路云阁， 刘采， 王姣

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

0 引言

我国是世界主要的矿业大国，但长期以来，矿产资源开发利用与管理比较粗放，缺乏实时监控，在造成资源严重浪费的同时还引发了一系列环境问题。国土资源部对矿产资源开发管理工作高度重视，自2003年开始部署了对重点矿山进行遥感调查与监测试点研究工作，并于2006年正式启动了“矿产资源开发多目标遥感调查与监测”项目[1-2]，至今历时近8 a，为我国矿业秩序整顿、矿产资源规划执行情况监管和矿山环境恢复治理提供了基础数据和决策依据[3]。目前，由于矿山遥感调查与监测主要以国外高分辨率遥感影像为数据源[4-6]，昂贵的数据价格使数据购置和处理费用常常要占到项目总经费的35%～40%； 此外，监测工作对影像时相的要求也比较高，因此，如何获取理想的数据已成为该类研究经常面临的难题。随着我国卫星遥感技术的发展，将高分辨率国产卫星遥感数据应用于矿山遥感监测工作，既可以大幅度节约数据的购置成本，也可以提高年度监测的频次，为大规模开展多期次动态矿山遥感监测工作提供数据保障。

中国国土资源航空物探遥感中心于2010年起开展的西藏自治区东部矿山遥感监测工作，目前已完成了1∶5万和1∶1万比例尺共8个重点区(22 300 km2)的矿山遥感监测以及3个年度该地区的矿产卫片遥感解译工作。这项工作的主要特点为现势性强、影像采集期短、 业务流程化以及首选国产数据源。为此，针对国产卫星遥感数据特点[7-8]，及时制定和完善以重点区为工作尺度的矿山遥感监测工作一体化解决方案，才能更好地适应并完成现阶段西藏自治区矿山遥感监测工作。

本文结合西藏自治区矿山遥感监测工作的上述特点，以国产资源一号02C(ZY-1 02C)及高分一号(GF-1)卫星影像为主要数据源，结合前人研究成果[9-10]，在《矿产资源开发遥感监测技术要求》[11]的基础上，利用ArcGIS软件提供的地理空间数据库和镶嵌数据集等新功能存储、处理、管理数据，总结实现从国产卫星遥感影像数据管理、增强与校正、信息提取、统计分析、成果图制作与输出直到成果入库的一体化解决方案，并重点针对国产卫星遥感数据管理、增强与校正处理等方面探讨ArcGIS环境下的具体技术方法。

1 地理空间数据库的建立

地理空间数据库是各种类型地理数据集的集合，包含属性表、要素类和栅格数据3种主要数据集类型[12]。作为ArcGIS 的核心数据模型，地理数据库提供统一储存地理数据、处理多种数据类型及在要素间应用复杂的规则和关系等功能。本文借助ArcCatalog创建个人地理空间数据库，建立要素数据集及其要素类，并定义其空间参考坐标。

以重点区为工作对象，建立相应的地理空间数据库，其数据组织结构如图1所示。

图1 西藏山南地区矿山遥感监测的地理空间数据库构架

2 影像流程化处理的技术方法

由ZY-1 02C和GF-1卫星1级数据生成的可用于解译的遥感影像图，需要经过正射纠正、配准、影像融合、色调调整、几何精纠正以及镶嵌处理等步骤。以ZY-1 02C星数据的处理为例，其处理流程如图2所示。按照《矿产资源开发遥感监测技术要求》[11]的规定，1∶5万比例尺工作区的遥感影像平面坐标系应为1980西安坐标系，6°分带，高程系统为1985国家高程基准。

图2 国产卫星遥感数据处理流程

2.1 正射纠正

正射纠正基于ERDAS软件LPS模块、利用影像自带的rpb文件完成。其中DEM可选择分辨率更高的ZY-3标准产品DSM； 如不具备该数据，可以ASTER GDEM为基准，选择传感器相近的QuickBird卫星校正模型进行无控制点正射纠正。与其他软件相比，利用ERDAS软件的纠正速度更快。且ERDAS软件目前已支持西安80坐标系统，并能对重点区涉及的所有国产卫星遥感数据进行一次批量处理，可大幅减少重复工作。

