刘鹏飞 帅 爽 陈 安

(1.核工业北京地质研究院；2.遥感信息与图像分析技术国家重点实验室；3.湖北省国土测绘院；4.武汉市第十四高级中学)

矿山遥感监测ZY-3影像与SPOT-5影像对比分析

刘鹏飞1,2帅 爽3陈 安4

(1.核工业北京地质研究院；2.遥感信息与图像分析技术国家重点实验室；3.湖北省国土测绘院；4.武汉市第十四高级中学)

以鄂南、鄂东南矿集区矿山开发遥感调查与监测中使用的SPOT5和ZY-3卫星数据为例，计算同一地区2类影像的均值、信息熵、平均梯度等指标，分析该2类影像对矿山地物、地质环境的识别能力以及最小可监测面积。结果表明：①ZY-3影像的信息量与清晰度均高于SPOT-5影像；②在区分面积较小的中转场和固体废弃物堆，圈定活动开采面范围以及识别较小的矿山次生地质灾害体等方面，ZY-3影像优于SPOT5影像，能够满足1∶ 50 000矿山遥感监测的质量要求。

矿山遥感监测 SPOT5影像 ZY-3影像 识别能力

矿山开发遥感调查与监测是利用遥感手段对全国矿产资源规划执行情况、矿产资源开发利用状况以及矿山地质环境问题进行调查和监测，因此获取高质量的遥感影像是矿山遥感调查与监测工作顺利开展的前提条件[1]。SPOT5影像以其空间分辨率高、成像幅面大和周期短等优势，在以往的1∶50 000矿山遥感调查与监测工作中成为最主要的数据源。但SPOT5卫星的传感器早已处于超期服役状态，数据系统噪声较为严重[2]，若继续依靠该单一数据源，已无法满足1∶50 000矿山遥感监测的质量要求。随着ZY-3影像被投入使用，讨论其各项性能指标，探讨其是否能够满足矿山遥感监测工作的精度及质量要求，分析其是否能够替代SPOT5影像成为1∶50 000矿山遥感调查与监测工作的主要数据源，成为了业内的热点问题。为此，选取鄂南、鄂东南矿集区作为研究区，对该区内2011，2012年度矿山遥感监测工作所使用的SPOT5和ZY-3影像进行分析比较，从而确定适合于1∶50 000矿山遥感调查与监测工作的最佳数据源。

1 研究区概况及数据源

鄂南、鄂东南矿集区位于湖北省咸宁市和黄石市，是湖北省的重点多金属矿区。金属矿种开采历史悠久，铜矿的开采甚至可追溯至宋朝。鄂东南地区是湖北省矿产资源开发的重点区域，区内以铁铜等金属矿的地下开采和灰岩等非金属石材矿的露天开采为主，由矿产资源开发引起崩塌、滑坡、塌陷等次生地质灾害频发，固体废弃物堆放压占耕地，选矿过程中所产生的废渣、废水对矿区周围环境的影响也较为严重。

SPOT5影像和ZY-3影像的空间分辨率均满足1∶50 000矿山遥感监测工作中对数据源的技术要求。ZY-3影像全色波段的空间分辨达到了2.1 m，高于SPOT5影像的2.5 m，这对于识别一些较小的矿山地物是非常重要的。SPOT5影像的单景覆盖范围大于ZY-3影像，但ZY-3影像的重访周期仅为5 d，远远短于SPOT5影像26 d的重访周期，这为实现矿山实时监测提供了强大的数据支持。本研究选取鄂南、鄂东南矿集区2011年5月30日成像的SPOT5影像和2012年4月27日的ZY-3影像进行对比分析。

2 数据性能对比

2.1 影像客观性能指标

均值反映平均亮度，如果均值适中，则视觉效果良好。方差反映了灰度相对于灰度均值的离散情况，方差越大，则灰度级分布越分散，此时，图像中所有灰度级出现的概率越趋于相等，从而包含的信息量越趋于最大。信息熵的大小反应了图像携带信息量的多少，图像的熵值越大，说明图像的信息量越大。平均梯度反映了影像的清晰程度，还可反映出图像中微小细节反差和纹理变换特征。研究区2011年度的SPOT5自融合影像和2012年度的ZY-3自融合影像，见图1。通过Matlab2009软件分别计算出该2类影像的均值、方差、信息熵和平均梯度，结果见表1。

图1 研究区2类影像

表1 2类影像性能参数

由图1、表1可知，区内SPOT5影像的均值远高于ZY-3影像，但其标准差、信息熵、以及平均梯度均低于ZY-3影像。因此可以认为，ZY-3影像的清晰度优于SPOT5影像。

