基于“高分二号”卫星影像的砂金矿区环境地质调查

安志宏 吴春明 孙禧勇 杨怡 王亚娟



基于“高分二号”卫星影像的砂金矿区环境地质调查

安志宏1,2吴春明3孙禧勇2杨怡2王亚娟4

（1 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871）（2 中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）（3 中国地质大学（武汉），武汉 430074）（4 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083）

砂金开采带来了严重的环境地质问题，开展砂金矿区环境地质调查研究对于砂金矿区环境评价、监管和治理等具有重要的意义。文章以东北珲春河中游砂金矿区为研究区，基于“高分二号”（GF-2）卫星遥感影像，采用监督分类和人工修正后处理的方法开展了矿区环境地质要素提取研究。以野外实地调查修正收集的矿区环境地质要素成果作为参考数据，对提取精度进行评价，将提取结果和参考数据进行对比分析发现，尾矿堆和采矿坑的提取总精度达到95%。分析结果表明GF-2卫星影像对砂金矿区环境地质要素具有较好的识别能力，能够满足矿区环境地质调查的需求。

砂金矿区 环境地质调查 珲春河 “高分二号”卫星 遥感影像

0 引言

砂金是我国东北地区重要的矿产资源之一，其开采历史可以追溯至公元500年以前[1]。尽管砂金开采为东北地区社会经济发展作出了突出贡献，然而开采过程却造成了一系列的环境地质问题，主要表现为：破坏地表水系，造成严重的水土流失，河流水系输砂量剧增，生物多样性锐减等[2]。这些由砂金开采造成的环境地质问题会长期影响着矿区及其周边地区的生态环境[3]。因此，开展砂金矿区环境地质调查研究，对于砂金矿区环境评价、监管和治理等具有重要的意义。

传统的砂金矿区环境地质调查主要采用野外实地调查方法。该方法体系较为成熟，调查成果较为详细且精度很高，但是工作周期长，需要耗费大量的人力物力且容易受到道路通行状况等条件的限制，难以满足区域矿区环境地质调查的需求。随着空间技术、成像技术和计算机技术的发展，遥感技术已经成为区域尺度环境地质调查的重要手段之一。国内外学者基于遥感影像，开展了大量矿山开采区环境地质调查研究，如：文献[4]利用Land Sat TM和ERS-1卫星遥感数据对东德的露天煤矿开采情况及环境地质情况进行了调查；文献[5]利用多时相的Land Sat数据对非法采金活动进行调查，并分析了这些活动对环境的影响。我国利用遥感影像进行矿山环境调查开始于20世纪90年代前后，其中：文献[6]利用遥感影像对我国东北某地的煤矿开采历史及现状进行了调查；文献[7]利用航空摄影影像对冶炼锌渣及其周围环境进行了调查，并查明了渣堆对周边环境的污染情况；文献[8]提出将遥感影像与数字地面模型（DTM）复合应用于矿山测绘、矿山土壤复垦等工作中；随着人们对矿山环境的重视，越来越多的学者将遥感技术应用于矿区环境地质调查中[9-11]。此外，随着高分遥感技术的发展，使得精细尺度矿区环境地质调查成为可能，相关研究已采用SPOT5、IKONOS等国外卫星影像[12-13]及“资源三号”（ZY-3）、“高分一号”（GF-1）等国产的高分辨率卫星遥感影像[14-15]开展矿区环境地质调查研究。

我国于2014年发射升空的“高分二号”（GF-2）遥感卫星，其影像具有1 m的空间分辨率，有能力取代部分国外卫星遥感数据，成为我国矿山监测的主要数据源之一[16-17]。本文以GF-2卫星影像为数据源，开展了砂金矿区环境地质调查研究并对调查结果进行了实地验证和分析，以期为砂金矿区环境地质调查、防灾减灾和矿区生态环境治理等提供数据和技术方法支撑。

