黃鐵蘭，黃華谷，朱俊鳳

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測(cè)繪遙感信息工程系，廣東 廣州 510510；2.廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)在稀土開(kāi)采遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

黃鐵蘭1，黃華谷2，朱俊鳳2

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測(cè)繪遙感信息工程系，廣東 廣州 510510；2.廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

選擇粵贛兩省交界處為研究區(qū)，以資源一號(hào)02C影像為主要數(shù)據(jù)源.首先在對(duì)資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多次試驗(yàn)選擇合適的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，制作滿足稀土開(kāi)采監(jiān)測(cè)要求的遙感影像.然后參照以往稀土遙感監(jiān)測(cè)研究成果并結(jié)合野外踏勘情況，建立合適的解譯標(biāo)志.再提取研究區(qū)的稀土開(kāi)采圖斑，并進(jìn)行野外驗(yàn)證.最后，通過(guò)往年的影像提取稀土開(kāi)采歷史圖斑，進(jìn)行多期對(duì)比分析，對(duì)工作區(qū)近年來(lái)的稀土開(kāi)采狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè).研究表明，資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)能較好滿足稀土開(kāi)采監(jiān)測(cè)的要求，在我國(guó)南方地區(qū)應(yīng)用具有典型意義.

資源一號(hào)02C衛(wèi)星； 稀土開(kāi)采； 遙感監(jiān)測(cè)

資源一號(hào)02C(ZY1-02C)衛(wèi)星于2011年11月發(fā)射，2012年4月交付使用.它是我國(guó)首顆高分辨率寬覆蓋的民用遙感衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命為3年，搭載有全色/多光譜(P/MS)相機(jī)和高分辨率全色(HR) 相機(jī)，衛(wèi)星參數(shù)如表1所示.該衛(wèi)星分辨率較高、覆蓋范圍廣、重訪周期短，在國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1].

表1 ZY1-02C衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)[2]Tab.1 Technical indicators of ZY1-02C satellite valid loading

2012年8月起，ZY1-02C衛(wèi)星影像開(kāi)始在全國(guó)推廣應(yīng)用.各高等院校、科研院所、地勘單位開(kāi)展了大量的研究工作，主要分為2個(gè)方面：(1) 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與處理方法研究，包括數(shù)據(jù)特征分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)[3- 6]，數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法研究[1,7- 8]等；(2) 數(shù)據(jù)專題應(yīng)用研究，包括水利行業(yè)應(yīng)用[6,9]，土地利用變化分析與執(zhí)法監(jiān)察[10-13]等.

廣東是我國(guó)礦產(chǎn)資源大省，稀土資源豐富.但部分地區(qū)歷年來(lái)也存在不同程度的盜采現(xiàn)象，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源損失和生態(tài)環(huán)境破壞.這些地區(qū)往往地理位置偏僻，而稀土開(kāi)采又具有周期短、轉(zhuǎn)移快的特點(diǎn)，政府部門監(jiān)管的難度很大.因此，利用遙感技術(shù)尤其是國(guó)產(chǎn)ZY1-02數(shù)據(jù)開(kāi)展稀土開(kāi)采監(jiān)測(cè)，為礦產(chǎn)資源管理提供技術(shù)支撐，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文選擇的研究區(qū)位于粵贛兩省交界處，稀土資源較為豐富，歷年來(lái)存在較多的稀土礦盜采現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)氐馁Y源環(huán)境和居民生產(chǎn)生活造成較大的影響.

1.2 數(shù)據(jù)源情況

本文以2012年10月份的ZY1-02C數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，另外還收集了研究區(qū)的2010年的ALOS影像，2011年SPOT5影像，以及相關(guān)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等.

研究區(qū)的資源一號(hào)02C影像如圖1所示.

