多源数据融合技术在矿产开发动态监测中的应用——以天津北部山区为例（丁建华,李长江《地质调查与研究》2006.2）.pdf

多源数据融合技术在矿产开发动态监测中的应用 以天津北部山区为例 丁建华1,李长江2 1. 中国地质科学院,北京100037; 2.天津华北地质勘查总院,天津300181 摘 要在把遥感数据融合技术引入到地学数据的处理中,尝试将不同分辨率的遥感影像、 采矿登记数据、 地球 化学数据等进行融合,取得了较好的效果。通过对比分析天津北部山区数十年来资源开采情况,评价其对环境 所产生的影响,指出工作区存在部分违规采矿行为,很好地实现了对本区采矿行为及影响的动态监测,为地方的 资源管理提供了科学依据。 关键词环境遥感;融合;动态监测;矿山开采 中图分类号P627 文献标识码A文章编号1672 - 41352006 02 - 0155 - 07 收稿日期2006 - 01 - 05 基金项目天津市资源补偿费项目 作者简介丁建华1969 - , 女,1991年毕业于中南工业大学,现为中国地质科学院矿产普查与勘探专业在读博 士,E-mail dingzhanzhan163. com。 1 序言 遥感技术30多年来,广泛应用于灾害的预 警和监测等方面,在国民经济发展中发挥了重 要作用,同时也取得了显著的社会和经济效 益[ 1] 。 以往天津北部地区地质灾害调查工作,提 出了许多改善环境质量的建议[ 2] 。较近的一次 是2002～2003年天津市地质环境监测总站开 展的天津市蓟县地质灾害调查,提交了 天津市 蓟县地质灾害调查与区划报告 。这些工作中 所用的方法主要为野外调查的方法,辅助以航 片目视解译。 笔者在 天津北部矿产资源开发动态监测 项目研究中,充分利用了遥感技术直观、 综合、 动态等特长,在全面收集区内矿山、 遥感图像、 地质矿产、 环境、 地质灾害等有关资料基础上, 结合地球化学等多元信息,尝试着应用GIS技 术进行信息提取和综合分析,辅以野外抽查等 验证手段,对天津市蓟县地区矿产资源开发及 其对环境的影响进行监测,同时对遥感技术在 矿产资源动态监测中的应用方法进行了探索与 研究。 2 区域概况 工作区位于天津北部山区,地处燕山南麓 与华北平原的交接地带,面积约800km 2 。处于 华北地台燕山台褶带马兰峪复式背斜南翼。地 层主要为中上元古界富镁碳酸盐岩及碎屑岩、 粘土岩夹少量富钾火山岩,北部出露太古界角 闪斜长片麻岩、 角闪岩及二长片麻岩等,构造变 动相对微弱,侵入岩不发育。 区内目前共发现35种矿产,其中金属矿产 主要为金、 锰、 铁、 铜,少量多金属、 钨、 钼。非金 属矿产主要有水泥灰岩、 白云岩、 玻璃石英砂 岩、 紫砂陶土伊利石页岩、 含叠层石石灰岩、 辉长辉绿岩、 锰方硼石、 重晶石、 麦饭石、 海泡石 等。目前区内矿业开发活动比较兴盛,其中绝 大多数为非金属露采矿山水泥灰岩、 白云岩、 石料等。 3 研究方法 3. 1 遥感数据选择 TM ETM 遥感图像涉及122/321,主要 为1987年、1997年的TM和2001年5月的 ETM 数据,主要开采区域采用了2003年的 SPOT5的PAN波段数据表1。时相均为植 第29卷 第2期 2006年6月 地 质 调 查 与 研 究 GEOLOGICAL SURVEY AND RESEARCH Vol. 29 No. 2 Jun. 2006 被覆盖较少的春季3～5月。 表1 项目应用的卫星遥感图像 Table 1 The remote images in the project 时 相图像种类图像编号几何分辨率备注 1987年5月14日TM122 - 32 1997年5月9日TM122 - 32 1～5,7波段30m , 6波段60m 1～7波段 1～7波段 2001年9月17日 2000年5月25日 ETM 122 - 33 122 - 32 1～5、7波段30m , 6波段60m ,8波段15m 1～8波段 2002年3月SPOT4 2002年6月SPOT4 多景镶嵌10m全色波段 2003年6月SPOT5多景镶嵌2.5m全色波段 数据处理是在PCI软件环境下完成 3. 2 遥感数据处理 3.2.1 几何精校正及镶嵌 为了建立图像与地图之间的投影关系,使 图像与地形、 地理图相对应,将遥感图像的投影 从原始方式变换成6度带高斯-克吕格投影方 式,需要对图像进行投影变换和几何精校正。 几何精校正是以15万地形图为基准,合 理均匀地选取图像上易分辨且较精细的特征点 作为控制点。 控制点的数目最少为m个Num n 1 n 2 / 2,式中Num为控制点数目,n为拟合多 项式的冥。本次操作的拟合多项式为二次冥, 因此控制点数最少为6个,为使计算不过于复 杂,同时保证校正精度,选取控制点的经验值为 Num的2～3倍。