苗小芒，李龍龍

(1．安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001;2．河南鄭煤集團告成煤礦 開拓二隊，河南 鄭州 450000)

0 引言

遙感技術為大量的數據更新創(chuàng)造了有利條件，由于技術的發(fā)展和適宜的重訪周期，為研究對象提供了大量地表信息，從而使人們能全面深入地了解研究區(qū)域的情況，為礦產開發(fā)管理提供服務［1］。在國內利用遙感技術進行礦山環(huán)境調查和災害監(jiān)測已有較多成功的經驗。2002 年，國土資源部開展的江西德興銅礦礦山尾礦、固體廢料環(huán)境污染遙感調查技術研究項目，首次利用ASTER 和Hyperrion 數據，基于野外實測地物的光譜曲線特征分析結果，通過各種圖像處理方法來提取礦山環(huán)境污染信息，進行了礦山環(huán)境污染監(jiān)測［2］。

本文以鞍山市為研究區(qū)，利用遙感影像的MODIS 數據通過ERDAS 軟件操作求出反射率來進行定標也就是輻射校正，利用重投影進行幾何校正，利用一二波段求取植被的歸一化指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，得到歸一化指數的數值表和分級圖，以此從圖中監(jiān)測到2007 -2009 年的鞍山礦區(qū)自然環(huán)境變化情況，分析礦區(qū)2007 -2009 年開采資源過程中植被的變化狀況。

1 研究區(qū)概況和數據準備

1．1 研究區(qū)概況

鞍山礦區(qū)地處遼寧省中南部，屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，礦產資源分布密集，主要以鐵礦、煤礦、石灰?guī)r礦等為主。鞍山植被多為喬木，灌木和林地，林內多為灌木覆蓋，上層為迎紅杜鵑和東北刺人參。近年來，礦山開采和廢棄尾礦對生態(tài)環(huán)境產生很大影響。

1．2 MODIS 數據概述

MODIS 是當前世界上新一代“圖譜合一”的光學遙感儀器，MODIS 數據是HDF 格式，HDF 是美國國家高級計算應用中心為滿足各種領域研究需求而研制的一種能高效存儲和分發(fā)科學數據的新型數據格式。一個HDF 文件中可以包含多種類型的數據，如柵格圖像數據，科學數據集，信息說明數據。這種數據結構，方便了信息的提取。例如，在打開一個圖像文件時，除了可以讀取圖像信息以外，還可以很容易的查取其地理定位，軌道參數，圖像噪聲等各種信息參數。

1．3 研究區(qū)數據選擇

礦區(qū)的遙感監(jiān)測主要目的之一是通過遙感手段調查資源開發(fā)引起的環(huán)境質量狀況。由于植被是地理環(huán)境中的重要組成部分，分布廣泛，且對地理環(huán)境的依賴性很大，當受到污染后，其內部結構、葉綠素和水分以及葉片表面就會發(fā)生不同程度的變化，光譜反射特性也隨之變化，污染越嚴重，這種變化就越大，是礦區(qū)污染的重要指示物，因此本次研究選用植物作為礦區(qū)環(huán)境污染程度的一種標志。本文主要通過植被信息的提取，研究礦產開采引起的各種環(huán)境狀況。

1．4 遙感數據的預處理

遙感圖像在形成的過程中，存在著輻射衰減和幾何畸變，因此，從衛(wèi)星上接收的數據必須經過預處理才能提供給用戶，只有消除這些差異或畸變，才能較客觀地反映地物的實際情況。一般地面站在接收信號時已經進行過粗略的校正，但這種恢復后的圖像還不能滿足專業(yè)解譯和綜合分析的需要，還需要進行幾何精校正。

1．4．1 輻射校正

目前輻射校正中最常用的方法是利用定標參數建立模型求得反射率。這類方法能直接從圖像中獲取所需要的參數，不需要額外的輸入。

定標計算:所謂定標，就是把儀器上儀器測量的探測值換算成物理量。紅光、近紅外、藍光和短波紅外都屬于反射波段。反射率定標計算公式為:

式中:ρ 為定標參數。

然后利用定標參數在ERDAS 中建立模型(見圖1)，計算出反射率，從而進行輻射校正，得到一、二波段反射率顯示圖，如圖2 所示。

圖1 反射率模型Fig．1 Reflectance model

1．4．2 幾何校正

幾何校正的目的就是要校正成像過程中所造成的這些系統(tǒng)及非系統(tǒng)因素引起的幾何畸變。幾何校正分為2 種:

1)幾何粗校正。是針對引起系統(tǒng)性畸變的原因而進行的校正;

2)幾何精校正。是利用地面控制點進行的幾何校正，它是用一種數學模型來近似描述遙感圖像的幾何畸變過程，并利用畸變的遙感圖像與標準地圖之間的一些對應點求得幾何畸變模型。

