，丰富1∶5万矿山开发遥感调查与监测工作的遥感数据源，提高时效性且有效降低了数据费用。