代晶晶， 王登紅， 吳亞楠

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

基于高分遙感數(shù)據(jù)的稀有礦山監(jiān)測
——以江西宜春414稀有礦山為例

代晶晶1， 王登紅1， 吳亞楠2

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

稀有金屬的戰(zhàn)略地位使得對(duì)稀有礦山的監(jiān)測具有至關(guān)重要的意義。以江西宜春414特大型鉭鈮鋰稀有金屬礦床為例，利用ZY-3號(hào)國產(chǎn)衛(wèi)星、IKONOS及WorldView2衛(wèi)星等多源遙感數(shù)據(jù)，建立礦山典型地物的遙感解譯標(biāo)志； 結(jié)合礦權(quán)信息和地質(zhì)巖體信息，分析評(píng)價(jià)稀有礦山的開發(fā)利用現(xiàn)狀； 并根據(jù)稀有礦山與高嶺土礦山紋理信息的差異，進(jìn)一步區(qū)分了同一巖體中的2種礦床類型； 最后,基于ZY-3號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立的三維圖像，對(duì)該礦山存在的地質(zhì)滑坡問題進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)3種高分遙感數(shù)據(jù)在稀有礦山監(jiān)測中的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明，高分遙感數(shù)據(jù)的處理與分析為稀有礦山開發(fā)現(xiàn)狀及礦山環(huán)境監(jiān)測提供了良好的技術(shù)手段，有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。

高分遙感數(shù)據(jù)； 稀有礦山； 開采現(xiàn)狀監(jiān)測； 地質(zhì)環(huán)境評(píng)估

0 引言

稀有金屬通常指在自然界中含量很少、分布稀散或難以從原料中提取的金屬，共有9種： 鋰(Li)、鈹(Be)、銣(Rb)、銫(Cs)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鍶(Sr)、鈮(Nb)和鉭(Ta)[1]。稀有金屬以其獨(dú)特的性能和作用，成為原子能、航空航天、半導(dǎo)體、電子技術(shù)、特種鋼材及軍火工業(yè)等眾多關(guān)系國計(jì)民生和國防安全所需要的金屬材料，戰(zhàn)略地位非常重要[2-3]。如何有效地監(jiān)測稀有金屬的開發(fā)利用狀況，對(duì)國家的礦產(chǎn)資源管理至關(guān)重要。近幾年，隨著全國礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測工作的開展，將遙感地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)資源管理有效地結(jié)合，遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于煤礦、銅多金屬礦山及建材、稀土等非金屬礦山監(jiān)測中，充分發(fā)揮和提高了遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用效益，為礦產(chǎn)資源監(jiān)督管理探索了新的工作方式與方法[4-11]。但相對(duì)而言，針對(duì)稀有金屬礦山的遙感監(jiān)測研究目前還較為薄弱。本文以江西省宜春414特大型鉭鈮鋰稀有金屬礦床為例，以其他一般金屬礦山的遙感監(jiān)測方法為借鑒，重點(diǎn)總結(jié)此類礦山特殊的地物類型，并對(duì)與其遙感圖像色調(diào)特征極為相近的高嶺土礦山進(jìn)行區(qū)分，旨在開展稀有金屬礦山遙感監(jiān)測示范研究，為礦政管理部門制定礦產(chǎn)資源規(guī)劃、整頓礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序、治理礦山地質(zhì)環(huán)境等提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

江西宜春414礦是以鉭鈮鋰為主的特大型稀有金屬礦床，位于江西省宜春市東南20 km處，中心坐標(biāo)為E114°30′52″，N27°39′04″(圖1)。該礦床的形成與地質(zhì)構(gòu)造和巖漿活動(dòng)有密切關(guān)系。與成礦有關(guān)的雅山花崗巖株為燕山早期第二階段第三次侵入形成的雅山花崗巖復(fù)式巖體[12]。礦床由銀子嶺、工人村及朱樓沖3個(gè)區(qū)段組成。其中，銀子嶺為主礦體區(qū)段，工人村區(qū)位于銀子嶺區(qū)段西北，朱樓沖位于銀子嶺之南。此外，在主礦體邊部還有一些小礦體。宜春414礦始建于1970年，屬國營老礦山，1998年核定的平面采礦權(quán)面積(2004年進(jìn)行了延續(xù))為5.217 3 km2，標(biāo)高范圍為951～640 m。

圖1 宜春414稀有礦山地理位置

本文使用的遙感數(shù)據(jù)為IKONOS,ZY-3及WorldView2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間分別為2013年7月10日(IKONOS)、2012年11月2日(ZY-3)和2013年9月24日(WorldView2)。