本次在监测区800km 2 内 选取了16个点对,误差控制在一个象元以内, 几何畸变纠正的模型采用二元多项式,利用双 线性内插法进行亮度重采样,同时获得了不同 时相、 多源遥感图像的配准图像。 对多景图像校正后,采用地理坐标无缝镶 嵌法进行图像拼接,在镶嵌过程中首先进行直 方图匹配及像元亮度调整,使多景图像的色彩 和色调趋于一致,然后再依地物特征设定拼接 线,在本工作区选择两景图像间的山沟线作为 镶嵌线,并进行了弱化处理,拼接效果理想。 3.2.2 去干扰 项目中所要提取的采区信息在各波段的遥 感数据影像上均表现为高亮度值。云的反射在 TM1、2、3波段亮度值较高,盐碱地的反射在 TM3的亮度值最高,二者对图像质量影响较大。 因此选择TM1、TM3高端切割的方式来消除云 和盐碱地的干扰[ 3] 。 3.2.3 反差扩展 由于图像各个波段的原始亮度值分布范围 比较窄,合成的图像色彩层次较少,色调偏暗且 反差小,并有雾状感。反差扩展的目的就是为 了调整图像像元亮度值分布区间,增大像元亮 度间的差异,从而调整图像对比度、 增强目标信 息的表现。本次工作中选取均值扩展、 直方图 平移对图像进行处理,使图像各波段均有256 个灰度级,从而增加像元间亮度差异,得到更清 晰的影像,同时也为下一步融合时直方图匹配 作了准备。 3.2.4 多源遥感数据融合 数据融合又称多光谱图像空间分辨率增 强,常用的方法有三种。一是HIS变换[ 4] ,将高 光谱分辨率通常是低几何分辨率数据R、G、B 通道通过HIS转换变成H、I、S分量,再将高几 何分辨率的数据替代I分量,次高分辨率的数据 替代H分量,做HIS→RGB的逆变换,生成新 的R’、G’、B’,得到的影像将保持有高分辨率图像 的清晰度。二是像元加权融合[ 5] ,首先根据所 需融合数据的相关系数确定权重,例如数据i、j ⋯⋯ 的权重分别为Pi、Pj⋯⋯,则像元融合值I PiIiPjIj⋯⋯。三是基于小波理论特征的 融合[ 6] ,将高分辨率的波段作为独立波段,与低 分辨率的数据一起做主组份分析,选择主分量 做RGB合成也可选择主分量与原始数据合 成 , 结果将使信息得到增强,但图像的分辨率 并不能得到提高。 融合的主要目的是获得更高的地面分辨 率,因此采用了第一种即HIS变换法,将TM 651地 质 调 查 与 研 究 第29卷 ETM的7、4、1波段或3、 2、1波段数据分 别赋与R、G、B通道,经HIS变换后,由SPOT 的PAN数据将I分量替换,从而获得了相应年 份的10米分辨率图像,即保留了原彩色图像的 波谱特征,又融入了SPOT影像的几何信息。 由于SPOT影像是最新的数据,为了消除其低 频信息的干扰,在做融合前对其进行了高通滤 波处理[ 7] 。数据处理前后对比如图1 - 1、1 - 2。 3.2.5 信息自动识别 为了评价并监测区内采矿活动对自然环境 的影响程度,因此提取的遥感信息主要包括区 内采区的位置、 开采范围、 开采状况、 采矿活动 对植被和土壤的剥离和破坏等。区内基岩裸露 区地处理过的影像上的色调为暗褐色,范围广 泛;采场特别是目前生产矿山在图像上显示 出较高的反射率亮度值 , 与周围地物形成较 大的反差;已停采的老采场在影像上表现为亮 度值与采区相似的稍暗,有时有花斑;植被在图 中表现为绿色。 应用等值线法对正在开采区和近年来已停 采的采区进行自动识别与圈定,效果较好见图 2。很容易便将1987、1997、2001、2002年的采 区提取出来并形成对比。例如,从图2中可以 看出区内在蓝色圈区域内,采区面积明显扩大, 在绿色区域内则显示出植被恢复的现象。 遥感信息提取结果显示工作区近十几年 的采矿活动呈增加的趋势,尤其是1997年以来 增加较快表2 , 对植被构成一定程度的破坏。 近年来,在政府的大力整顿管理下,采矿活动受 到监管,有些采区已停采,且在这些停采的老采 区已见到植被恢复,对比几个年度的解译结果, 反映出植被恢复速度较慢。 3. 3 与非遥感信息的融合 在地学数据应用的过程中,可以将地质、 地 球物理、 地球化学等非遥感数据看作一种传感 器数据源,与遥感信息通过某种技术方法融合, 从而获得更丰富的信息[ 8] 。 表2 历年来矿山开采情况对比 Table 2 Contrast of the mines in the past years 统计年度解译采区数量开采面积总合 km 2 面积递增 1987年902.527 8 1997年1279.896 8 2002年26011.688 0 87～97年291.52 , 97～02年18.10 , 采场数量递增87～97年41.114;87～02年362.38 搜集了工作区2002年最新统计的采矿登记 资料,在MAPGIS软件下将登记区的数据转换 成灰度数字图像,并将其看作一个遥感波段,再 按遥感图象复合方法将其复合,得到了最新的监 测结果。