“高分二號”衛星在西藏礦山遙感監測中的應用研究

路云閣 樊雙亮 李春霖

（1 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

（2 中國地質大學北京地球科學與資源學院，北京 100083）

0 引言

目前，全國礦業開發形勢嚴峻，違法違規開采現象時有發生，因此，急需利用遙感技術開展礦山遙感監測工作[1]。李琴曾以馬鞍山礦區為研究區域，采用Geoeye-1衛星遙感數據，進行礦山開發遙感調查與監測應用研究。2006年開始，國土資源部中國地質調查局啟動了我國“礦產資源開發多目標遙感調查與監測”項目，把全國163個重點礦區都納入遙感監測當中，做到“一年一張圖”、“以圖管礦”。通過礦山的遙感監測，取得了大量客觀的基礎數據，為礦產資源開發秩序整頓、礦山環境恢復治理、礦產資源規劃執行情況監管提供了強有力的支撐。

西藏全自治區的礦山遙感監測工作主要包括全區的礦產衛片遙感解譯及重點區礦山開發遙感監測兩項工作。其中，全區的礦產衛片遙感解譯為1∶5萬尺度，2012年之前以5m分辨率的RapidEye國外商業衛星數據為主；2012年之后2.5m分辨率的國產衛星數據漸成主流，但全色數據占比較大。重點區礦山開發遙感監測分為1∶5萬和1∶1萬兩個尺度，2012年之后1∶5萬尺度全部采用2.5m左右分辨率的國產衛星數據，如ZY-1 02C、ZY-3、GF-1等；1∶1萬尺度全部為優于1m分辨率的國外商業衛星數據。秦緒文、楊金中曾就礦山遙感監測工作的進展與展望進行全面總結與論述。

2014年8月19日，“高分二號”（GF-2）衛星在太原衛星發射中心成功發射，其星下點像元分辨率為：全色0.8m/多光譜3.2m，幅寬45km。多光譜譜段4個：藍光0.45～0.52μm，綠光0.52～0.59μm，紅光0.63～0.69μm，近紅外0.77～0.89μm。對于礦山遙感監測而言，優于1m分辨率的GF-2衛星影像的出現，其意義在于徹底打破了國外商業衛星數據對于 1∶1萬尺度的礦山遙感監測工作壟斷數據源的地位，節約大量的數據采購費用，節省大量的野外驗證工作，更有利于熱點地區的年度多期動態監測，為國土資源管理提供強有力支持[2]。

1 GF-2衛星影像處理及解譯標志

1.1 數據源的獲取

本次接收的覆蓋墨竹工卡重點礦集區GF-2衛星影像為測試數據，共6塊，每塊幅寬為23km×23km，時相為2014年10月16日和2014年10月31日，級別為1A級，即影像僅經過了輻射校正。該影像在研究區內無云覆蓋、無云影，影像清晰，質量良好。墨竹工卡重點礦集區位于西藏自治區中部，墨竹工卡縣內，位于拉薩河中上游，平均海拔 4 000m 以上，地理范圍介于東經 91°39′～91°48′，北緯 29°41′～29°46′之間，東與工布江達縣毗鄰，西與林周縣、達孜縣交接，南與乃東縣、桑日縣接壤，北與嘉黎縣相鄰，面積約113.4km2[3]。區內礦產資源豐富，主要以銅礦為主，還有少數的石灰巖。礦山企業有1家，開采方式同時包括露天開采與地下開采，尾礦資源豐富[4]。圖1為本次GF-2衛星影像的范圍。圖1中紅色區域為本次6塊GF-2衛星影像測試數據覆蓋范圍分布示意圖，紅色區域內六位編號為每塊GF-2衛星影像測試數據相應的景序列號，見表1。

1.2 數據處理

本次 GF-2衛星影像的數據處理經過了正射校正、融合、裁剪、鑲嵌、幾何校正共五個部分，具體的流程如圖2所示。

西藏地區地形起伏大，又缺乏1∶1萬尺度的控制數據。在數據處理階段，技術難點首先是缺少高精度數字高程模型（digital elevation model，DEM）進行正射校正，其次在山區控制點的選擇非常困難[5]，其結果就是影像的幾何精校正精度難以保證，分景糾正后影像鑲嵌時重疊區因同名像點誤差大而無法接邊，最終結果是處理后的遙感影像圖精度無法滿足1∶1萬尺度礦山遙感監測技術要求[6]。為此，項目組采用區域網平差的辦法進行工作區6塊衛星影像數據一次整體正射糾正，基于先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型（advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model，ASTERGDEM）連接點自動生成，融合后影像重疊區同名像點位置誤差小于1個像元，徹底解決影像鑲嵌問題[7]。影像精校正階段只需從 1∶5萬地形圖上選擇 5個控制點，即可實現到西安80坐標系的幾何精校正過程（一次多項式）。通過與之前委托國家測繪局衛星遙感應用中心糾正的墨竹工卡重點區WorldView-2遙感影像進行對比（隨機生成30個點），最終校正的均方根誤差為1.98m，滿足礦山遙感監測技術要求并大幅節省選擇控制點的工作量[8]。