2 礦山開發(fā)狀況遙感監(jiān)測

2.1 稀有礦山典型地物解譯標(biāo)志

基于IKONOS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立了稀有礦山的典型地物解譯標(biāo)志。圖像預(yù)處理主要包括正射糾正、幾何配準(zhǔn)及數(shù)據(jù)融合，均在ENVI5.1遙感圖像處理軟件中實(shí)現(xiàn)。首先依據(jù)DEM數(shù)據(jù)分別對(duì)IKONOS各波段數(shù)據(jù)進(jìn)行了正射糾正和幾何配準(zhǔn)，然后選取Gram-Schmidt變換融合算法分別對(duì)4個(gè)多光譜波段數(shù)據(jù)與全色波段數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。對(duì)融合后的IKONOS數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳波段選擇，選擇波段相關(guān)性較小的3個(gè)波段進(jìn)行假彩色合成[13-14]。其波段相關(guān)系數(shù)矩陣見表1。

表1 IKONOS數(shù)據(jù)各波段相關(guān)性

從表1可以看出，IKONOS數(shù)據(jù)的B1與B4的相關(guān)性最小，B4與B3，B2的相關(guān)性較小，故選擇B3,B4和B1多光譜波段融合后的數(shù)據(jù)，并按B3(R)B4(G)B1(B)色彩配置順序進(jìn)行假彩色合成。

根據(jù)野外調(diào)研及收集的相關(guān)資料，分析稀有礦山的主要地物類型，包括濃縮池、溜井、采礦場、尾礦庫、廢石場和廠房等的IKONOS影像特征。其中濃縮池主要用于選礦后的二次回收； 溜井為運(yùn)礦通道，用于把破碎后的礦石隨其斜坡下滑進(jìn)行選礦； 采礦場為露天開采的主要采場； 尾礦庫為選礦后暫不利用的礦渣存放場所； 廢石場為采礦剩余的廢石堆放的區(qū)域； 廠房為主要冶煉車間。上述地物在IKONOS 假彩色合成圖像中的影像特征及野外照片詳見表2。據(jù)此，建立了稀有礦山主要地物的遙感解譯標(biāo)志。

表2 稀有礦山主要地物類型在IKONOS假彩色合成圖像中的影像特征

2.2 稀有礦山開發(fā)狀況

根據(jù)表2建立的解譯標(biāo)志，將宜春414礦采礦權(quán)邊界、成礦母巖邊界疊置在IKONOS假彩色合成圖像上，進(jìn)行濃縮池、溜井、稀有金屬采礦廠、高嶺土采礦區(qū)、尾礦庫、廢石場和廠房等7種地物的遙感解譯，解譯結(jié)果如圖2所示。

圖2基于IKONOS假彩色合成圖像的礦區(qū)地物信息解譯結(jié)果

Fig.2RemotesensinginterpretationresultsbasedonIKONOSpseudocolorcompositionimage

從圖2可以看出，目前宜春414開采主礦體銀子嶺、工人村等位于采礦權(quán)范圍之內(nèi)； 在采礦權(quán)范圍之外有幾塊開采痕跡，經(jīng)過野外調(diào)研，礦權(quán)范圍外的幾塊開采痕跡不是稀有金屬采礦區(qū)，為高嶺土采礦區(qū)。因高嶺土采礦區(qū)與稀有金屬采礦區(qū)的成礦母巖一致，因而它們的影像具有相似的色調(diào)特征。經(jīng)過野外調(diào)研及圖像分析，因高嶺土采礦區(qū)主要開采的風(fēng)化殼土質(zhì)比較細(xì)膩，而稀有金屬開采區(qū)主要是對(duì)堿性基巖進(jìn)行開采(圖3)，故兩者的巖石粗糙度有一定差異，可以通過紋理特征將二者區(qū)分。

(a) 稀有金屬采場 (b) 高嶺土采場

圖3稀有金屬采場與高嶺土采場野外照片

Fig.3Fieldphotoofraremetalmineandkaolinitemine

圖4(a)和(c)分別為高嶺土采礦區(qū)與稀有金屬采礦區(qū)的IKONOS全色波段圖像，對(duì)其進(jìn)行邊緣檢測，結(jié)果如圖4(b)和(d)所示。稀有金屬采礦區(qū)與高嶺土采礦區(qū)相比，紋理信息較豐富。通過與地質(zhì)資料的對(duì)比分析，認(rèn)為該地區(qū)稀有金屬的主要成礦母巖為雅山巖體(圖2中玫瑰紅色的巖體邊界)，目前稀有金屬開采主要集中在雅山巖體內(nèi)。對(duì)其周邊巖體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此類型巖體在周邊地區(qū)分布較少，故稀有金屬非法開采的概率相對(duì)較小(從圖2可以發(fā)現(xiàn)，僅有小規(guī)模越界開采存在)。