1 东北地区砂金矿区环境地质现状

在我国东北地区，砂金矿主要分布于河流中上游的沟谷、河滩或一级阶地上[2,18]。这些地区一般人迹罕至，植被覆盖较好，但随着露天开采活动的进行，采掘场、临时道路及临时生活区等占用并破坏了大量的林地、草地生态系统。自20世纪60年代以来，砂金开采进入机械化时代，大量的采金船投入到砂金的开采中。采金船将地下含金矿砂翻到地表，经过水力淘洗后再将砂金尾矿石回填，或直接堆积于岸边形成尾矿堆和采矿坑，尾矿堆多为砾石、卵石及泥沙，高约2~3 m，宽40~60 m不等，使得原有的植被和冲积土层被彻底覆盖或破坏，严重破坏了当地的生态环境[18]。砂金开采不仅造成矿区环境污染和生态破坏，也导致了下游河水污染、河床抬高，而且，矿堆纵横交错，严重影响了河流的泄洪能力[19]。

2 研究区和数据源

实验区位于吉林省珲春市春化镇西北侧的珲春河中游砂金开采区。早期的采金活动规模较小，对珲春河中上游的影响也比较小，但是，1971年珲春金矿投产后，多条采金船投入到该区砂金的开采，至1991年开采面积达到8×106m2。1991年之后，随着国家对黄金需求的增加，珲春河金矿形成了以船采方式为主，水力开采、挖掘机开采及手工溜槽开采为辅的开采模式[19]，珲春河流域生态地质环境遭到了严重破坏。近年来，珲春市对该流域地质环境破坏情况进行了调查，并招标进行治理，但是由于环境破坏严重，治理效果不明显，大多数地区仍然处于自然恢复的过程中。图1为2015年7月17日GF-2卫星拍摄的研究区高分辨率遥感形像。

3 砂金矿区环境地质遥感调查方法

基于GF-2卫星高分辨率遥感影像进行砂金矿区地质环境调查时，需要对遥感影像进行正射校正、图像融合等预处理；然后，利用监督分类法提取不同地物，对地物提取结果进行野外实地验证，并作一定的分类后处理进行修正；最后得到采矿坑、尾矿堆的分布特征及矿区环境破坏情况等环境地质要素。

图1 研究区位置和融合后的GF-2卫星真彩色影像

3.1 GF-2遥感数据预处理

GF-2遥感卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星，搭载有两台高分辨率相机（1 m全色、4 m多光谱），目前广泛应用于国土资源调查等领域[20-22]。GF-2遥感数据处理与传统高分辨率遥感卫星数据的处理方式相同。为纠正因地形影响带来的几何偏差，首先需对多光谱与全色数据进行正射校正，然后对正射校正后的图像进行融合。本文利用1∶5万地形图所生成的数字高程模型（DEM）及地形图上选择的控制点，对多光谱和全色数据分别进行正射校正[20]。

文献[16]已对当前常用的主成分分析（PCA）、GS（Gram-Schmidt）变换、Modified-HIS变换、高通滤波（HFS）变换及超球体色彩空间（HCS）变换等融合方法进行了对比研究，发现HCS和GS变换对GF-2卫星数据具有较好的融合效果。因此，本文采用GS变换方法进行融合处理。

3.2 矿区环境地质要素提取

矿区环境地质要素的提取，可以采用目视解译方式或计算机分类技术。目视解译精度高，但需要花费大量的人力物力。而计算机分类技术提取速度快，但精度受到多方面的影响[15]。本文根据矿区环境地质要素在遥感影像上光谱差异较大的特点，建立了不同地物的遥感解译标志，从而选取训练样本，并利用最大似然分类法[23-24]对矿区环境地质要素进行了初步分类；然后对分类结果进行人工目视修正，得到了最终的矿区环境地质要素成果。研究区地物类型包括水体、植被和尾矿堆。采矿坑由于积水，在遥感影像上表征为水体，目视修正过程中将水体细分为河流和采矿坑。将野外实地调查（开展于2015年8月20日至25日）修正收集的矿区环境地质要素成果作为参考数据，用于评价提取精度。

4 结果与讨论

4.1 影像融合效果和不同地物遥感解译标志

融合前后的影像如图2所示。由图2可知，相比于多光谱、全色影像，融合后的影像具有更丰富的光谱、空间和纹理信息。

在GF-2融合后假彩色影像上，尾矿堆呈深青色，纹理较均匀，但形状极不规则；植被呈鲜红色，纹理不均匀，形状也不规则；而采矿坑由于积水呈黑色，纹理均匀，形状不规则，且周围分布尾矿堆。砂金矿区不同地物类型及GF-2卫星融合后假彩色影像，如图3所示。

