WV-3遥感数据在滇西矿产资源开发与地质灾害调查中的应用

(云南省地质技术信息中心，云南 昆明 650051)

0 引 言

研究区位于云南西部德宏芒遮放镇一带，地貌属西南三江中南段高黎贡山之南延部分，区内高山峡谷相间，地形切割深，野外调查极为不便。采用动态巡查的传统矿政管理缺乏针对性，具有效率低、周期长、耗时费力、工作量大等弊端，难以满足现代矿政管理的需求。对于地质灾害的调查多以现场调查和询问的方式进行，易造成遗漏；灾害调查以单点人工调查为主，视域范围小，片面性强，缺乏整体性，极大降低了调查的准确性。

遥感技术手段以空间探测为主，不受时间、地域、地形的限制，具有时效性、宏观性、客观性等特点，能快速、高效、低成本地解决上述问题(吕鹏等，2015；胡官兵，2019)。目前，不同种类的遥感数据源在矿山开发调查及地质灾害监测中应用较多，在相应的影像精度范围内均取得了较好的调查与监测成效。在矿山开发调查方面主要用于开发状况、占地、地质环境恢复治理等信息的提取(杨金中等，2011；安志宏等，2015；薛庆等，2017；李鹏伟，2020)；在地质灾害调查方面主要用于提取地质环境背景条件以及地质灾害体等信息，效果较好(童立强等，2013；张晓东等，2015；黄皓中等，2017；常琳等，2018；杨文佳等，2020)。

遥感技术可帮助有效识别地物的几何形态特征、时空演化特征以及物质组成和成分(陈玲等，2019)，地物的空间几何形态特征包括地物的大小、形状、纹理、空间分布等，是地物识别的关键指标。一般来说，空间分辨率越高，越可能实现对地物的精细探测，越有利于地物细节信息的获取。同样，在矿产资源开发调查领域，空间分辨率越高，对小规模采矿活动的监测效果越好(王晓红等，2006；章新益等，2020)。

WorldView-3(WV-3)是目前商业成像卫星中空间分辨率最高的卫星，全色波段空间分辨率可达0.31 m，最大成图尺度达1∶1 000左右，识别的矿山开发要素信息更为丰富，对这些要素进行组合分析，能识别出更多精细的矿山开采信息，包括开采矿种、开采状态等。研究区内5种非金属矿资源开发点为一采石场，其遥感影像特征存在较多相似之处，在遥感数据分辨率不够的情况下较难区分，利用WV-3数据可进行更细致的解译，有助于对开采矿种进行细分，突破传统平面遥感解译的限制，利用三维立体图多角度、全方位地展示矿山开发和地质灾害的基本形态，提高遥感影像对解译目标的识别精度。

选用WV-3卫星影像作为遥感数据源，结合高精度数字高程模型(DEM)数据，使用三维软件制作立体影像场景，对区内较难区分的5种非金属矿资源开发状况和地质灾害进行精细解译，力求获取更多地物信息，辅助矿政管理及地质灾害调查，增强工作的针对性和有效性，减少野外核查工作量，提高工作效率和质量。

1 矿产资源开发与地质环境概况

研究区矿产资源以非金属矿为主，其赋存的地层与岩石主要有白垩纪二长花岗岩(Eηγ)、中侏罗世勐嘎组(J2m)泥岩、粉砂岩夹灰岩、泥质灰岩，早三叠世扎多组(T1z)板岩夹透镜状细晶白云岩、大理岩化白云岩，二叠纪沙子坡组(Ps)浅灰、灰白色白云岩、白云质灰岩等。

开采矿种具体可分为建筑石料用灰岩、水泥用灰岩、饰面用大理岩、建筑石料用花岗岩、建筑用砂等。开采方式均为露天开采，并呈点多、规模小、分布较零散的特点，区内存在部分疑似无证及越界开采情况，给矿山管理带来较大压力。

研究区处于云南地质灾害易发地段，区内新构造运动强烈，变质岩、岩浆岩体广泛分布，物理与化学风化作用强烈，是泥石流和滑坡强活动区(云南省自然资源厅，2018)。地貌包括侵蚀堆积地貌、岩溶地貌、构造剥蚀地貌、构造侵蚀地貌等类型，地形地貌为地质灾害的发育提供了有利条件。区内地质灾害主要分布于交通沿线、矿山开采区等，形成区域多在地质结构破碎、松软的地段，在强降雨的条件下，陡峻的地形极易造成滑坡、泥石流等地质灾害(陈斌等，2015)。

2 WV-3遥感数据与三维模型构建

2.1 WV-3遥感数据及处理

WV-3卫星是第四代高分辨率光学卫星(美国DigitalGlobe公司)，全色波段空间分辨率达0.31 m，可提供8波段短波红外影像，空间分辨率的提高对细小地物的识别及细节的刻画有极大优势。获取的影像时相为2015-12-13，包括2景数据，原始数据影像清晰,色调信息丰富,无云量覆盖，整体质量高。

