杨　琼，韩博玮

(1. 西安航空职业技术学院，陕西 西安　710089； 2. 中航飞机西安民机有限责任公司，陕西 西安　710089)

1　概　述

稀土作为当前国家的重要战略资源，合理有效地开发稀土矿产资源成为相关部门重点研究工作，然而由于稀土元素的特征，传统的遥感监测手段无法准确的判断出真实的矿产体积及资源容量，对于一些由于采用原始开采技术所产生的废矿及尾矿进行二次处理，已形成较大的经济效益；同时部分稀土元素对人体会产生较大的危害，如许多地雷废物可能通过酸性矿山排水，酸性岩石排水和金属浸出或大气尘埃释放对环境构成重大威胁，因此在实际的检测过程中需要充分考虑多方面原因。

稀土元素中不同的元素属性具备不同的反射波谱。如中国的白云鄂博地区，碳酸岩型稀土矿床的地域范围通常很小，但其属性的级别较高，即稀土氧化物总量ΣREO>1%；相反，在俄罗斯的希比内地区富含的碱性火成岩稀土矿床的属性级别较低，即碳酸盐岩ΣREO<1%[1]。业界通常利用稀土材料的反射光谱的特征来对其进行探索发现，本文以无人机作为遥感探测的载体，采用搭载雷达成像设备进行区域遥感拍摄，通过无人机光探测和测距数据结合卫星地图对所检测区域的主要特征形成最初识别，通过无人机摄影测量形成空间重叠的立体数字照片，用以创建三维空间数据。本文所采用的是Phantom 3 Professional无人机，配备了一个12 m像素的摄像头、焦距固定为20 mm，根据无人机的电池容量设定无人机飞行约20 min，完成对所检测区域的不同角度和不同海拔图像信息的捕捉，并将实时数据传送到ArcSoft软件中进行显示。

2　遥感拍摄相关技术

根据预定的航路规划，无人机按照既定路线进行巡航，随着无人机的飞行，根据拍摄计划对目标进行影像数据采集，然后从采集的图像中区别X，Y，Z点建立一个网格创建一个地形表面和数字高程模型(DEM)，当网状的三维模型构建完成后即完成了目标区域地理坐标的绘制。通过Agisoft软件软件作为图像处理媒介，在软件导出UAV拍摄过程中存档的摄像机位置数据，并在照片对齐阶段自动提供近似地理参考的同时，要求计算特征和结构的体积时需求更高的准确度。为了提高准确性，本文采取了地面控制点(ground control points，GCP)，为了实现地理配准任务，Agisoft建议使用9到10个GCP，由GPS确定的7个采样点连同LiDAR数据被用于确定海拔高度，并且另外包括3个陆地测量触发点，它们共同为准确的地理参考模型提供了10个GCP。要确定要素的体积，必须使用“封闭模型体积”方法去除所有“二次面”，该方法在空间中自动生成一个基准面。

稀土元素由于其不同的波长具有不同的反射效果，因此在遥感探测过程中需要针对所探测的稀土元素的波长选取合适的探测手段，如图1所示为常见的稀土元素对不同波长的射线的反射效率，通过对稀土元素富集碳酸岩中常见矿物的VNIR-SWIR光谱进行参考，Turner等人发现的bastniesite对光谱的吸收率，即在500至900 nm的波长间隔内观察到深的钕(Nd)吸收特征，在400 nm处显示绝对的反射率值。

图1　不同稀土元素对不同波长的光谱的反射率

随着高光谱测绘能力和图像处理技术的不断提高，使用反射光谱法来表征矿床将成为一种更加稳健的方法。例如，下一代遥感卫星的应用，将把空间地球观测完全纳入高光谱时代[2]。但是，通过遥感技术来识别稀土元素的许多问题在很大程度上还没有得到解答。首先，在理想的条件下，通过反射光谱法确定碳酸岩和碱性火成岩中稀土元素的检出限，即光谱特性与稀土元素等级相关程度如何？其次，做矿床岩性和矿物学是否会影响解决稀土的能力？第三，各种类型的遥感仪器在什么条件下可以解析稀土吸收特征？