图2 GF-2卫星多光谱假彩色影像、全色影像及融合后假彩色影像

图3 砂金矿区不同地物类型及GF-2卫星融合后假彩色影像

4.2 环境地质要素提取结果与分析

环境地质要素提取结果见图4，野外实地调查见图5。

根据GF-2卫星遥感影像的调查结果发现，目前矿区主要土地利用类型为植被，采砂活动不但破坏了河流两岸的林地，形成大量的尾矿堆和采矿坑，而且破坏了流域的生态环境。从遥感影像中共识别出尾矿堆100处，总体积约为500 000 m3，总面积0.60 km2；识别出采矿坑197处，总面积0.21 km2。对提取结果和参考数据（3.2节）进行对比分析，发现尾矿堆和采矿坑的提取总精度达到95%。

图4 植被、尾矿堆、采矿坑及河流分布

尽管珲春河中游靠近春化镇附近的砂金矿区已经进行了一些初步的治理，但治理面积只占到整个矿区面积的10%，无法满足对矿区生态环境恢复的需求，仍需要进一步开展治理工作。砂金开采之前，此区域主要是河漫滩和河流阶地，可以容纳部分洪水，缓解了河流下游的泄洪压力，然而，目前大量尾矿堆仍堆积于河漫滩及一级阶地之上，洪水发生时严重影响河流的行洪能力，且河水携带大量泥沙下行，对下游春化镇的安全造成严重的影响。

图5 采矿坑及尾矿堆野外照片及遥感影像

5 结论

本文通过对GF-2卫星影像的预处理，结合监督分类人工修正的方法实现了珲春河中游砂金矿区环境地质要素的提取。共识别出尾矿堆100处，总面积0.60 km2；采砂矿坑197处，总面积0.21 km2。二者的提取总精度达到95%。调查验证表明，GF-2卫星影像对砂金矿区环境地质要素具有较好的识别能力，能够满足矿区环境地质调查的需求。

砂金矿开采区存在严重的环境地质问题，不但影响着矿区，同时也对河流下游城市和居民的安全造成影响，尽管当前已关闭了大量的砂金矿并进行了初步的治理工作，但是砂金开采遗留的生态、环境等问题仍然非常严重，有待进一步加强治理。下一步将考虑加强多时相GF-2卫星遥感数据的应用，对砂金矿区环境地质问题进行持续观测，为砂金矿区的环境演化与治理工作提供参考。

[1] 吕衍明, 谭国, 韩庆华. 吉林省砂金采掘史研究及其找矿意义[J]. 吉林地质, 1989(2): 16-23. LYU Yanming, TAN Guo, HAN Qinghua. Study on the History of Mining of Placer Gold in Jilin Province and Its Prospecting Significance [J]. Jilin Geology, 1989(2):16-23. (in Chinese)

[2] 王倜, 张雪华, 王春辉. 林区砂金废弃矿区生态复原技术研究[J]. 林业科技, 1996(4): 13-14.WANG Chou, ZHANG Xuehua, WANG Chunhui. The Forest Ecological Restoration of Abandoned Mining Area of Placer Gold[J]. Forestry Science and Technology, 1996(4):13-14. (in Chinese)

[3] 马富廷, 徐铁军. 大兴安岭砂金禁采后生态环境问题探讨[J]. 露天采矿技术, 2004(5): 28-30.MA Futing, XU Tiejun. Study on Greater Khingan Range Ecological Environment Problems after the Prohibition of Placer Gold[J]. Opencast Mining Technology, 2004(5): 28-30. (in Chinese)

[4] SCHMIDT H, GLAESSER C. Multitemporal Analysis of Satellite Data and Their Use in the Monitoring of the Environmental Impacts of Open Cast Lignite Mining Areas in Eastern Germany[J]. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(12): 2245-2260.

[5] ALMEIDA-FILHO R, SHIMABUKURO Y E. Digital Processing of a Landsat-TM Time Series for Mapping and Monitoring Degraded Areas Caused by Independent Gold Miners, Roraima State, Brazilian Amazon[J]. Remote Sensing of Environment, 2002, 79(1): 42-50.

[6] LIU L, ZHOU J S. Long-term Remote Sensing Monitoring Coal Mining Activity in Resource-based Cities: a Case Study of Qitaihe City, Northeastern China[C]. HUANG K L, KIM K W, LIU J. IOP Conference Series-Earth and Environmental Science, 2017.