数据处理包括正射校正、融合、镶嵌、裁剪等。正射校正以1∶1万地形资料为基准，以已有的高分辨率遥感影像为参考，在影像上找出与其相匹配的、均能正确识别且准确定位的明显地物作为控制点进行校正。采用红、绿、蓝3个波段与全色波段融合生成空间分辨率为0.31 m的真彩色影像，成图参数为高斯-克吕格3度带投影，CGCS2000坐标系。

2.2 三维影像模型构建

基于Skyline软件生成三维影像模型，Skyline包括TerraBuilder、TerraExplorer Pro等模块。首先基于研究区1∶1万地形图在ArcGIS软件三维分析模块中生成DEM数据，然后在TerraBuilder模块下利用研究区的WV-3卫星正射影像数据、DEM数据及矢量地理数据创建模拟现实影像的三维数据场景，最后在TerraExplorer Pro模块下进行三维展示及相应目标信息的解译识别(刘舫等，2017)。

3 矿产资源开发及地质环境遥感信息识别

3.1 矿产资源开发精细识别

区内非金属矿资源开采方式均为露天开采，遥感影像能有效提取识别矿山的相关要素，包括开采面、中转场地、矿山建筑、固体废弃物4大类。不同的开采矿种与开采状态，其开采面形态与色调、中转场地相关设备与成品石料、矿山建筑及固体废弃物分布情况等都存在较大差异。利用WV-3遥感影像对这些细节信息进行详细识别，同时借助其他资料识别出区内开采矿种与开采状态等目标信息。开采矿种分为建筑石料用灰岩、水泥用灰岩、建筑用砂、饰面用大理岩、建筑石料用花岗岩5种(表1)，开采状态包括正在开采、关闭或废弃，解译方法以人机交互式解译为主。

表1 研究区主要非金属矿资源开采遥感解译特征

3.1.1 开采矿种识别标志 (1) 建筑石料用灰岩和水泥用灰岩。开采点基本位于中侏罗世勐嘎组(J2m)灰岩夹层中，灰岩相邻上下层位为泥岩、粉砂岩等。WV-3影像显示，灰岩开采点受层位控制明显，多个灰岩开采点的整体展布方向与灰岩岩层走向一致，单个灰岩开采面形态多呈条带状。在固体废弃物方面，因上覆土层及周边泥、砂、碎屑物质较多，两者都有占地面积较大的排土场，沿附近的山坡堆放。建筑石料用灰岩与水泥用灰岩开采点的区分主要在中转场地与矿山建筑方面。① 建筑石料用灰岩的矿山中转场地区域可见碎石设备及大量细小成品石料堆积(图1)；水泥用灰岩矿山中转场地少见碎石设备及成品碎石料堆积，多为大块石料，同时可见大量运输车辆运送大块石料至附近厂区，或直接利用传输设备将矿山与附近的厂区相连接进行石料运送；② 建筑石料用灰岩开采点一般有少量简易平板房；水泥用灰岩开采点附近有大型工业厂房，且离城镇较近，交通运输方便(图2)。

(2) 建筑用砂。开采点的岩性以白云岩为主，层位多位于下三叠统扎多组(T1z)与二叠系沙子坡组(Ps)中。区内白云岩多呈块状，易碎，颜色呈灰白色；灰岩多呈层状，产状明显，颜色呈灰色。矿山的相关要素及设施与建筑石料用灰岩基本一致，矿山开采面、矿山建筑、矿山设备、中转场地等较齐全，但也存在较大区别，主要表现在开采面、色调、开采点与固体废弃物方面。① 相应的遥感影像(图3)显示，建筑用砂的开采面多呈面状，色调更加灰白；灰岩开采面则呈层状，色调为灰、灰黄。② 建筑用砂相比灰岩更易开采，因此采砂点分布呈零散、点多、规模小等特点；灰岩开采点多呈条带状分布，开采点数量相对较少。③ 白云岩上覆土层非常薄，无排土场或者其规模较小；灰岩开采点有大面积固体废弃物。

图1 建筑石料用灰岩资源开采点影像及野外特征(a) WV-3真彩色遥感影像；(b) 建筑石料用灰岩开采场Fig. 1 Images and field characteristics of mining site of limestone resource for building(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry of limestone resource for building

图2 水泥用灰岩资源开采点影像及野外特征(a) WV-3真彩色遥感影像图；(b) 水泥用灰岩开采面Fig. 2 Images and field characteristics of mining site of limestone resource for cement(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry face of limestone resource for cement

