GF-1卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项中的首发星, 具有多种空间分辨率、多种光谱分辨率的对地观测能力, 配置了2 台2 m空间分辨率全色相机, 1 台8 m空间分辨率多光谱相机以及4台16 m空间分辨率多光谱宽幅相机(表1), 可满足不同用户的需求。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 GF-1有效载荷技术指标 Tab.1 GF-1 satellite payload technical indicators 参数 2 m全色/8 m多光谱相机 16 m多光谱宽幅相机 光谱范围/μ m 全色 0.45~0.90 0.45~0.52 0.45~0.52 多光谱 0.52~0.59 0.52~0.59 0.63~0.69 0.63~0.69 0.77~0.89 0.77~0.89 空间分辨率/m 全色 2 16 多光谱 8 幅宽/km 60(2台相机组合) 800(4台相机组合) 重访周期(侧摆时)/d 4 覆盖周期(不侧摆)/d 41 4

表1 GF-1有效载荷技术指标 Tab.1 GF-1 satellite payload technical indicators

遥感器成像过程中, 卫星的轨道姿态、地球的自转和地形的影响等都会使影像产生几何变形。几何纠正在ENVI平台下, 采用数字地形图或IRS-P5卫星数据制作的数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据和遥感影像自带的有理多项式系数(rational polynomial coefficients, RPC)模型, 结合地面控制点(ground control point, GCP), 辅助以1阶或2阶多项式保证控制点拟合精度的方法。GCP采用实测的方式或从经精度评价符合规范精度要求的数字正射影像图(digital orthophoto map, DOM)数据中选取, 一般25个以上时可达到在山区同名地物点中误差不大于2个像元, 平原地区1个像元之内, 满足1∶ 5万制图精度要求。

波段组合B3(R), B2(G), B1(B)数据接近真彩区, 但绿色普遍暗淡, 不利于矿山环境恢复治理图斑的提取, 可采用绿色和近红外波段加权运算的方法解决这一问题。通过试验对比分析, 以0.7B4+0.3B2代替B2, 组合方法效果最佳。

数据影像融合可以分为像素级图像融合、决策级图像融合、特征级图像融合3个层次^[7]。采用像素级融合层次的PCA变换、HIS 变换、Gram-Schmidt 变换和 Brovey 变换4种方法进行融合试验研究。经对比分析, Gram-Schmidt变换融合影像(图1)亮度、清晰度最高, 光谱畸变较小; PCA变换融合影像光谱信息的保持程度和信息量的丰富程度最高, 清晰度次之; Brovey 变换融合影像光谱信息的保持程度和信息量的丰富程度较高, 但清晰度最差; HIS变换影像纹理较清晰, 但图像色调发生了变化。总之, Gram-Schmidt变换和PCA变换效果较好, HIS次之, 而Brovey 变换融合效果不理想。

图1

Fig.1

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	图1 Gram-Schmidt方法融合效果Fig.1 Fusion effect of Gram-Schmidt method

增强处理能使原来不清晰的图像变得清晰, 或者突出用户感兴趣的信息而抑制不感兴趣的信息。增强方法主要有空间增强、光谱增强、彩色合成等, 但各有利弊, 同一种方法能突出图像的某些特征, 又会掩盖或消除图像别的特征, 因此应根据需要加以选用。如在解译矿山占地时, 通过光谱增强的方式增强了尾矿库、排土场等相关信息(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 图像增强效果Fig.2 Image enhancement effect

包括开采点和开采面。开采点在影像中难以直接识别, 须依据周边地物和其他辅助信息综合判定, 附近矿山地貌有明显人为搅动迹象, 色调明亮, 无植被, 与周边原生地貌形成明显对比, 采矿使用道路明显, 附近沟壑有弃石、废渣堆积, 不远处常有选矿厂或尾矿库等标志。开采面位于采场内, 呈负地形, 不同高程的采掘阶梯明显, 色调明亮(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 矿山开采点/面典型遥感影像特征Fig.3 Typical characteristics of remote sensing image in mining point / surface

主要为采场、中转场地(选矿场、矿石堆等)、固体废弃物(排土场、煤矸石堆、尾矿库等)和矿山建筑。露天采场多沿矿脉延伸方向展布, 形状为碟状或不规则条带, 呈负地形。矿山建筑一般位于开采点附近、采场或中转场地内, 凸出于地面, 形状规则, 边界清晰, 一般呈矩形, 色调较亮, 易识别。中转场地一般位于开采点、采场附近, 地下开采矿山中转场地呈现工矿企业的影像特征, 色调较暗, 露天开采非金属矿山中转场地选矿设备在遥感影像上成散射状分布, 内有多处块状矿堆, 选矿场附近一般分布有尾矿库。排土场、废石堆、煤矸石堆影像纹理特征为斑块状、月牙状或线状。尾矿库影像特征呈亮斑面状或三角形影像, 形状类似半圆形或不规则长条形, 无植被或稀疏植被, 尾矿库常位于沟谷或山口处, 下游河流多呈深暗色, 多位于选矿场周边(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 矿山占地典型遥感影像特征Fig.4 Typical characteristics of remote sensing image in mine area