在ERDAS 中，幾何校正的方法就是重投影，通過經緯度轉化為大地坐標來解決變形問題。

圖2 第一、二波段的反射率顯示圖Fig．2 The first and second reflectance band diagram

2 研究方法與分析

2．1 植被指數的提取

植被指數是監(jiān)測全球植被及其變化的重要指標，它是根據綠色植物的光譜反射特征，將近紅外、紅光等波段進行數學組合而成。-1≤NDVI≤1，NDVI 為負值，表示地面覆蓋為云、雪、水等，對可見光高反射;NDVI 為0，表示有巖石或裸土等，NIR 和R近似相等;NDVI 為正值，表示有植被覆蓋，且隨著覆蓋度增大而增大。NDVI 能反映出植物冠層的背景影響，如土壤、潮濕地面、雪、枯葉、粗造度等，且與植被覆蓋有關。

2．2 NDVI 提取方法

根據植被的反射光譜特征，通常用植被紅光、近紅外波段的反射率和其他因子及其組合所獲得的植被指數來提取植被信息，這些波段常包含90%以上有關植被的信息。歸一化植被指數NDVI 是廣泛使用的一種植被指數，其計算公式［3］為:

式中:NIR 為近紅外通道反射率及第一波段反射率;R 為紅色通道反射率及第二波段反射率。歸一化植被指數在利用遙感圖像進行植被研究以及植物氣候研究中得到了廣泛應用，它是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關。當植被覆蓋度較低時，NDVI 對覆蓋度增減反應靈敏，當植被覆蓋度較大時，NDVI 趨于飽和。

本文利用式(2)建立模型，具體過程如下:打開ERDAS 中的Modeler，提取第一波段、第二波段的反射率，利用式(2)創(chuàng)建模型(見圖3)，點擊運算，得到NDVI 顯示圖(見圖4)，進而可以看出2007、2008、2009 這3 年的NDVI 對比情況，如圖5 所示。

得到NDVI 后，利用屬性對NDVI 分級，以了解鞍山礦區(qū)附近植被的情況。首先利用ERDAS 打開NDVI 圖像，然后點擊Raster，選擇Attribute 了解鞍山礦區(qū)植被聚集情況來作為分類的標準。例如，對于2007 年，整個地區(qū)NDVI 集中在-1 ～0．4，且-1 ～0 占大多數，根據NDVI 屬性說明鞍山礦區(qū)整體的植被覆蓋不高，環(huán)境在不斷惡化中。

按照-1 ～0，0 ～0．1，0．1 ～0．2，0．2 ～0．3，0．3 ～0．4，對鞍山礦區(qū)整體進行分級，共分為5 級。分級方法采用非監(jiān)督分類法，得到NDVI 分級圖。在NDVI 分級圖中打開屬性Attribute，得到屬性表，根據屬性特征列取鞍山礦區(qū)NDVI 的分級情況，見表1。

圖3 NDVI 的求取模型Fig．3 The striking model of NDVI

圖4 NDVI 顯示圖Fig．4 NDVI showing in figure

表1 2007、2008、2009 的NDVI 分級對比Tab．1 Comparison of NDVI classification in 2007，2008，2009

由表1 中的數據可以看出:鞍山礦區(qū)的植被在不斷的減少，特別是森林類、灌木類這種造氧量高的植被減少，水體有所增加，裸地增加迅速。由圖5 可以看出，整個鞍山地區(qū)裸地的擴展方向向東南方向偏進。

3 結束語

隨著空間技術的發(fā)展，各種資源、環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的發(fā)射和運行，遙感技術提供了多時相、大范圍的實時信息，已成為研究地表資源環(huán)境最有利的手段之一［4］。本文就是利用遙感技術實時、快速的特點，監(jiān)測鞍山礦區(qū)礦山開采時環(huán)境狀況的動態(tài)變化，調查因礦產資源開發(fā)引起的各種環(huán)境問題，探索礦山環(huán)境調查與監(jiān)測遙感研究的技術路線和基本方法，以便為礦產資源的開采行為進行引導和調控，為建立和諧統(tǒng)一、良性循環(huán)的人地關系［5］作出貢獻。

圖5 2007、2008、2009 年NDVI 對比圖Fig．5 NDVI comparison chart in 2007，2008，2009

［1］ 潘寶玉，千貴祥．“3S”技術集成及其在地質領域中的應用［J］． 地質測繪，1999(1):10 -20．

［2］ 程博．江兩德興銅礦礦山環(huán)境污染遙感研究［D］． 北京:中國地質大學(北京)，2003．

［3］ 杜培軍，盧小平，江濤，等． 遙感原理與應用［M］． 北京:中國礦業(yè)大學出版社，2006:152．

［4］ 陳述彭，童慶禧，郭華東．遙感信息機理研究［M］． 北京:科學出版社，1998:84 -113．

［5］ 馮筠，黃新宇． 遙感技術在資源環(huán)境監(jiān)測中的作用及發(fā)展趨勢［J］．遙感技術與應用，1999，14(4):59 -70．