2.2 几何纠正

几何纠正包括以高分辨率全色影像为基准的多光谱影像配准和融合后影像的几何精纠正，均可利用ArcGIS环境下的地理配准功能实现。

ZY-1 02C影像畸变量大，且全色影像与多光谱影像空间分布不同步，因此在配准之前，需对重点区分布范围内所有多光谱和全色影像按照空间叠置关系进行裁切，并分别进行配准和几何精纠正。实践证明，一个3 600 km2大小的重点区大概需要被裁切成9小块，对每小块进行配准和几何精纠正需要的控制点个数分别为14～16个或16～20个(视地形起伏情况定)； 一个重点区遥感影像的几何纠正共需要约300个左右的控制点，纠正后中误差为10～14 m，工作量很大。

与ZY-1 02C影像相比，GF-1影像的全色影像与多光谱影像空间分布一致，无需裁剪即可以对整景影像进行配准和几何精纠正。对每景影像配准时选择8～10个左右控制点； 几何精纠正选择12～14个左右控制点即可保证精度。一个重点区完成GF-1遥感影像几何纠正共需要140个左右的控制点，校正后中误差为5～8 m。

2.3 建立镶嵌数据集

镶嵌数据集是地理数据库中的数据模型，用于管理一组以目录形式存储并以镶嵌影像方式查看的影像数据集，它允许修改应用于各栅格或镶嵌数据集的属性和函数。在ArcGIS环境下，以镶嵌数据集实现遥感影像处理，且其处理过程的全程可回溯。

值得一提的是，镶嵌数据集可以对多景影像进行批量处理； 镶嵌数据集对于影像的处理通过加载函数完成，无需随时保存影像，极大地减少了影像处理工作量、缩短了处理时间并显著节省存储空间。这对于一个重点区影像数据量动辄十几G甚至几十G而言，其意义重大，也是笔者开展此项工作的初衷之一。

实践证明，在重点区这一尺度(5 000 km2左右，4～8景影像)，ArcGIS环境下镶嵌数据集提供的影像整体匀色与镶嵌功能，为国产卫星遥感数据融合与镶嵌提供了兼具高效性和经济性的解决办法。

2.4 影像融合

在全色与多光谱数据融合前，先对高分辨率的原始全色影像进行锐化处理，以突出影像纹理及要素之间的边界，提高解译能力。本文采用卷积函数进行锐化处理，锐化后影像的山体纹理和地物边界清晰自然(图3)。

(a) 原始全色影像(b) 标准锐化影像(c) 2×2锐化影像(d) 3×3锐化影像

对全色影像锐化处理后，采用ArcGIS提供的IHS变换、Brovey比值、Esri算法、Simple_Mean和基于特定传感器的Gram-Schmidt等方法对全色和多光谱影像进行融合，其结果如图4所示。

(a) 原始多光谱影像(b) IHS融合影像(c) Brovey融合影像

(d) Esri融合影像(e) Simple Mean融合影像(f) Gram-Schmidt融合影像

从图4可以看出，应用Brovey和Gram-Schmidt方法融合的影像整体色调较原始影像略浅，但色彩最接近原始影像； IHS，Simple_Mean和Esri方法融合效果稍差。在白色冰雪覆盖区，经Brovey和Simple_Mean方法融合后色调基本保持不变，而经Gram-Schmidt，IHS和Esri融合后影像局部表现为浅蓝色。在空间纹理特征方面, 无论是空间分辨率还是清晰度，融合影像的空间纹理信息都得到增强。从融合影像上能清楚地分辨出地物间的分界线和山体纹理等信息，5种融合方法在提高空间纹理信息上无明显差别。总体上说，采用Gram-Schmidt和Brovey变换融合的效果较好。

2.5 彩色合成

相比全色信息，色彩信息对于正确判释遥感影像的地物类别及其存在状态更为重要。对于道路、地表或山体破损面和植被等地物的识别而言，模拟真彩色合成图像有助于提高解译精度。鉴于ZY-1 02C多光谱数据的波段(绿、红、近红外波段)与SPOT5数据的3个波段极为相近，实践中可采用SPOT5多光谱数据的波段组合方法[13]进行彩色合成。在平均法、加权法模拟真彩色合成方法中，对于西藏自治区矿山遥感监测工作，加权法的效果较好，如图5所示。

