高分二号遥感影像在大碑头废弃矿山治理动态监测中的应用

曹培国

（山东省地质测绘院，山东 济南 250002）

1 引言

生态建设是当今社会发展的要求，习近平总书记从生态文明建设的宏观视野提出了“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念。矿山生态地质环境恢复治理越来越受到人们重视，原国土资源部先后发布实施了《全国矿山地质环境保护与治理规划》《全国“矿山复绿”行动方案》《矿山地质环境保护规定》修正版等规章和行动方案，旨在推动矿山环境恢复治理重点工程。

目前，各地矿山治理监督力量薄弱，信息获取现势性和时效性差，矿山开采点多面广，缺少适时、客观的数据，难以对矿山资源的环境保护与开发利用实施更为有效的监管[1-3]。因此，亟须对矿山开采及治理情况实施动态监测，通过适时获取客观基础数据，为矿产资源规划、可持续开发与利用、矿区综合整治等提供技术支撑及决策依据。本文利用遥感技术对矿区生态环境进行调查研究、动态监测，全面掌握矿区矿山环境现状，有效指导矿山环境保护工作和规划实施矿山环境问题防治工程，对实施矿业可持续发展战略具有重要的理论意义和实用价值。

2 研究区概况

大碑头废弃矿山位于福建省漳州市大碑头村北部，地处北纬24°31′57″～24°32′32″，东经117°49′04″～117°49′45″。矿区以花岗岩开采为主，经过长期乱开滥采后，留下了大量采石废弃坑和矿渣堆砌地，对当地土地、水源、地质地貌造成了重大破坏，严重影响当地人民生命安全，因此，对废弃矿山进行治理并开展环境动态变化监测十分必要。研究区废弃矿山治理影像如图1 所示。

图1 大碑头废弃矿山GF-2影像

3 遥感动态监测原理及高分二号卫星介绍

3.1 遥感动态监测原理

矿山遥感动态监测原理是基于同一区域不同时间段的图像存在光谱特征差异，识别矿山土地覆盖和生态环境的状态或变化过程。其本质是对图像系列时域效果进行量化，通过量化多时相遥感图像空间域、时间域、光谱域的耦合特征[4]，获得矿区开采破坏状况、土地覆盖、生态环境变化等内容。矿产资源动态监测包括矿产开发点的位置、分布、矿种、数量、开采方式 ；矿产开采引发的地质灾害分布情况；固体废弃物堆放情况；矿产开采引发的生态环境效应，如影响土地覆盖变化、耕地和植被破坏及生态治理、复垦等[5]。

3.2 高分二号卫星介绍

高分二号卫星是空间分辨率优于1m 的民用光学遥感卫星，载有两台高分辨率1m 全色、4m 多光谱相机，具有亚米级空间分辨率、高定位精度、快速姿态机动能力等特点，有效提升了卫星综合观测效能。高分二号卫星参数指标如表1 所示。

表1 高分二号卫星参数指标

由于大碑头废弃矿山治理项目对采集数据精度和时间进度要求比较高，因此要选择具有高空间分辨率、高精度、高时间分辨率、光谱特征明显等特点的高分二号进行监测。由于不同类别图斑色彩和纹理相似，或同类别图斑色彩和纹理不相似，图斑分类判读时模糊不定。同时，卫星空间分辨率的大小影响小图斑的识别，一些自然地貌和人类活动会导致图斑误判。因此，采集过程中应提高图斑分类判读精度，减少小图斑的遗漏和误判，提高监测精度。

4 遥感动态监测的技术路线

遥感技术具有多时相、多波段、多点位、多高度获取和多次增强信息处理的特征[6]，是矿山开采动态监测的有效技术手段。随着遥感技术的发展，GF-2、IKONOS、QuickBird 等高分辨率影像可以监测到尺度更小的地表特征及其变化，被广泛用于矿山环境监测中[7]。本文通过分析前人研究成果，参考相关技术规范，综合遥感影像、采矿权、地质矿产图等多源信息，借助人机交互目视解译方法，提取试验区GF-2 三个时相的遥感信息，作为各个监测周期（每一监测周期为一轮次）的影像数据源，并分别对这三个监测周期的卫星影像进行了辐射校正、几何校正，满足精度后进行影像融合、正射校正、镶嵌裁切。在GIS 平台上实现RS、采矿权、地质等数据与矿山治理专题信息的叠加、分析和评价，从而实现矿山治理动态监测。矿山治理动态监测技术路线如图2 所示。

图2 矿山治理动态监测技术路线

4.1 目视解译采集矿区各破坏区域并建立解译标志

在第一轮次卫星正射影像上采用人机交互解译的方法采集露天采场坑底区、露天采场边坡区、矿山道路区、工业广场区、渣堆区，经外业确认核实后，确定其位置、属性和范围，并建立解译标志。大碑头废弃矿山现状调查图如图3 所示。

图3 大碑头废弃矿山现状调查图

4.2 确定修复方案并建立修复后解译标志

针对破坏区域，综合考虑矿区地形地貌、土地、水文等因素，确定各个区域修复工程方案，针对修复后的类型反推遥感影像的纹理特征、建立修复后同一区域的影像解译标志，如人工植被绿化、塌陷地复垦等解译标志。矿山工程治理措施如表2 所示。

4.3 施工治理后变化信息的提取

依据同一区域不同时相的影像特征，进行变化信息的采集分析，确定工程进度，确保最终治理工程的顺利完工。

表2 矿山工程治理措施

4.3.1 变化信息提取方法

变化信息提取的主要方法包括差异主成分法、多波段主成分分析法、主成分差异法、光谱特征变异法。其中，差异主成分法、多波段主成分分析法、主成分差异法合称为主成分分析法[8]。

（1）差异主成分法 ：通过对两时相的影像进行纠正、配准融合及精确的空间叠置，影像取差作绝对值处理，从而得到一个差值影像。通过差值影像作PCA变换的第一分量集中了原两时相影像的主要差异信息。提取该分量的变化信息，生成变化模板，作为后期变化类型和边界确定的参考信息。

（2）多波段主成分变换：将前后时相的多光谱影像与全色影像组合成一个影像文件，对其进行主成分变换。由于变换结果前几个分量集中了两个影像的主要信息，而后几个分量则反映了两影像的差别信息，因此可抽取后几个分量进行波段组合来产生变化信息。

（3）主成分差异法：通过两时相的影像PCA 变换作差值，取差值的绝对值作为处理结果。

（4）光谱特征变异法：两时相影像融合后不一致的信息光谱与正常地物有所差别，采用两时相高分二号影像数据进行直接融合运算，通过变化区域影像特征呈现的特殊重影得到光谱特征变异的变化信息。

4.3.2 提取变化信息建立动态监测

通过大碑头矿山治理前现状、施工中进度变化、治理后效果展示三个不同时段卫星影像信息的提取，结合野外调查得出治理前后的面积变化，如表3 所示。

表3 修复前后治理区域面积对比

此外，通过矿区变化的监测成果与关停矿区的范围，对矿区整顿恢复分析进行对比，如图4 所示，为矿区整改管理提供客观数据支撑。

图4 矿区整顿局部植被恢复分析

5 结论

利用不同时段高分二号影像数据进行废弃矿山治理的动态监测，与传统监测方法相比，数据准确、用时较短、反馈迅速、节约人力，能够较好反映矿区的破坏现状、变化情况、施工进度及修复效果等，为合理开发矿产资源、开展矿山环境综合整治、矿山生态环境恢复与重建提供数据与技术支撑，实现矿区问题“早发现、早报告、早整治”。