2 研究方法

參照礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，針對(duì)稀土開(kāi)采的特點(diǎn)，采用ZY1-02C為遙感數(shù)據(jù)源，與其他多源數(shù)據(jù)相結(jié)合，以人機(jī)交互解譯為主要技術(shù)手段，結(jié)合野外實(shí)地驗(yàn)證，并進(jìn)行多期對(duì)比分析，對(duì)研究區(qū)的稀土開(kāi)采情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體技術(shù)流程如下.(1) 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)：從人機(jī)交互解譯的角度出發(fā)，以信息量、清晰度等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將ZY1-02C數(shù)據(jù)與相近分辨率的其他類型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析;(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理：通過(guò)對(duì)比分析多種波段組合和數(shù)據(jù)融合方法，選擇合適的方法對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(3) 遙感解譯：通過(guò)野外踏勘構(gòu)建遙感解譯標(biāo)志，然后提取稀土開(kāi)采信息；(4) 野外調(diào)查驗(yàn)證：選擇典型地區(qū)進(jìn)行野外驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)解譯成果進(jìn)行修改完善；(5) 統(tǒng)計(jì)分析與綜合評(píng)價(jià)：提取多個(gè)時(shí)相的稀土開(kāi)采圖斑，進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)效果.

圖1 研究區(qū)遙感影像圖Fig.1 Remote sensing image of study area

總體技術(shù)流程如圖2所示.

圖2 總體技術(shù)流程Fig.2 The overall technical flow

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

在數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)的基本特征進(jìn)行分析.對(duì)2012年10月份的ZY1-02C數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要分析其信息量和清晰度[3，5]，以確定人機(jī)交互解譯的可行性.

(1) 信息量分析

ZY1-02C影像的數(shù)據(jù)灰度范圍較窄，且大部分都集中在低值區(qū)域.其灰度動(dòng)態(tài)范圍僅為30.6%,如圖3所示.對(duì)比分析，ZY1-02C影像的多光譜和全色波段灰度范圍均窄于與SPOT5影像，需要進(jìn)行適當(dāng)拉伸，以增加有效灰度范圍，提高地物之間的差異.

圖3 ZY1-02C、SPOT5多光譜影像與全色影像對(duì)比Fig.3 Contrast of multi-spectral images and panchromatic images of ZY1-02C and SPOT5

(2) 清晰度分析

ZY1-02C 原始影像地物紋理較豐富，與同區(qū)域的遙感二號(hào)(YG2)影像對(duì)比，紋理層次更加清晰，與周圍地物差異更加明顯；與SPOT5全色影像對(duì)比，色彩偏暗，紋理清晰度與SPOT5差不多.三者對(duì)比如圖4所示.

圖4 SPOT5、YG2、ZY1-02C影像對(duì)比Fig.4 Contrast of SPOT5, YG2, ZY1-02C images

ZY1-02C數(shù)據(jù)光譜信息較為豐富，紋理較為清晰，但邊界輪廓比較平滑.由于采用人機(jī)交互解譯提取稀土開(kāi)采狀況，數(shù)據(jù)質(zhì)量是可行的.

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)于ZY1-02C數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要從波段組合、影像融合等方面進(jìn)行分析[6-7].

(1) 波段組合方式分析.

本文使用的ZY1-02C多光譜數(shù)據(jù)只有綠②、紅③、近紅外④3個(gè)波段，其組合方式共有6種，如圖5所示.從不同波段組合的影像對(duì)比看，②④③、③④②兩種組合近似自然彩色，而③④②組合所表現(xiàn)的地物差異更大，包含的信息量也最為豐富，因此這種組合為最佳方式.

圖5 ZY1-02C不同波段組合多光譜影像對(duì)比Fig.5 Contrast of different bands of ZY1-02C multi-spectral images

(2) 數(shù)據(jù)融合方法分析.

遙感數(shù)據(jù)的融合算法很多，但目前還沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)融合模型和融合效果的有效評(píng)價(jià)方法，選用何種算法在很大程度上與遙感數(shù)據(jù)源的種類和融合目的有關(guān).