圖1 工作區GF-2影像范圍Fig.1 GF-2 image range in workspace

表1 GF-2衛星景序列號、產品號及遙感傳感器列表（多光譜+全色）Tab.1 List of scene ID、product ID and sensor ID of GF-2 satellite image（MUL+PAN）

1.3 信息提取

礦山遙感監測信息提取內容包括礦山開發狀況、礦山占地狀況及礦山環境恢復治理狀況等。其中礦山開發狀況涉及開采點和開采面；礦山占地狀況涉及采場、中轉場地、固體廢棄物、礦山建筑等的占地情況，包括壓占、毀損的土地類型及面積；礦山環境恢復治理狀況涉及環境污染、地質災害等，調查工作區內礦山環境恢復治理面積及完成情況，已采取的防治措施和治理效果等信息[9]。

圖2 GF-2影像數據處理流程Fig.2 Flow chart of data processing of GF-2 imagery data

1.3.1 遙感解譯標志

特征明顯的遙感解譯標志的建立是快速、準確地提取礦產資源開發狀況、礦山環境遙感信息的重要前提和關鍵[10]。GF-2衛星影像與之前的國產衛星相比，其優于1m的分辨率使得展現出的地物細節更加清晰，遙感解譯標志與2.5m左右分辨率的國產衛星明顯不同。項目組針對GF-2衛星影像建立了墨竹工卡區礦山遙感監測解譯標志，如附件1所示。

1.3.2 與國內外衛星影像信息提取對比

利用GF-2衛星影像進行信息提取過程中，與2.5m左右分辨率的國產衛星數據，如GF-1、ZY-3、YG-2等，以及優于1m分辨率的國外商業衛星數據，如IKONOS、WorldView-2等進行了對比研究。GF-2衛星影像的特點如下：

1）與2.5m分辨率的國產衛星相比。

YG-2衛星影像為2.5m分辨率的全色數據。通過對同一非法開采硐口的對比展示（如圖3），GF-2衛星影像清楚表明了硐采的開采事實，而右側的 YG-2影像則無法確定，只能初步判斷為礦山占地，需要進行現場野外驗證才能最終確定。

ZY-3衛星影像為2.5m分辨率的真彩色數據。我們選擇在礦山的一處采場進行對比展示（如圖4），在GF-2衛星影像上，采場道路和車輛清晰可辨；在ZY-3影像上，采場車輛辨識度低，容易誤判為中轉場地等其它地物[11]。

綜上所述，與以往的ZY-3、YG-2等優于5m分辨率的國產衛星影像相比，GF-2衛星影像數據首次達到優于1m的分辨率，地物輪廓更加清晰，開采硐口及采場等地物的特征相比以往的國產衛星影像更加突出，避免了誤判的現象，直接提高了硐口及采場解譯的效率和準確度，突破了1∶5萬尺度下礦山遙感監測的限制，實現了1∶1萬尺度的礦山遙感監測[12]。

圖3 GF-2影像與YG-2影像的硐口對比Fig.3 Contrast figure of entrance to a cave on GF-2 image and YG-2 image

圖4 GF-2影像與ZY-3影像的開采面對比（GF-2時相：2014年10月16日；ZY-3時相：2013年12月23日）Fig.4 Contrast figure of mining face between GF-2 image and ZY-3 image

2）與國外商業衛星對比。

IKONOS衛星影像為0.8m分辨率的真彩色數據。選擇礦山一處中轉場地進行對比展示（如圖5），在GF-2影像上，中轉場地色調自然，對比度強，道路和運輸車輛清晰可辨；在IKONOS影像上，車輛的辨識度要差于GF-2影像[13]。

WorldView-2影像為0.5m分辨率的真彩色數據。此處以一處水體污染及其處理設施進行對比（如圖6），WorldView-2和GF-2影像上該污染水體及處理設施輪廓都很清晰，但對于處理設施局部紋理特征的表現上，GF-2衛星影像要略差于WorldView-2影像[14]。

綜上所述，GF-2衛星影像較 IKONOS影像清晰，地物特征更加明顯，但細節上不如 WorldView-2影像?？傮w而言，GF-2衛星影像數據打破了以往1∶1萬尺度下礦山遙感監測被國外商業衛星壟斷的局面，基本可以達到1∶1萬礦山遙感監測的需求，細節上的不足不影響礦山的遙感解譯工作。