根据面积统计对比,矿区登记总面积为 4.25km 2 ,采矿区解译面积为11.688km 2 ,除去 已经停采矿山约6.83km 2 ,实际采区比登记采 区面积大12.6 ,说明存在少量地方违规采矿 行为。这种现象,在融合影像上有明显的反映。 同时,在工作区800km 2 公里的范围内同时 进行了土壤沉积物测量和水质调查。结合本区主 要矿种,确定了水系沉积物测量样品分析元素 Cd、As、Sb、F、B、P、Pb、Cu、Co、Cr、Zn、Mo、Hg、Ag、 Au、Fe、Mn等十七种。水质分析测试项目确定 为可溶性SiO2、 总硬度、 永久硬度、 负硬度、 总碱 度、 总酸度、PH值、 色度、 透明度、 总固体、 浑浊度、 NH 4 、Cu 2 、Zn 2 、Pb 2 、Co 2 、Cl - 、SO4 2 - 、 HCO 3 - 、CN - 、NO 3 - 、PO4 3 - 及CO3 2 - 等23项,根 据分析结果生成元素异常图,作为另一种非遥感 数据源与遥感图像套合,以确定元素异常或污 染与采矿行为的相关性。 区内共圈定综合异常19处,从融合的影像 图3上看,元素异常的位置与遥感影像中采区 高反射率的亮白色影像区的位置相关性不大。 参照国家环保局制定的 土壤环境质量标准 和 地表水环境质量标准 对分析结果进行判别,发 现区内异常值基本都在允许异常值范围内土壤 3级,地表水5级 , 仅在黄花山金矿的选矿厂下 游图中红色正方形示意处出现一个重金属元 素的异常高值点,推测与该金矿有关。 可见,区内非金属矿山一般不会导致地球 化学环境变化,能产生影响的主要为金属矿 山,由于区内金属矿山很少,所以影响的范围 非常有限。 751 第2期 丁建华等多源数据融合技术在矿产开发动态监测中的应用 3. 4 遥感野外调查验证 在图像处理和遥感解译基础上,以路线穿越 法和追索法相结合,对工作区内矿产资源开发情 况矿山数量、 规模,停采矿山数量、 开采活动对 环境的影响土地占用、 植被破坏、 环境污染、 地 质灾害隐患等进行验证性观测,重点查明由于 矿山开采而造成的各种破坏、 污染及其对环境的 影响。 尝试依据地质灾害形成的影响因素如地形 坡度、 构造发育程度、 植被发育程度、 人类活动程 度等,在遥感影像图上圈定出可能的地质灾害隐 患区,并选择性地进行了野外验证,对矿山开采 可能造成的地质灾害泥石流、 崩塌、 滑坡、 地裂 缝等隐患等作了抽样调查,发现有些采场边缘 已经发育有张裂缝,存在滑坡和泥石流的隐患, 但规模不是很大。这些变化由于规模不大,在遥 感影像上没有较明显地反映。 野外调查显示,利用遥感图像对监测区矿山 开采状况进行解译,解译的采区位置准确,边界清 晰,具有较高的可靠程度,准确率达95以上。 通过调查验证,影响遥感影像的解读精度的 原因是1部分矿山已在政府的监管下停采,部 分早期停采的矿山已恢复的植被,在解译时未被 解译出;2通往采区的道路及采区周边部位,由 于运输等产生的采石污染区,在遥感影像上的特 征与采区相似,还有少量冲沟中有较多的砂石分 布,其影像特征也与现采矿山影像特征相似,均 被解译成采区。项目在充分调查的基础上,对前 期形成的现采矿山与登记区统计对比图及统计 数据进行了修正。 4 监测结果 通过卫星数据解译和实地调研分析得出如 下结论 1区内矿山生产过程多为干法加工,形成比 较严重的粉尘污染,运输过程存在不同程度的 漏、 撒现象,影响周边景观和环境。在影像上表 现为沿通往采区的道路色调变浅,野外检查时也 见道路边植被表面被薄层粉尘覆盖的现象。该 现象已引起新闻媒体的广泛关注[ 9] 。 2近年来,矿山开采增加较快,在植被破坏 严重的地区造成了一定程度的水土流失,采场边 缘存在小规模张裂缝,存在小规模滑坡和泥石流 的隐患。植被方面,虽然在政府管理下有一定程 度恢复,但较之被破坏的速度要慢得多。 3存在小规模的无证开采和无序开采,表现 为登记区与影像中解译采区范围的不一致。 4区内可能与矿业活动有关的有害元素异 常污染有一处,在遥感影像与有害元素综合异 常的套合图图3上,异常点位于黄花山金矿下 游,推测系由于贵金属选冶造成的污染。由于矿 山规模较小,所以异常面积不大,在此表现为点 异常。 5本区地表水体水质状况良好。矿产资源 开发对监测区地表水体有一定影响,但影响不 大。 5 结论 本次研究对遥感数据与非遥感数据的结合 运用进行了尝试,取得了较好的效果。但总的来 看,受人们对遥感成像机理的认识程度、 图像鉴 别的智能化水平等因素的影响,遥感应用的整体 水平还不能满足实用的需求。