遥感技术在矿山开发中的应用

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一、绪论

1.1 选题背景和研究意义

长期以来，由于在矿产资源开发利用中忽视环境保护，我国矿山环境不断恶化，土地破坏、生态平衡失调问题日益突出，“三废”污染严重，泥石流、地面塌陷等地质灾害频繁发生，这些己对群众的生存环境和可持续发展构成威胁。矿山资源开发中的坏境问题中引起了社会各界的广泛关注。在矿产资源开发利用过程中，由于认识的局限性，我国在矿产资源开发利用中忽视环境保护工作，许多矿山生产建设不重视环保要求，环境欠账较多：废石、尾矿泛滥，地面塌陷、土地破坏、山体崩塌、滑坡、泥石流、水质污染、水均衡破坏等不仅造成大量的财产损失和人员伤亡，而且阻碍了社会经济的可持续发展，成为影响当地经济发展和社会稳定的重要制约因素。在矿山开发中传统方法和遥感技术手段的比较：

(1)大面积的同步观测。在地球上，进行资源和环境调查时，大面积同步观测所取得的数据是最宝贵的。依靠传统的地面调查，实施困难，工作量很大。而遥感观测则可以为此提供最佳的获取信息的方式，并且不受地形阻隔、天气、气候和森林等条件限制。

(2)时效性。遥感探测，尤其是空间遥感探测，可以在短时间内对同一地区进行重复和连续探测，发现地球上许多事物的动态以及微小的变化。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要。而传统方法就无法作到。

(3)数据的综合性和可比性。遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多不同自然、人文信息。红外遥感昼夜均可探测，微波遥感可全天候全时探测，人们可以有选择地提取所需的信息。由于遥感的探测波段、成像方式、成像时间、数据一记录等均可按要求进行设置，使其获得的数据具有同一性或相似性或可比性。同时考虑到新的传感器和信息记录都可向下兼容，所以，数据具有可比性。与传统地面调查和考察比较，遥感数据可以较大程度地满足人门的需求同时排除人为干扰或重大错误。

(4)经济性。遥感的费用投入与所获得的效益，与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。

1、2国内外研究进展

国内外利用遥感与地理信息系统技术对矿山开发主要表现在以下几个方面：利用遥感技术对地表采矿引起的环境问题和矿区土地复垦做定性评价；综合遥感数据和有限的基础数据定性分析矿区植被地利用、地表水、地下水和土质受矿产开发的影响程度；将遥感、地理信息系统和地下水模拟结合起来研究地下采矿引起的地变形、地下水变化和地表植被变化三者的关系等。利用遥感技术进行矿山环境调查和灾害监测在国内有较多成功的经验。2002年，王晓红等人首次对江西崇义钨矿等矿产资源进行了动态监测，对比分析了TM、SPOT和QuickBird数据进行矿山监测的优劣，进行了计算机自动信息提取[1]；2002年，国土资源部开展的江西德兴铜矿矿山尾矿、固体废料环境污染遥感调查技术研究项目，首次利用ASTER和Hyperion数据，基于野外实测地物的光谱曲线特征分析结果，通过各种图像处理方法来提取矿山环境污染信息，进行了矿山环境污染监测[2]。郭达志等利用遥感技术和其他先进技术相结合的方法对晋城、铜川、开滦等矿区的大气、塌陷进行了调查分析，雷利卿等应用遥感技术对山东肥城矿区的污染植被和水体信息的进行了遥感信息提取，探讨了适合矿区环境研究的遥感图像处理方法[3]。陈华丽等利用TM数据对湖北大治矿区进行了生态环境监测[4]。杨忠义，白中科等对平朔安家岭矿生态破坏阶段的土地利用／覆被变化研究[5]。

美国早在1969年就组织了由土地保护部矿山处执行的包括矿山环境与灾害监测的项目，取得了明显的防灾减灾的效果，他们还利用遥感技术对煤矿开采产生的煤矸石堆进行动态监测以防止矸石堆发生爆炸；Ferrier等人利用成像光谱技术对西班牙的最大的铜矿Rodaquilar进行长期跟踪，分析了由于铜矿的过度开采所造成地面沉降、严重影响其他资源和设施的原因和发展趋势[6,7]。

1、3研究内容、方法及技术路线

本研究利用遥感和地理信息系统技术对建水县白显福地锰矿是集体经营的小型矿山矿产资源开发引起的环境问题进行遥感调查与监测工作，并利用遥感技术结合模糊数学的方法对该地区的矿山环境进行评价。具体流程包括：

第一阶段，对采集到的研究区Landsat TM影像进行预处理、波段组合选择、图像融合等，为后期环境监测做准备；

第二阶段，利用融合好的高分辨率Landsat TM影像数据开展建水县白显福地锰矿是集体经营的小型矿山生态环境遥感调查与监测，结合GIS技术对监测结果进行分析，为环境评价做准备，并制作矿山环境遥感调查与监测系列图；