本文試驗(yàn)了IHS 變換、主成分變換(PCA 變換)、線性加權(quán)乘積和BROVEY 變換4種融合方法，將2.36 m ZY1-02C 的 HR 數(shù)據(jù)與 10 m ZY1-02C PMS 數(shù)據(jù)進(jìn)行融合.融合后的影像如圖6所示.

從影像對(duì)比來(lái)看，線性加權(quán)乘積和BROVEY 變換兩種方法融合的影像色彩偏暗，紋理特征不夠清晰；主成分分析法色彩明亮，但有蒙霧感，紋理較為模糊；IHS方法色彩較為明亮，且紋理清晰，對(duì)比鮮明，是最合適的融合方法.

3.3 遙感解譯

由于ZY1-02C影像在稀土礦開(kāi)采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用尚無(wú)先例，因此首先要參考前人利用其他類型遙感影像進(jìn)行稀土礦遙感監(jiān)測(cè)的成果[14-15]，結(jié)合往年解譯的稀土礦開(kāi)采圖斑，并進(jìn)行野外踏勘后，建立ZY1-02C影像的稀土礦開(kāi)采解譯標(biāo)志.

研究區(qū)的稀土礦開(kāi)采主要采用原地堆浸法和原地浸礦法，礦山地物包括裸露開(kāi)礦區(qū)、晾曬坪、沉淀池、礦山建筑等.從研究區(qū)的ZY1-02C影像上看，裸露開(kāi)采區(qū)一般分布在山體邊緣，形狀凹凸不平，極不規(guī)則；晾曬坪分布在開(kāi)采區(qū)的周圍，為規(guī)則形狀的多邊形區(qū)域，一般呈“田”字網(wǎng)格狀；沉淀池集中分布在礦區(qū)邊緣，一般為圓形或長(zhǎng)方形，大小不等；礦山建筑物為長(zhǎng)條狀，分布在礦區(qū)邊緣.

由于融合后的影像整體亮度不夠，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差增強(qiáng)，可以更好地突出稀土開(kāi)采的各類地物特征，如圖7所示.這些典型的解譯標(biāo)志，對(duì)于區(qū)分稀土礦開(kāi)采與土地整理、其他類型的礦山開(kāi)發(fā)活動(dòng)，提供了重要的依據(jù).

3.4 野外驗(yàn)證

進(jìn)行室內(nèi)解譯后，為了檢驗(yàn)初步解譯結(jié)果的正確性，需要進(jìn)行一定比例的野外驗(yàn)證.本次研究對(duì)野外疑似開(kāi)采圖斑進(jìn)行了驗(yàn)證.驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)的部分照片如圖8所示.

圖6 不同方法融合的ZY1-02C影像Fig.6 ZY1-02C images by different fusion methods

圖7 ZY1-02C稀土礦開(kāi)采解譯標(biāo)志Fig.7 Interpretative symbols of REE mining in ZY1-02C images

圖8 稀土礦開(kāi)采野外驗(yàn)證照片F(xiàn)ig.8 Verification photos of REE mining

3.5 多期對(duì)比分析

基于ZY1-02C影像，提取了研究區(qū)2012年的稀土礦開(kāi)采圖斑.另外，基于2010年的ALOS影像和2011年的SPOT5影像，提取2010年、2011年的稀土礦開(kāi)采圖斑.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)2010年共有稀土礦圖斑11個(gè)，占地56.27 hm2；2011年圖斑14個(gè)，占地61.03 hm2；2012年圖斑14個(gè)，占地面積為60.77 hm2.

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)2010年到2011年稀土開(kāi)采范圍有所擴(kuò)大，新增3個(gè)圖斑；2011年到2012年稀土開(kāi)采范圍略微減少，都處于停采狀態(tài).主要原因是地方國(guó)土部門加大了打擊力度，特別是2012年廣東省開(kāi)展了“三打兩建”專項(xiàng)整治行動(dòng)，有效地遏制了稀土礦非法開(kāi)采行為，同時(shí)部分稀土礦的復(fù)綠工作取得較好的效果，植被有一定程度的恢復(fù).