(a) 加权法合成图像(b) 平均法合成图像

从图5可以看出，在加权法模拟的真彩色合成图像上(图5(a))，树木呈绿色，山体及第四系呈深棕色。与图5(b)相比，影像层次分明、色彩丰富，反差适中。

GF-1多光谱影像具有蓝、绿、红和近红外4个波段，在应用中直接采用红、绿、蓝3个波段进行真彩色合成并略作调整即可。因GF-1分辨率更高、字节位深更大，合成图像的影像纹理更为清晰锐利，色彩较ZY-1 02C合成图像也更为丰富、反差更加自然(图6)。

(a) ZY-1 02C加权法合成图像(b) GF-1 B3(R)B2(G)B1(B)合成图像(2013年3月24日)(2013年8月14日)

2.6 影像镶嵌及匀色

在ArcGIS环境下建立镶嵌数据集，实现影像整体匀色与镶嵌，具体流程如图7所示。

图7 影像镶嵌及匀色流程

首先，对多景(多块)影像同时构建影像轮廓、计算镶嵌线，对影像接边处进行调整以形成自然过渡镶嵌边界； 然后，统计波段数据，构建金字塔，建立直方图，选择匀光平衡方案、直方图平衡及标准差平衡等多种方法的色彩平衡，统一多景影像色调； 最后，调整影像之间的叠覆顺序，力求影像中云、雪影响范围量尽可能小，修改镶嵌线形成自然过渡镶嵌边界。当影像处理达到要求后，使用镶嵌工具将多景影像拼接，形成一幅完整的遥感影像图。

3 信息提取、野外验证及成果入库

以上述处理完成的国产卫星影像为底图，叠加矿权、地质图等信息，根据不同地层的矿产富集和出露特点，结合已经建立的遥感影像解译标志，进行矿山监测遥感信息提取工作，主要包括3部分内容[1]：① 矿山开发状况信息提取，即矿产资源开采点或开采面位置、开采方式及范围(露天、地下)以及 矿山开采状态等； ②矿业开采秩序信息提取，是否存在无证开采、越界开采、擅自改变开采方式以及开采矿种等行为； ③ 矿山地质环境信息提取，包括各类矿山地物(开采面/点、矿山建筑、固体废弃物、中转场地等)占地情况、矿山地质灾害(地面塌陷、地裂缝、山体崩塌、滑坡、泥石流)分布情况及影响范围、矿山环境污染情况以及矿山地质环境恢复治理情况等。对于已提取的矿山遥感监测信息主要利用要素属性表进行统计分析，包括对矿权、疑似违法图斑及各类矿山地物占地面积等内容的定量分析、排序及查找。

根据上述提取的信息，在地理空间数据库中调取影像及地理要素等资料，设计并编制野外检查路线、野外检查点分布等野外工作实际材料图，按照要求实地开展野外验证工作。并根据实地调查后的验证信息，进一步补充、完善地理空间数据库中的解译成果。成果入库包括原始资料、成果图件、成果报告及成果数据的提交。其中，成果图件制作是以相应比例尺的地理底图、影像图为底图，依次叠覆地理空间数据库中对应的信息提取内容，制作符合《矿产资源开发遥感监测技术要求》[11]中有关精度要求的1∶5万和1∶1万比例尺的矿产资源开发状况遥感调查图等图件。

4 结论

1)本文结合西藏自治区矿山遥感监测工作的特点，在ArcGIS环境下提出并实现了从国产卫星遥感数据管理、增强与校正、信息提取、统计分析及成果图制作等一体化解决方案，大幅度地缩短了影像的处理时间、提高了影像的合成质量，显著地提升了工作效率，为在矿山遥感监测工作中推广使用国产卫星遥感影像提供了技术支持。

2)针对国产卫星遥感数据，重点探讨了ArcGIS地理数据库和镶嵌数据集存储、处理及影像管理等功能的实现，并且就ZY-1 02C和GF-1遥感数据的融合、模拟真彩色合成以及镶嵌匀色等技术细节进行了讨论，提供了具体的实现办法，有助于推进国产卫星遥感数据在矿山遥感监测领域的应用广度和深度。

3)随着未来高分系列、资源系列等国产卫星逐步发射和运行，国产卫星的遥感数据势必成为我国各领域遥感应用的主要数据源。目前，ZY-1 02C数据已成功应用于矿山遥感监测工作，而GF-1数据由于比ZY-1 02C数据具有更高的空间分辨率、更大的位深以及更好的几何定位精度，在矿山遥感监测中的应用前景必将更为广阔。

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