第三阶段，选定评价指标，分析并建立适当的评价模型对建水县白显福地锰矿是集体经营的小型矿山矿区。

（1）收集矿山资源和环境相关资料，收集研究区Landsat TM影像、1：5万地形图和1：l万地形图（因为遥感资料是保密资料所以资料不全，地形图除外）

(2)对收集到的遥感影像进行图像的预处理，主要是波段组合选择、几何正、正射校正、图像融合和遥感图像三维可视化制作；

(3)根据地质特征和遥感影像特征建立解译标志库，对研究区矿产资源引起的环境问题进行监测；

(4)通过相关GIS进行动态变化的定量分析（因为数据不全所以无法进行）；

(5)收集矿区生态环境评价的相关资料；

(6)评价区域的确定。以图像中所包含的县为单位来确定；

(7)选定矿区生态环境评价的指标，如水土流失，植被覆盖率，灾率等；

(8)最后利用GIS丰间分析功能为矿区的监测和评价提供了有力的技术支持。遥感与GIS技术作为获取矿区环境数据、动态监测及评价(特别是面状信息)的重要手段。技术路线流程图具体描述如下

技术路线图

    1.4 研究区概况

    建水县白显福地锰矿矿区，位于建水县城南172°方向，直线距离大约32.5km处大倮寨村南部，为白显锰矿的一部分；行政区划属建水县坡头乡白显村委会管辖。地理坐标：东经 ：102°51′56″～102°52′19″，北纬：23°19′37″～23°19′49″；矿区面积：0.123km2，共包括7个矿区，位置如图所示：

1.4.1 地质概况

矿区北起大养马河，南至平台，西起白沙水，东至白显，面积34km2。共包含三个矿段两个矿点：倮寨矿段（V1、V2矿体）、清甘矿段（V31、V32、V4矿体 ）、平台矿段（V5矿体）、大养马河矿点、白沙水矿点；其中：白沙水矿点锰矿石资源量30万吨，大养马河矿点锰矿石资源量5～10万吨，平台矿段V5矿体B＋C＋D锰矿石储量360.42万吨，清甘矿段V31、V32、V4三个矿体B＋C＋D锰矿石储量97.37万吨，倮寨矿段V1、V2矿体B＋C＋D锰矿石储量736.9978万吨（据1：5万渣腊幅区域地质调查说明书）。

区内由西向东依次出露三叠系上统鸟格组一段（T3n1）、中统法郎组（T2f）、个旧组二、三段（T2g2、T2g3）碳酸盐岩。含矿层位为法郎组。法郎组与上覆鸟格组、下伏个旧组均为整合接触。区内断裂、褶皱构造较发育。控矿构造主要为永成寨背斜，背斜北起渣腊冲，向南由于次级褶皱成指状撒开分为两支，总的成南北向展布。主要矿体（层）大部分赋存于次级背斜的转折端。倮寨矿段V1、V2矿体产于西支次级背斜转折端；清甘矿段V31、V4矿体产于中部次级向斜转折端；平台矿段V5矿体产于东支次级背斜转折端附近。矿体（层）走向与地层走向基本一致。褶皱两翼地层倾角36°～50°，轴面近于直立。断裂主要有养马河断裂及白显断裂。养马河断裂为近南北走向，向西倾（倾向35°～50°），为张性正断层，沿断裂法郎组一段白云岩、个旧组三段灰岩十分破碎，零星见褐铁矿角砾岩带分布。白显断裂呈北北西～南南东走向，倾向西，为走向逆断层。该两条断层的展布与褶皱展布和谐一致，使永成寨背斜两翼地层、矿层产生重复缺失，应为同构造期产物。大量展布于南侧白显一带的北西、北东、东西向断裂、裂隙，使地层、矿层发生了复杂的错移，应为配生的横张性断裂或后期断裂。该区北东侧平距约4.5km即为龙岔河中—细粒黑云母花岗岩体，该岩体规模大、面积数百平方千米，沿岩体周围是铅、锌、钼、铜、锡、金、铁等多金属成矿区。

1.4.2 气象、水文

建水县属于南亚热带季风气候，气候特点是干湿分明，雨热同季，秋春相连，夏长无冬。年平均气温22.8℃，极端最高气温35.7℃，极端最低气温-3.1℃，年平均日照时数2322小时，年有效积温6700℃以上，年平均降雨805mm，年平均降雨日135天，年平均相对湿度72%，主导风向为西南风，年平均风速2.8m/s。