[7] 徐云川, 王明杰, 牟娜, 等. 遥感技术在锌渣污染状况调研中的应用[J]. 环境保护科学, 1991(4): 54-58.XU Yunchuan, WANG Mingjie, MU Na, et al. The Application of Remote Sensing Technology in the Research of Zinc Pollution [J]. Environmental Protection Science, 1991(4): 54-58. (in Chinese)

[8] 杜培军, 郭达志. 遥感影像与DTM的复合及其在矿山的应用[J]. 煤, 2000(3): 5-7.DU Peijun, GUO Dazhi. Composite of Remote Sensing Image and DTM and Its Application in Mine[J]. Coal, 2000(3):5-7. (in Chinese)

[9] 陈伟涛, 张志, 王焰新, 等. 矿山地质环境遥感监测方法初探[J]. 地质通报, 2010, 29(2): 457-462.CHEN Weitao, ZHANG Zhi, WANG Yanxin, et al. Preliminary Study on Methods of Geo-environment Monitoring in Minesites Using Remote Sensing Technique[J]. Geological Bulletin, 2010, 29(2): 457-462. (in Chinese)

[10] 李谦谦. 基于遥感的河北矿山地质环境评价研究[D].石家庄: 石家庄经济学院, 2014. LI Qianqian. The Research of Mine Geological Environment Assessment of Hebei Based on Remote Sensing[D]. Shijiazhuang: Shijiazhuang University of Economics, 2014. (in Chinese)

[11] LI X, CHEN W, CHENG X, et al. A Comparison of Machine Learning Algorithms for Mapping of Complex Surface-mined and Agricultural Landscapes Using ZiYuan-3 Stereo Satellite Imagery[J]. Remote Sensing, 2016(8): 514.

[12] 杨敏, 徐冬寅, 乔彦军, 等. SPOT5遥感图像数据在矿山地质环境调查中的应用研究[J]. 黄金, 2010(1): 51-55.YANG Min, XU Dongyin, QIAO Yanjun, et al. Application of SPOT5 Remote Sensing Image Data on Mining Geological Environment Investigation[J]. Gold, 2010(1): 51-55. (in Chinese)

[13] 代晶晶, 王登红, 陈郑辉, 等. IKONOS遥感数据在离子吸附型稀土矿区环境污染调查中的应用研究—以赣南寻乌地区为例[J]. 地球学报, 2013(3): 354-360.DAI Jingjing, WANG Denghong, CHEN Zhenghui, et al. Environment Contamination Investigation of Ion-absorbed Rare Earth Ore Districts Based on IKONOS Remote Sensing Data: A Case Study of Xunwu Area in South Jiangxi[J]. Journal of Earth Science, 2013(3): 354-360. (in Chinese)

[14] 熊前进, 柴小婷. 资源3号卫星影像在矿山监测应用中的数据处理方法[J]. 武钢技术, 2016(5): 54-58, 62.XIONG Qianjin, CHAI Xiaoting. Data Processing Method of ZY-3 Satellite Images in Mine Monitoring Application[J]. Wisco Technology, 2016(5): 54-58, 62. (in Chinese)

[15] 魏江龙, 周颖智, 邵怀勇, 等. 基于高分一号数据的矿山遥感监测——以会理多金属矿区为例[J]. 有色金属(矿山部分), 2016(4): 86-91.WEI Jianglong, ZHOU Yingzhi, SHAO Huaiyong, et al. Remote Sensing Monitoring of Mine Based on Data of GF-1——In the Case of Huili Polymetallic Mining Area[J]. Nonferrous Metal (Mine Part), 2016(4): 86-91. (in Chinese)

[16] 孙攀, 董玉森, 陈伟涛, 等. 高分二号卫星影像融合及质量评价[J]. 国土资源遥感, 2016(4): 108-113. SUN Pan, DONG Yusen, CHEN Weitao, et al. Research on Fusion of GF-2 Imagery and Quality Evaluation[J]. Remote Sensing of Land and Resources, 2016(4): 108-113. (in Chinese)

[17] 路云阁, 樊双亮, 李春霖.“高分二号”卫星在西藏矿山遥感监测中的应用研究[J]. 航天返回与遥感, 2015(4): 73-83. (in Chinese)LU Yunge, FAN Shuangliang, LI Chunlin. Application of GF-2 Satellite in Remote Sensing Monitoring on Mine Exploitation in Tibet[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015(4): 73-83. (in Chinese)

