基于遥感数据的河南省栾川矿山占地动态变化

2020-12-16武慧智何姝珺马骁

世界地质 2020年4期

武慧智，何姝珺，马骁

1.河南省地质调查院，郑州 450001；2.遥感卫星应用国家工程实验室地质遥感中心，郑州 450001

0 引言

国产遥感卫星数据的采集与应用能力快速提升，空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率上的精度日益提高，使得高性价比的影像数据应用成为可能，已稳步成为中国全覆盖遥感监测与成果应用的主要数据源[1--7]。中国矿产资源丰富，矿种齐全，近年来随着社会对矿产资源需求量的不断增加，作为一种不可再生的自然资源，其合理开采利用关系到子孙后代的生存和发展，随着科技的高速发展，传统的矿山监测方法已无法满足当今矿山发展的需要，而遥感技术凭借其遥感影像的宏观性、真实性、全面性、高速性及准确性等特点，被广泛应用于现在的矿山遥感调查与监测工作中[8--10]。

1 研究区概况和数据简介

栾川县位于河南省西部，地势由东北向西南逐渐升高，气候属暖温带大陆性季风气候，森林资源丰富，属暖温带落叶阔叶林，是南水北调中线工程水源保护地之一，是黄河中游最大支流伊河的发源地[11--12]。研究区位于河南省栾川县西部地区，地理范围介于111°22′00″～111°34′30″E，33°49′30″～34°00′00″N之间，面积约375 km2，研究区内矿产资源丰富。

收集的数据有：2011年7月SPOT5数据(1A级，多光谱与全色波段融合数据)，数据轨道号为274--281；2016年11月5日GF1国产卫星数据，数据编码为L1A0001939450。

SPOT5数据[13]包含有1个全色波段，空间分辨率为2.5 m；4个多光谱波段，其中绿(Band1)、红(Band2)和近红外(Band3)的空间分辨率为10 m，短波红外(Band4)的空间分辨率为20 m(表1)。

表1 卫星参数表Table 1 SPOT5 and GF1 satellite image parameters

GF1数据[14]包含有1个全色波段，空间分辨率为2 m；4个多光谱波段，为蓝(Band1)、绿(Band2)、红(Band3)和近红外(Band4)，空间分辨率均为8 m(表1)。

2 技术方法

2.1 数据预处理

遥感影像预处理过程主要包括多源遥感数据的辐射校正、正射校正、配准、融合、几何精校正、镶嵌和裁剪等。辐射校正主要是校正由大气影响造成的畸变，笔者采用FLAASH大气校正方法进行辐射校正。正射校正主要是校正地形对遥感数据光谱信息的影响，通常分为几何粗校正和几何精校正两部分。

2.2 彩色合成

考虑SPOT5、GF1数据的波段特征，经过不同多光谱数据波段组合的效果对比，SPOT5数据缺少蓝色波段，选用R(B4)、G(B1)、B(B3)组合合成假彩色图像，合成的图像植被呈绿色，水体呈蓝色，房屋和道路呈白色(部分略带粉红色)，接近于自然色，满足矿山环境解译的要求[15]。GF1数据选用R(B3)、G(B2)、B(B1)组合合成真彩色图像，用于矿山地物的识别。

2.3 图像融合

图像融合，是将低分辨率的多光谱影像与高分辨率的单波段影像重采样生成一幅高分辨率多光谱影像遥感的图像处理技术，使得处理后的影像既有较高的空间分辨率，又具有多光谱特征。