(3) 饰面用大理岩。开采点基本位于早三叠世扎多组(T1z)白云岩夹层中，扎多组白云岩因靠近白垩纪二长花岗岩(Eηγ)而受热变质成大理岩，主要用作装饰材料。区内大理岩呈乳白、纯白色，在遥感影像上(图4)反射率较高，色调多为白色、灰白色，开采面比采石场小，采面较陡，正在开采的中转场地可见切割设备而无采石场的碎石设备，在场地上堆积部分规则的成品石料，影像上表现为斑点较大的碎块。

(4) 建筑石料用花岗岩。开采点多位于白垩纪及奥陶纪花岗岩中。矿山的相关要素设施与建筑石料用灰岩一样，开采面、排土场、矿山建筑、中转场地等较齐全，矿山开发区域可见碎石设备，中转场地堆积有大量的成品石料。受区内炎热多雨气候的影响，花岗岩风化土层厚，排土场规模较大，且花岗岩无明显产状，在WV-3影像上开采面多呈面状。

3.1.2 开采状态识别 通过对2期影像的矿山开发占地数据进行解译，对比开采面、固体废弃物等图斑的变化，可判定该矿山在监测期内是否发生开采。采用WV-3高分辨率数据对开采面、中转场地等矿山开发相关要素进行精细识别，能较好地判别其开采状态。废弃开采面色调较新鲜，开采面暗，有杂乱的植被分布，且废弃时间越长，植被覆盖越多，在影像上表现为色调变暗以及植被覆盖度较大等；中转场地方面，废弃矿山场地及其周边无设备或设备残缺、无作业工程车辆、无成品石料或有少量的石料堆积等标志均与正在开采的矿山影像特征有所不同。

3.2 地质灾害信息三维解译

研究区内地质灾害的发育与地形地貌、地质构造(尤其是新构造运动)、岩土体工程性质、植被覆盖度、人类工程活动等因素密切相关。陡峻的地形是地质灾害产生的主要原因，区内滑坡的斜坡坡度多>25°，相对高差较大，具有有效的临空面；崩塌的斜坡坡度更大(一般>35°)。泥石流沟口多位于两种地貌由陡变缓的部位，即上游形成区、流通区(地势陡峭)和下游堆积区(地势相对开阔平坦、沟谷纵坡降大)(陈斌等，2015)。对地质灾害进行遥感解译时，利用高精度DEM数据制作的三维模型能充分考虑地形地貌的因素，可从不同的视域范围、方位视角及远近尺度展示地质灾害体的真实情况，获取包括灾害群的整体宏观分布情况、灾害体的周边地质环境特征、单个地质灾害的局部精细特征等信息。

3.2.1 滑坡信息解译 区内滑坡主要分为土质滑坡和岩质切层型滑坡：土质滑坡多与人工开挖、切坡等相关，残坡积土体沿基岩顶面滑坡；岩质切层滑坡多位于软弱结构面，即两种不同岩层构成的界面或同一岩层所夹的软弱层(陈斌等，2015)。

图3 建筑用砂资源开采点影像及野外特征(a) WV-3真彩色遥感影像图；(b) 建筑用砂开采面Fig. 3 Images and field characteristics of mining site of sand resource for building(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry face of sand resource for construction

图4 饰面用大理石资源开采点影像及野外特征(a) WV-3真彩色遥感影像图；(b) 大理岩开采面Fig. 4 Images and field characteristics of mining site of marble resource for decorative overlays(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) Quarry face of marble resource

遥感影像平面图显示，滑坡体多呈长条舌状、扇状，滑体表面具揉皱状纹理特征。土质滑坡呈现上覆土层的色调，岩质滑坡呈现切层基岩的颜色，滑坡体上无植被覆盖或有少量植被稀疏分布。

三维遥感影像展示了滑坡所处的地貌位置以及一些局部细节形态信息，如裂缝、鼓丘、植被附着情况等。区内一滑坡(图5)为岩质切层型滑坡，出露岩性为中侏罗世勐嘎组(J2m)紫红色泥岩、粉砂岩夹灰岩、泥质灰岩，滑坡处于坚硬及抗剪强度不同的岩性所构成的界面上。WV-3高分辨率三维影像显示：该滑坡色调以紫红色泥岩为主，少量呈灰黄色；位于沟谷右岸，滑坡前缘的滑动空间充足，滑坡后壁的开口朝向沟谷，形态呈圈椅状；紫红色岩石裸露，滑坡体中存在拉张裂隙,植被倾倒或成角度的倾斜，与周边正常生长的植被形态差异大。

图5 滑坡影像及野外特征(a) WV-3真彩色遥感影像图；(b) 100°方向视角三维图；(c) 120°方向视角三维图；(d) 实地照片Fig. 5 Images and field characteristics of landslide(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) 3D image in the direction of 100°; (c) 3D image in the direction of 120°; (d) Field photo