2.2 矿山地物的识别能力

地物识别能力的强弱是遥感数影像量多寡的反映，信息量主要取决于传感器的光谱分辨率及地面分辨率[3]。矿山地物是指与采矿、选矿活动相关的地物类型，与矿产资源开发和矿山地质环境相关的矿山地物类型，主要有以下几类：

(1)矿山建筑物。矿山企业在勘查、开采矿产中建设的基础设施用地，包括选矿厂、矿部和宿舍等，建筑多为平房，蓝色金属顶棚，规模较农民住房略大。

(2)矿山道路。在开采矿产过程中，运输采矿设备、矿产品和废弃物的简易道路，宽2～4 m，一般为砂石铺成的简易道路，影像上亮度较低。

(3)开采面。露天采矿作业活动区，高50～200 m，宽100～300 m的裸露岩壁，呈环形阶梯状。

(4)中转场地。用来堆放矿山开采矿石和采矿过程中产生的废弃物的场所，包括堆矿场、选矿厂、选矿池等。

(5)尾矿库。筑坝拦截谷口或围地构成的用以储存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，一般地处山谷，距离矿区较近，状如水库，库内为灰色矿灰，占地面积2 000～160 000 m2。

(6)固体废弃物。矿业活动中产生的采矿废石、选矿尾矿、化工生产及冶炼废渣等固体废物，包括排土场、废石堆、煤矸石堆等，堆积范围集中，呈锥形，与周围植被边界明显，占地面积100～60 000 m2。

矿山地物的目视识别效果主要从地物边界的可圈定能力、地物内部细节的反映能力2个方面考查[4]。上述6类矿山主要地物在SPOT5影像、ZY-3影像上的表现形态见图2，2类影像对于上述6类矿山主要地物的识别效果见表2。

图2 矿山主要地物在2类影像数据上的表现形态

由图2、表2可知，借助2类影像均可圈定矿山地物分布范围，但在区分面积较小的中转场、固体废弃物堆以及圈定活动开采面范围方面，ZY-3影像优势较为明显。

2.3 矿山地质环境问题的监测能力

鄂东南地区主要的地质灾害类型有铜铁矿地下开采引起的塌陷和地裂缝，以及灰岩等石材矿露天开采引起滑坡、崩塌。矿区主要的环境污染类型为多金属开采、选矿过程中产生的废水、废渣对于周围水体、植被等的影响。2类影像对于区内矿山地质环境问题的监测效果如图3、表3所示。

2.4 最小可监测面积

在遥感影像上人眼所能识别的最小的与采矿活动有关的信息即为最小可监测面积[4]。为此，推断出了ZY-3多光谱数据、融合数据和SPOT5多光谱数据、融合数据的最小可监测面积，见表4。

表2 矿山主要地物识别效果

表3 地质环境问题监测效果分析

由图3、表3可知，借助2类影像均可实现对一些规模较大的矿山地质环境问题的监测，但对于一些规模较小的矿山次生地质灾害体(如较窄的地裂缝)识别，灾害体和环境污染的内部结构信息(如滑坡的滑移方向、崩塌体堆放情况、滚石粒度和水体污染的影响范围等信息)的表现，ZY-3影像优势较为明显。

图3 2类影像对于矿山地质环境问题的监测效果

表4 2类影像的最小监测面积

3 结 语

为了便于开展1∶500 00矿山开发遥感调查与监测工作，对ZY-3影像和SPOT5影像的性能参数进行了对比分析，结果表明，ZY-3影像优势较为明显，可以满足1∶ 500 00矿山开发遥感调查与监测工作的影像质量要求。

[1] 刘 智，黄 洁，邵怀勇，等．RapidEye卫星影像在1∶50 000矿山开发遥感调查中的应用研究[J]．国土资源遥感，2010(1):127-133．

[2] 陈伟涛，张 志，王焰新．矿山开发及矿山环境遥感探测研究进展[J]．国土资源遥感，2009(2)：1-8．

[3] 王晓红，聂洪峰，杨清华，等．高分辨率卫星数据在矿山开发状况及环境监测中的应用效果比较[J]．国土资源遥感，2004(1)：15-18．

[4] 王晓红，聂洪峰，李成尊，等．不同遥感数据源在矿山开发状况及环境调查中的应用[J]．国土资源遥感，2006(2)：69-71．

2015-06-29)

刘鹏飞(1990—)，男，硕士研究生，100029 北京市朝阳区小关东里10号院。