矿山开采会引发滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷等地质灾害。滑坡周界一般呈簸箕形, 也有些呈舌形、梨形、匙形等, 陡峭的滑坡壁和它们所形成的尾谷, 在影像上表现为弯曲的弧形影像。崩塌在硬质岩分布区, 表现为色调深灰或灰白的崩塌陡崖, 崖壁参差不齐, 壁顶常见一组或几组节理, 平面上呈锯齿状, 陡崖下有大小不等杂乱无章的、影像结构粗糙的堆积体。泥石流主要由泥石流物源区、泥石流沟和堆积区3部分组成, 影像标志通常是由陆源碎屑岩、粘土岩构成的流域范围较大的集水谷地, 流域内平行状、树枝状水系发育, 在谷地中堆积有含水性较高的松散物。采空塌陷主要为地下开采矿山引起, 分布于地下开采企业周边, 平面形态呈圆状或椭圆状, 剖面形态有漏斗状、井筒状和锥状, 常形成大量积水坑(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 矿山地质灾害典型遥感影像特征Fig.5 Typical characteristics of remote sensing image in geological disaster

矿山环境恢复治理主要是针对由矿山开采引起的地表毁坏的一些治理活动, 治理包括矿山土地的平整与复垦、排土场与煤矸石堆绿化、采场绿化等。矿山环境恢复治理典型遥感影像特征如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 矿山环境恢复治理典型遥感影像特征Fig.6 Typical characteristics of remote sensing image in mine environment restoration management

矿山土地平整与复耕主要分布在地势较平缓地区, 以农田附近的砖厂治理较为常见, 影像中表现为色调明亮, 无纹理, 与周围形成明显不同, 若已复垦, 则可从农作物种植方向和色调的突变点圈出治理范围。煤矸石堆与排土场治理, 发生在矿山采场附近的煤矸石堆和排土场, 堆场周边呈阶梯状、环状, 中间有道路和储水设施等。采场边坡治理一般发生在大型采场或采坑, 表现为边坡呈阶梯状, 存在植被覆盖。

鞍本辽铁矿区位于辽宁省中南部, 地跨鞍山市、本溪市和辽阳市, 面积约1 875 km², 主要矿种有铁矿建筑石料用灰岩、花岗岩及其他非金属矿产, 开采方式以露天开采为主。

研究区数据选取2015年9月13日获取的2 m分辨率全色和8 m分辨率多光谱数据, 经几何纠正、波段组合、数据融合和图像增强等处理后得到数字正射影像图数据; 数据质量较好, 全区没有云覆盖, 满足解译要求。

通过遥感监测, 查明了该区矿产资源的开发状况及引发的矿山地质环境问题, 取得了较好的应用效果。

1)查明了研究区矿产资源开发状况。全区共有矿山开采点310处, 其中疑似违法开采7处, 持证界内开采71处, 关闭或废弃232处。7处疑似违法开采点中无证开采建筑石料用灰岩4处, 以采代探铁矿1处, 无证开采铁矿1处, 无证开采硅灰石1处(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 研究区矿山开发状况统计 Tab.2 Statistics of mining development in study area 矿种 疑似违法 开采 持证界内 开采 关闭或 废弃 总计 铁矿 2 34 98 134 硅灰石 1 0 0 1 建筑石料用灰岩 4 32 66 102 建筑用砂 0 2 17 19 砖瓦用粘土 0 0 12 12 花岗岩 0 1 33 34 大理岩 0 2 6 8 总计 7 71 232 310

表2 研究区矿山开发状况统计 Tab.2 Statistics of mining development in study area

2)查明了研究区矿山占地现状。全区共有矿山占地97.12 km², 占研究区总面积(1 875 km²)的5.18%。其中, 固体废弃物占地53.37 km², 面积最大, 采场占地27.41 km², 中转场地占地16.09 km², 矿山建筑占地0.25 km², 面积最小(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 矿山占地类型面积比例Fig.7 Area proportion of area of mine types

3)查明了研究区矿山地质灾害现状。区内共发现地质灾害6处, 其中滑坡4处, 崩塌1处, 泥石流1处。

4)查明了研究区矿山环境恢复治理现状。区内矿山环境恢复治理42处, 治理面积14.68 km², 占矿山占到总面积的15.30%。