[18] 贾生元, 任文, 赵桂凤. 砂金采矿对生态环境的影响及其防治对策[J]. 污染防治技术, 1997(1): 54-55.JIA Shengyuan, REN Wen, ZHAO Guifeng. Placer Mining Impact on Ecological Environment and Its Counter Measures[J]. Pollution Control Technology, 1997(1): 54-55. (in Chinese)

[19] 金东喜. 珲春河中上游采金严重破坏生态平衡[J]. 中国环境管理, 1991(3): 24-25. JIN Dongxi. The Gold Mining in the Middle and Upper Reaches of the Hunchun River Seriously Damages the Ecological Balance[J]. Chinese Environmental Management, 1991(3): 24-25. (in Chinese)

[20] 樊文锋, 李鸿洲, 温奇, 等. 高分二号卫星影像正射纠正精度分析[J]. 测绘通报, 2016(9): 63-66. FAN Wenfeng, LI Hongzhou, WEN Qi, et al. Research on Accuracy of Digital Ortho Rectification of GF-2 Image[J]. Surveying and Mapping Bulletin, 2016(9): 63-66. (in Chinese)

[21] 梁树能, 魏红艳, 甘甫平, 等.“高分二号”卫星数据在遥感地质调查中的初步应用评价[J]. 航天返回与遥感, 2015(4): 63-72.LIANG Shuneng, WEI Hongyan, GAN Fuping, et al. Preliminary Application Evaluation of GF-2 Satellite Data in Remote Sensing Geological Survey[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015(4): 63-72. (in Chinese)

[22] 刘肖姬, 梁树能, 吴小娟, 等.“高分二号”卫星数据遥感滑坡灾害识别研究—以云南东川为例[J]. 航天返回与遥感, 2015(4): 93-100.LIU Xiaoji, LIANG Shuneng, WU Xiaojuan, et al. Interpretation of Landslide in Dongchuan District of Yunnan Province Using GF-2 Satellite Data[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015(4): 93-100. (in Chinese)

[23] TIWARI L K, SINHA S K, SARAN S, et al. Forest Encroachment Mapping in Baratang Island, India, Using Maximum Likelihood and Support Vector Machine Classifiers[J]. Journal of Applied Remote Sensing, 2016(10): 016016.

[24] LUDWIG K A, MIRIANI R M, LANGHALS N B, et al. Use of a Bayesian Aximum-likelihood Classifier to Generate Training Data for Brain-machine Interfaces[J]. Journal of Neural Engineering, 2011(8): 0498014SI.

（编辑：夏淑密）

Study on Environmental Geology Investigation in Gold Placer-mining Area Using GF-2 Imagery

AN Zhihong1,2WU Chunming3SUN Xiyong2YANG Yi2WANG Yajuan4

（1 School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China）（2 China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China）（3 China University of Geosciences （Wuhan）, Wuhan 430074, China）（4 College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology （Beijing）, Beijing 100083, China）

The gold placer mining brings serious environmental geological problems. Environmental geology investigation in gold placer-mining areas is of great significance for the assessment, regulation, and governance of environment in those areas. In the present study, taking a gold placer-mining area in the middle reaches of the Hunchun River of Northeast China as the study area, the feasibility of extracting environmental geological elements was examined using GF-2 imagery. In the study, the supervised classification algorithm and the post-classification method based on manual correction were adopted. Base on field survey, the collected data of environmental geological elements were corrected. The resulted reference data were used to assess the extraction accuracy. Results showed that GF-2 imagery exhibited great capacity of identifying environmental geological elements in gold placer-mining area, and it could meet the requirement of environmental geology investigation in mining areas.

gold placer-mining area; environmental geology investigation; Hunchun River; GF-2 Satellile; remote Sensing image

VP79

A

1009-8518(2017)06-0107-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.013

安志宏，男，1981年生，2012年6月获中国地质大学（北京）地球探测与信息技术专业博士学位，高级工程师。研究方向为遥感地质、资源环境遥感领域的工作。E-mail: anzhihong_agrs@sina.com。

2017-07-18

中国地质调查局计划项目2015年度“吉林省矿产资源开发环境遥感监测”资助(DD20160075，121201003000160905)