使用无人机摄影测量技术对于目标矿山体积估算的准确性取决于后期处理编辑网格物体所需的时间，既需要产生高质量的密集点云，并使用GCP正确对齐数百个图像。使用GIS软件包(如ArcGIS和Surfer 11)中使用LiDAR数据可以更快，更容易地估算体积[3-4]。

3　稀土尾矿探测实例介绍

以中国XX独居石矿区的稀土矿作为研究对象，如图2所示为该地区稀土元素钕的浓度分布，图中可观察到常见的稀土元素的浓度超过了XRF(X Ray Fluorescence，X射线荧光光谱分析)的校准范围(大多数元素大约为2 000×10-6，图中的钕大约为2 800×10-6)，因此在遥感拍摄过程中需要选取合适的射线探测手段。

图2　研究对象中钕的浓度分布

对无人机进行航路规划，首先需要完成目标区域GIS信息的分析，由于所拍摄的稀土矿区域态势处于静止状态，因此完成GIS信息分析后即可按照拍摄的计划制定无人机的航路规划(根据无人机的电池容量确定)，通过GPS将无人机的位置信息以及遥感拍摄信息实时传送到ARCSoft软件中，通过相应的模型分析完成稀土元素的识别[5-9]。

利用原始技术进行稀土矿开采过程中往往存在开采不完全的情况，而稀土作为稀缺物品，提高其开采率是相关机构的重要工作之一。通常在稀土矿开采过程中产生大量的矿井水，常用的办法通过测量矿井水的元素含量来判断该矿井的余量。通过遥感技术对区域内的所拍摄的照片进行分析，包含地面、水色、山体结构等，利用综合的模型对图像进行识别，本文所提出的处理过程如图3所示。

图3　无人机遥感拍摄图像处理过程

其中NDVI为植被覆盖指数、Slope为斜坡，通过对无人机拍摄的RGB图像结合TM图像、DEM数据进行分析。如图4所示为本文的研究区域，作为该地区丘陵山地的地貌，采矿点大多位于山顶，为了准确定位采矿点，需要对图像进行正向纠正：首先，合成了412的图像解释；此外，从ETM图像中选择了21个地面控制点。基于ERDAS SPOT 5轨道推扫模型的双线性插值重采样方法对SPOT5影像进行了正射影像校正，正矫正后，平均RMS误差在1像素以下。

图4　研究区域

所研究区域的斑块总数为432个，面积为50 km2，占研究区域的3.03%，被破坏面积最大斑块面积8.1平方公里，破坏面积平均斑块面积约1.30平方公里。研究区西南部有56个破坏面积小于1平方公里的斑块。如图5所示，采矿活动发生在该地区的西部，相当于解释的分类结果[10]。

图5　目标区域探测后的人工判别结果

为了分析采矿区的地形，将解释的多边形以30 m的分辨率转换成网格，通过与DEM叠加，发现活动矿区的标高在370～570 m之间(结果如图6所示)，坡度在13(°)～23(°)之间(结果如图7所示)。

图6　矿区海拔分布

图7　矿区坡度分布

使用SPOT和DEM数据通过ArcSoft进行3D分析，如图8所示，大部分稀土元素采矿活动主要发生在山顶，从三维图像可以很容易地看到。

图8　ARCSoft的3D可视化效果

4　结　论

遥感技术是开采环境监测中必不可少的先进技术，可以为目标物提供准确、有效、全面的信息。来自遥感技术的动态和更新信息可以为政府和矿业公司组织环境规则和计划提供数据支持。根据不同的稀土元素对不同波长的反射效率，无人机进行遥感拍摄时需要选取合适的拍摄手段，从而利用高分辨率的图像来获取更多的矿区信息。