3.2.2 崩塌信息解译 区内构造运动强烈，新构造运动活跃，节理裂隙发育，风化强烈，易形成崩塌。崩塌体物质以岩质为主，少见土质，主要发育在公路边坡、深切河谷岸坡和露采边坡等处。遥感影像显示：崩塌多呈块状、细长扇形或新月状等，边界轮廓线明显，与地形等高线近于平行一致；在峭壁或陡岩的底部有大量滚落的巨大岩块，影像上呈点状、圆状锥形堆积体；色调多与出露基岩接近，由于影像获取时受太阳光线的影响，崩塌壁的背光一侧多形成黑色阴影。

三维遥感影像可帮助展示周边的地形地貌，如区内沿龙江左岸发育1处崩塌(图6)。该崩塌体在地势上位于坡度约55°的陡坡地段，其顶底相对高差最大约475 m，整体表现为上陡下缓的特征。出露岩性为大理岩化白云岩，岩石内部构造裂隙与岩溶裂隙发育，将碳酸盐岩分割成大小不等的块体，在重力作用下发生掉落。影像上崩塌体颜色为灰黄色，与周边植被的青绿色不协调，公路下方见大量碎屑崩塌物质，对公路及建筑威胁很大。

图6 崩塌影像及野外特征(a) WV-3真彩色遥感影像图；(b) 45°方向视角三维图；(c) 90°方向视角三维图；(d) 实地照片Fig. 6 Images and field characteristics of collapse(a) WV-3 true color remote sensing image; (b) 3D image in the direction of 45°; (c) 3D image in the direction of 90°; (d) Field photo

3.2.3 泥石流信息解译 区内泥石流按流域形态可分为山坡型和沟谷型，其中以沟谷型泥石流为主，主要发育于河谷狭窄、滑坡与崩塌等发育的流域。三维遥感影像可宏观识别泥石流的流域范围、形成区、流通区和堆积区。泥石流的流域整体呈葫芦形或树枝形等。

(1) 形成区位于沟谷的上游，呈勺状或瓢状，同时在该区域能解译出滑坡、崩塌等不良地质现象以及矿山开发和道路修建工程等人类工程活动，这些区域产生的大量松散堆积物质积存在岸坡或沟床中，为泥石流的产生和发展提供了固体物质来源。

(2) 流通区由多条河段、沟槽或干沟组成，形态细长，宽窄曲直不一，受植被覆盖影响，色调与周边区域差异不大，局部沟槽弯曲段可见裸露的堆积物，地貌上流通区的纵坡较形成区地段缓，但较沉积区地段陡。

(3) 沉积区位于下游沟谷开口处，纵坡平缓，规模大小不一，整体呈扇形或带状，轮廓明显，三维遥感影像上整体比周边平缓区域地势高，可准确圈定其形态。

4 结果分析

根据遥感解译标志，研究区共解译出矿产资源开发点41处，其中正在开采23处、关闭或废弃18处。按矿种分为5种类型，其中水泥用灰岩1处、建筑石料用灰岩6处、建筑用砂30处、建筑石料用花岗岩2处、饰面用大理岩2处。矿山开发占地面积为78.39 hm2。将提取信息与采矿权的空间范围、属性等资料相结合，可较为准确地识别区内可能存在的疑似违规开采活动，包括疑似无证开采、越界开采、擅自改变开采方式、改变开采矿种等，为矿山行政管理部门提供精准的执法对象，解译出的矿山开发占地图斑可为矿山地质环境恢复治理和土地复垦提供遥感技术支撑。

在地质灾害方面，提取了区内地形地貌、植被覆盖、人类工程活动等地质环境背景条件，解译出地质灾害点39处，其中滑坡13处、崩塌6处、泥石流20处，可作为野外地质灾害详查的补充。

5 结 论

(1) 区内5种非金属矿资源开发点均为传统意义上的采石场，影像特征会存在较多的相似之处，在遥感数据空间分辨率不足的情况下较难区分，利用WV-3数据对开采面的色调与形态、中转场地相关设备及成品石料堆积、固体废弃物占地面积以及矿山建筑组成与规模等进行更细致的解译，能够细分开采矿种。

(2) 在解译过程中，利用Skyline平台构建研究区三维立体模型开展地质灾害解译，从不同的视域范围、远近尺度、方位视角，展示地质灾害体的地理位置、高程、坡度、形态、规模、影响范围等细节信息，获取包括灾害群的整体宏观分布情况、灾害体的周边地质环境特征、单个地质灾害的局部精细特征等多方面的信息，大幅提高解译精度及对地质灾害的认识。

(3) WorldView-3卫星影像可提供目前商业卫星数据中分辨率最高的遥感数据，三维视图能够识别的地物种类更多，形态更加准确，地物属性更易确定。将其应用于矿产资源开发状况及地质灾害调查等领域，有利于减少野外工作量，提升矿政管理和野外调查工作的精准性。