随着遥感技术方 法与手段的日臻完善,其应用的深度和广度正在 向 “多尺度、 多频率、 高精度、 全天候、 高效快速” 的目标发展,作为地学工作者,掌握遥感技术的 应用,也就是掌握了其宏观、 综合、 快速、 动态、 准 确、 及时的优势,必将会在环境动态监测等诸多 方面取得可喜的成就。 参考文献 [1]冯筠,黄新宇.遥感技术在资源环境监测中的作用及发 展趋势[J ].遥感技术与应用,1999,144 5970. [2]天津市环境监测中心.天津市环境质量变化的规律及 环境改善的对策[M].天津南开大学出版社,2000. [3]张玉君,曾朝铭,陈薇. ETM TM蚀变遥感异常提 取方法技术[A].刘纪远.航天遥感图像数据索引及应 用实例[C].北京中国地质调查局,2004,3759. [4]同前祥,敬忠良.不同光谱与空间分辨率遥感图像融 合方法的理论研究[J ].遥感技术与应用,2003181 4145. [5]贾永红.遥感多光谱影像空间分解力增强的融合方法 [J ].遥感技术与应用,1997,121 1923. [6]朱长青,王倩,杨晓梅.基于多进制小波的SPOT全色 影像和多光谱遥感影像的融合[J ].测绘学报,2000, 5 133136. 851地 质 调 查 与 研 究 第29卷 图1 - 1 融合前工作区ETM影像 Fig. 1 ETM image of the working area before syncretizing with the spot data 图1 - 2 ETM与spot数据融合后工作区影像 Fig. 1ˉ2 ETM image of the working area after syncretizing with the spot data 图2 1987年采区左与1997年采区右对比局部影像 Fig. 2 Contrast images of the mining areas between 1987 and 1997 951 第2期 丁建华等多源数据融合技术在矿产开发动态监测中的应用 图3 研究区综合异常与遥感影像套合图 Fig. 3 Syncretizing map of the synthetizing abnormity and remote image 蓝色为负异常区,红色为正异常区 [7]廖崇高,杨武年,濮国梁,等.不同融合方法在区域地质 调查中的应用[J ].成都理工大学学报自然科学版 , 2003,303 294298. [8]刘星,胡光道.多源数据融合技术在成矿预测中的应 用[J ].地球学报,2003,245 463468. [9]冬梅.蓟县非法采石殃及 “后花园”[J ].中国质量万里 行,20056 3839. Application of the MultiˉSource Data Fusion Technique in Dynamic Inspect of the Mining An Example in the mountainous area of Northern Tianjin DIN G Jianˉhua1, LI Changˉjiang2 1. China Geological Academy of Science , Beijing 100037 , China; 2.Tianjin North China Geological Ex ploration General Institute , Tianjin 300181 , China Abstract In this paper , data fusion technique was used to combine the remote sensing data with other geological data , such as claiming data and geochemical data , to estimate the influence of the mining on environment. By comparing the ination of the resent tens years , the author point out that the mining has lead to some influences to the environment , and there are some illegal mining in Northern Tianjin City. The project carried out the function of the dynamic inspect for mining and its affects i2 deally. Key words environment ; remote sensing; fusion; dynamic inspect ; mining 061地 质 调 查 与 研 究 第29卷