图像融合方法有很多，本文选用PCA、Gram--Schmidt、Brovey、NNDiffuse这几种融合方法，以GF1数据为例，将GF1数据8 m多光谱波段，选择R(Band3)、G(Band2)、B(Band1)进行波段组合后与GF1数据2 m全色波段进行融合处理，并对融合后的数据进行定性评价和定量评价[16--17]。定性评价是从影像的清晰度、色彩和纹理等方面进行经验性的目视评价，定量评价选择了信息熵、平均梯度作为评价因子。在遥感影像中，信息熵用来表示影像(去除噪声因素)包含的信息量，熵值越大，代表融合后的影像信息量越丰富，纹理越复杂，影像的融合效果越好[18--19]。平均梯度能敏感地反映影像对微小细节反差表达的能力，平均梯度越大，代表影像的清晰程度越高[20]。综合考虑各评价指标(表2)，NNDiffuse法融合影像相对于其他方法的融合影像清晰度最低；Gram--Schmidt法融合后的影像颜色偏蓝，且亮度偏暗；PCA法融合后的影像平均梯度最大，但亮度偏暗；Brovey法融合后的影像的信息熵最大，平均梯度略低于PCA法融合后的影像，且亮度适中，故本次工作选择选择Brovey法进行影像融合(图1)。

图1 GF1数据321组合波段与全色波段及融合后影像Fig.1 321 multi-spectral images, panchromatic images and fusion images of GF--1 data

表2 各融合法影像评价Table 2 Image evaluation of each fusion method

2.4 矿山环境信息提取

工作区内采场为露天开采的方式，一般为负地形，坑底作业痕迹明显，呈阶梯状环形纹理，与周边地物差异显著。中转场一般位于采场附近，包括选矿厂、选矿池和矿石堆等临时堆放矿石的场所。一般有多个锥状堆积物，多有棕色机械类的选矿设备。尾矿库多位于沟谷内，前部地势略高，有水泥制坝体拦挡，后部有较大面积的水域，颜色较自然形成的水域偏白，呈灰白色(自然水域为蓝色或深蓝色)。废石堆多在采场和中转场附近，规模较大，为锥状堆积物，部分比较规范的外侧建有挡土墙。矿山建筑位于采厂附近，比较整齐规则的几何房屋，多为蓝色铁皮房，呈蓝色矩形状。工作区内矿山恢复治理工程比较典型，在采坑上种有树丛，人工纹理较强(图2)。融合后的GF1影像比SPOT5影像矿山占地图斑边界更加清晰，色彩、亮度更加真实、清晰度更高、纹理更细致。

图2 矿山环境解译标志Fig.2 Interpretation marks of mine enviroment

3 结果与分析

工作区内矿山占地类型主要有采场、尾矿库、中转场、废石堆、矿山建筑和恢复治理(图3)。

图3 2011—2016年矿山占地变化图Fig.3 Dynamic change map of mine development land occupation from 2011 to 2016

2016年矿山占地图斑共144处，总面积共14.739 km2，其中采场图斑16处，面积为4.629 km2；中转场图斑15处，面积为0.174 km2；尾矿库图斑78处，面积为6.940 km2；废石堆图斑22处，面积为2.498 km2；矿山建筑图斑12处，面积为0.392 km2；恢复治理图斑1处，面积为0.106 km2。其中尾矿库图斑面积最大，占矿山占地图斑总面积的47.08%；其次为采场图斑，占总面积的31.41%；第三为废石堆图斑，占总面积的16.95%。

2011—2016年变化图斑共25处，其中扩张图斑19处，新增图斑6处，面积共增加了2.562 km2。除恢复治理图斑的个数、面积无变化外，其他矿山占地图斑面积均有所增加。采场扩张图斑3处，面积增加了0.442 km2。中转场扩张图斑1处，面积增加了0.006 km2。尾矿库扩张图斑11处，新增图斑3处，面积共增加了1.639 km2，新增图斑1处位于白石崖村，面积为0.508 km2；2处位于花园村，面积分别为0.130 km2、0.014 km2。废石堆扩张图斑3处，新增图斑3处，面积共增加了0.461 km2，新增图斑均位于花园村附近，面积分别为0.030 km2、0.025 km2和0.046 km2。矿山建筑扩张图斑1处，面积增加了0.014 km2(表3)。其中尾矿库面积增加最大，占总增加面积的63.95%；其次为废石堆和采场，分别占17.98%和17.25%。