4 結(jié)論

本次選擇粵贛兩省交界處作為研究區(qū)，進(jìn)行了ZY1-02C數(shù)據(jù)在稀土開(kāi)采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，得出如下結(jié)論：

(1) 數(shù)據(jù)質(zhì)量方面，從信息量和清晰度2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，ZY1-02C衛(wèi)星影像多光譜數(shù)據(jù)光譜信息豐富，全色數(shù)據(jù)紋理清晰，地物層次分明，整體效果優(yōu)于YG2數(shù)據(jù)，接近SPOT5數(shù)據(jù)，對(duì)稀土開(kāi)采的識(shí)別度較好.

(2) 數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，342波段組合方式、IHS融合方法能夠突出地物差異，紋理特征清晰，是處理ZY1-02C衛(wèi)星影像的最佳方法.

(3) 解譯標(biāo)志建立方面，結(jié)合往年的開(kāi)采情況，并對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差增強(qiáng)，可以有效地將稀土開(kāi)采與其他礦產(chǎn)開(kāi)采、土地利用變化等活動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái).

(4) 研究結(jié)果表明，利用ZY1-02C影像和其他類型的影像進(jìn)行對(duì)比分析，能有效地監(jiān)測(cè)稀土開(kāi)采情況.若能縮短影像的時(shí)間間隔，將一年一期調(diào)整為一年2～3期，對(duì)于稀土開(kāi)采這種周期短、轉(zhuǎn)移快的礦產(chǎn)開(kāi)采行為的監(jiān)測(cè)將更加有效.

主要問(wèn)題與建議：

(1) 與IKNOS 、WV2、QUICKBIRD等優(yōu)于1 m的高分?jǐn)?shù)據(jù)比較，ZY1-02C數(shù)據(jù)空間分辨率仍然不夠高，尤其是對(duì)于剝土面積較小的原地浸礦法稀土開(kāi)采圖斑，解譯標(biāo)志不夠明顯，需要補(bǔ)充大量的野外驗(yàn)證工作.希望后續(xù)衛(wèi)星能進(jìn)一步提高空間分辨率.

(2) 廣東等南方地區(qū)氣象條件復(fù)雜，收集到的ZY1-02C有效數(shù)據(jù)的期次、范圍都不夠多，影響了稀土開(kāi)采遙感監(jiān)測(cè)的推廣應(yīng)用.希望后續(xù)衛(wèi)星能夠提供編程采集數(shù)據(jù)的服務(wù).

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Application and Evaluation of Remote Monitoring on Rare Earth Mining with ZY1-02C Data

Huang Tie-lan1, Huang Hua-gu2, Zhu Jun-feng2

(1.Deptment of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing, Guangdong College of Industry and Commerce, Guangzhou 510510, China；2.Guangdong Geologic Survey Institute, Guangzhou 510080, China)

In this article, the authors selected the boundaries of Guangdong Province and Jiangxi Province as the study area，and used ZY1-02C remote sensing images as the main data source. The procedures are as follows. First, the researchers created the required remote sensing image for monitoring Rare Earth Mining (REE) based on several pretreatment testing with different preprocessing methods and quality evaluation of the ZY1-02C data in study area. Then, a suitable interpretative symbol was established referring to the previous experience of remote sensing monitoring of REE. After that, the mining spots of REE were extracted and outdoors validation was carried out. Finally, historical mining spots with former images were drawn and used for comparative analysis with spots of 2012 in order to monitor the mining conditions in recent years. The results of this research show that ZY-1 02C data can meet the requirements of monitoring of REE mining conditions and the research has typical significance in the application in the southern Chinese regions.

ZY1-02C； rare earth mining; remote sensing monitoring

2014- 12- 15

國(guó)土資源部資助項(xiàng)目(1212011220816)

黃鐵蘭(1981-)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感、GIS開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.02.006

P237

A

1007-7162(2015)02- 0032- 06