坡头乡地势北高南低，最高海拔2515m，最低海拔230m，具有“一山分四季，十里不同天”的立体气候特征。区内属亚热带季风气候，气候温湿多雨，常年平均气温17.4℃。一般6~10月为雨季， 10~12月多雾，10月至次年5月为旱季，年平均降雨量1200mm。蒸发量1218～2470.6mm，风向以西南风为主，最大风速12m/s，最小风速1.2m/s，平均风速6.6m/s。区内未发现地表水和地下水存在，地下水埋藏较深，地下水主要靠大气降水补给，地表水通过岩溶裂隙向地下深部径流、排泄。地下水主要为上层作垂直运动，下层作水平运动。

1.4.3 土壤、植被

建水地区新生代、中生代、古生代、元古代地层均有出露，母岩包括岩浆岩、沉积岩、变质岩三大岩类，在地形、气候、生物等综合因素下，形成了多样、复杂的土壤类型，主要分为红壤（占国土总面积的40.38%，下同），燥红土（占1.68%），砖红壤（占24.14%），柴色土（占11.95%），水稻土（占5.46%），黄壤（占4.35%），黄棕壤（占3.95%）及冲积土（占0.65%）共8个土类，以红壤土、黄棕壤土为主。

建水县植被属亚热带绿阔叶林区滇中高原谷盆滇青冈、元江栲、云南松亚区。由于地形地貌复杂，立体气候特征明显，使植被类型多样。在现有林分中，以云南松林分布最广，面积最大；其次是以栎类、栲属、青冈属为主的壳斗科构成的栎类林。此外，还可见到少量的滇油杉、旱冬瓜，木荷林等。现有林业用地164662.10hm2，占国土总面积的43.8%，其中林地（不含园地）91827.50 hm2，灌木林49545.80 hm2，疏林地19900 hm2，未成林造林地3309.70 hm2，其它79.20 hm2。森林覆盖率24.43%（含园地及灌木林）。项目区内植被稀疏，主要有玉米、红薯、灌木及杂草，总体植被覆盖率为30～35%。区域内生态条件一般，未出现较大的水土流失迹象。

二、数据处理与分析

2、1 遥感图像预处理

图像预处理的目的是对原始遥感图像进行辐射校正、几何校正和投影差改正、地理编码、图像镶嵌、图像增强、不同数据源的遥感图像数据融合等，最终制作出统一规格标准的高质量遥感图像，提高图像识别率，获取各种资源或环境的准确信息，提高解译应用效果。

2、1、1 配准

配准的过程是个几何纠正的过程,是为了达到同一区域不同图像数据地理坐标的统一,或是以一影像(或地图)为基准对另一影像进行纠正以达到地理坐标的统一。具体的目的可以概括如下:

(1) 在定性应用遥感时,例如我们想动态监测湖泊形状和面积的变化,必须通过配准才能使图像之间具有可比性,从而达到我们的研究目的；

(2) 在遥感的定量研究中,例如要反演所感兴趣地方的参数,也需要通过配准才能确定具体的目标；

(3)由于搭载传感器的平台(如飞机,卫星)的姿态,速度等的不稳定,以及地球曲率,空气折射等的影响,形成的图像常有畸变,所以要进行几何纠正,我们常常通过配准实现(对于山区,可采用正射纠正)；

配准的方法主要有以下三种：把畸变图像往地形图上配；把畸变图像往底图上配；把畸变图和图像相互之匹配；本文采用哪种方法；

2、1、2 几何校正

几何校正是指消除图像上的像元在图像坐标系中的坐标与其在地图坐标系等参考坐标系中的坐标之间的差异。可以分为两种：对引起几何畸变的因素而进行的校正称为几何粗校正；利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正。本次校正采用的是几何精校正，具体步骤如下：

(1) 几何校正相关因子的选定。如几何计算模、投影类型、参考椭球、坐标系；

(2) 采集地面控制点。控制点的选择主要是在参考图像和校正图像上选取同名点，根据经验，往往同名点的选择最好在山脊点，山谷点等短期内不易出现大变化的点这样精度高，当然河流和道路虽然说可能会出现改道，尤其河流还有枯水期和丰水期，但是这是地方的拐点处仍然是同名点选择中不可获取的部分，否会出现河流、道路等校正精度很低的情况。

(3) 图像重采样。重采样过程就是依据未校正图像象元值计算生成一幅校正图像的过程，原图像中所有栅格数据层都将进行重采样。

2、1、3 辐射校正

利于遥感器观测目标物辐射或反射的电磁能量时，从遥感器得到的测量值和目标物的光谱反射和光谱辐射亮度等物理量是不一致的，遥感器本身的光电系统特征、太阳高度、地形以及大气条件等都会引起光谱亮度的失真。为了正确评价地物反射特征和辐射特征，必须尽量消除失真。这种图像数据中依附在辐射亮度里的各种失真称辐射校正。完整的校正包括：遥感器校正、大气校正、以及太阳高度和地形校正。

依诺

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