圖5 GF-2衛星影像與IKONOS影像的中轉場地對比Fig.5 Contrast figure of transit site between GF-2 image and IKONOSimage

圖6 GF-2衛星影像與WorldView-2影像的水體污染對比Fig.6 Contrast figure of water pollution between GF-2 image and WorldView-2 image

2 監測結果分析

2.1 礦山開發狀況

本次遙感調查顯示，墨竹工卡重點礦集區共有2處開采硐口及5處開采面，其中2處開采硐口均為無證開采，5處開采面中只有1處為合法開采，4處為無證開采，違法開采超過50%。

開采硐口集中在驅龍—甲瑪礦區內，均為地下開采銅礦形成，而開采面主要分布在兩個礦權集中區，區域內有合法開采的開采面，但是也有部分開采面超出礦權范圍。無證開采的采場有一定的規模，可見這種現象已持續了一段時間。另外私自采挖的大多為村民所為，隨意性較大，這些違法開采對當地的環境和山體有非常大的影響，有關部門應當重點監督管理。

2.2 礦山占地狀況

墨竹工卡礦區共有開發占地139處，其中有5處采場，46處中轉場地，14處固體廢棄物，74處礦山建筑。表2為墨竹工卡礦區不同類型的開發占地的數量與面積統計表。圖7為四類開發占地的合法與違法的面積分布圖，藍色柱形圖代表合法面積，黃色柱形圖代表非法面積。

表2 墨竹工卡礦區礦山開發占地統計表Tab.2 Statistics of mine covers in Mozhugongka mining area

圖7 四類開發占地合法與違法的面積分布Fig.7 Distribution of four types of legal and illegal mine covers

礦山開發占地總面積457.07hm2，采場占地占13.54%，中轉場地占44.34%，固體廢棄物占17.02%，礦山建筑占25.10%。這些礦山開發占地，多數分布在礦權外，屬于違法的礦山開發占地。其中礦山建筑多集中分布在礦區的東南角和西南角，以壓占和毀損的形式侵占和破壞著礦區的土地[15]。

2.3 礦山環境監測狀況

利用GF-2影像，我們在墨竹工卡礦區提取到了兩處水體污染，總面積為2.05hm2；一處滑坡及兩處滑坡隱患，總面積為208.83hm2。

首先，正在開采的銅礦及開采設施，非法建筑石料等相關地物(采場、尾礦庫、礦山建筑等)以及廢棄礦山的占地，對環境的影響和恢復治理都有重要影響。此外，礦山開發造成各類土地的占用及露天采場和尾礦庫等地物造成土地損毀問題。

其次，露天開采形成的高陡邊坡通常存在諸多不穩定因素，在強降雨、凍融或較強震動下易造成邊坡巖體產生崩塌、滑坡等重力地質災害，對當地居民的人身財產安全構成了一定威脅[16]。

最后，本次監測新發現幾處水體污染，大都位于驅龍–甲瑪礦集區內，該區銅礦采礦權和探礦權分布較為集中，有關部門應加強監督管理，避免水體污染影像到當地居民的健康與生活。

3 結束語

1）與YG-2、ZY-3等國產衛星相比，GF-2衛星具有更高的圖像分辨率，所有多光譜波段地面像元分辨率均為0.81m，地物的輪廓、紋理都更加清晰，可避免使用YG-2、ZY-3等衛星影像時造成的地物的誤判現象；與IKONOS、WorldView-2影像等同為優于1m數據源的國外商業衛星相比，GF-2衛星比IKONOS影像清晰，解譯準確度高，雖然地物細節不如WorldView-2影像，但不影響礦山解譯，總體上基本可滿足1∶1萬的礦山遙感監測需求。

2）本次遙感調查顯示，墨竹工卡重點礦集區內開發秩序存在一定問題，有無證開采及私自采挖的現象，這些違法開采對當地環境和山體有非常大的影響。除此之外，本次礦山遙感監測工作還新發現有水體污染現象，可能威脅到當地居民的健康。

3）文章結果表明：GF-2影像能夠滿足1∶1萬尺度下礦山開發遙感調查與監測工作，它可以準確、客觀、實時地監測礦山開發狀況、占地狀況及環境恢復治理狀況，能夠為相關的礦政監管部門提供科學的執法依據。

附件1 GF-2衛星影像典型遙感解譯標志

序號 地物類型 直接解譯標志 遙感影像6 尾礦庫 邊界形狀類似一般的水庫，色調與周圍差異較大。7 中轉場地 形狀上通常呈規則近長方形或正方形，周圍有圍墻為界。8 水體污染 水體顏色發綠或發黃。9 滑坡 形態標志為扇形輪廓，滑坡體色澤為淺色調。10 隧道口 長長的隧道明顯清晰，隧道開始的地方即為隧道口。

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