(a) 高嶺土礦區(qū)圖像(b) (a)的邊緣檢測結(jié)果(c) 稀有金屬礦區(qū)圖像(d) (c)的邊緣檢測結(jié)果

圖4IKONOS全色圖像及其邊緣檢測結(jié)果

Fig.4PanchromaticimagesofIKONOSandtheiredgedetectionresults

對(duì)礦區(qū)內(nèi)各類地物的占地情況進(jìn)行了分析和面積測算，結(jié)果如圖5所示，其中采礦場1.223 km2，廠房0.273 km2，廢石場0.154 km2，高嶺土開采區(qū)0.732 km2，溜井0.001 km2，濃縮池0.009 km2，尾礦庫0.11 km2。

圖5 宜春414稀有金屬礦山礦區(qū)地物占地統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 礦山地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測

根據(jù)野外調(diào)研，目前宜春414礦主要的礦山環(huán)境問題是存在廢石堆放場引發(fā)的次生滑坡，特別是在工人村礦段。將ZY-3衛(wèi)星前視與后視數(shù)據(jù)生成的DEM應(yīng)用于融合后的ZY-3衛(wèi)星B3(R)，B4(G)，B1(B)假彩色合成圖像，生成礦區(qū)三維視圖(圖6)，從視圖上可以準(zhǔn)確地圈出工人村礦段的滑坡。與野外照片(圖7)對(duì)比分析，該礦區(qū)次生滑坡較為嚴(yán)重，滑坡整體位于工人村礦段的南側(cè)，面積達(dá)60 000 m2。

圖6 基于ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的宜春414礦區(qū)三維視圖

圖7 工人村礦段滑坡野外照片

4 遙感數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 對(duì)稀有礦山典型地物類型的識(shí)別能力

地物識(shí)別能力的強(qiáng)弱是遙感數(shù)據(jù)信息量多寡的一種反映。信息量主要取決于傳感器的光譜分辨率及空間分辨率。不同平臺(tái)遙感數(shù)據(jù)的比較主要可從地物邊界的可圈定能力和地物內(nèi)部細(xì)節(jié)的反映能力2個(gè)方面考慮。這2種能力直接影響監(jiān)測幾何精度和對(duì)礦山開發(fā)狀況的判定[15]。如上文前述，該稀有礦區(qū)的主要地物類型包括濃縮池、溜井、采礦場、尾礦庫、廢石場和廠房等，其中濃縮池和溜井為其開采的典型識(shí)別標(biāo)志。本文為了比較所采用的3種遙感數(shù)據(jù)的地物識(shí)別能力，分別先將3種數(shù)據(jù)的全色及多光譜數(shù)據(jù)在ENVI處理軟件中進(jìn)行Gram-Schmidt融合，再對(duì)融合后數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。IKONOS數(shù)據(jù)的最佳波段選擇為B3, B4和B1，分別對(duì)應(yīng)紅、近紅外和藍(lán)波段； WorldView2數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的波段分別為B5, B7和B2； ZY-3數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的波段為B3, B4和B1。從空間分辨率來看，WorldView2 融合圖像的分辨率為0.5 m， IKONOS 融合圖像的分辨率為1 m，ZY-3融合圖像的分辨率為2.1 m。因此，在理論上WorldView2 融合圖像具有最高的分辨率，對(duì)地物的識(shí)別能力最強(qiáng)。

對(duì)3種圖像的目視識(shí)別效果進(jìn)行對(duì)比(表3)，結(jié)果表明： WorldView2,IKONOS和ZY-3數(shù)據(jù)對(duì)濃縮池、采礦場、廢石場和廠房的邊界及內(nèi)部的細(xì)節(jié)均有良好的影像顯示； 針對(duì)溜井和尾礦庫等的內(nèi)部細(xì)節(jié)，WorldView2圖像顯示效果最好，ZY-3圖像顯示較差。但是從礦山監(jiān)測的需求而言，這3種數(shù)據(jù)對(duì)稀有礦山典型地物均有良好的識(shí)別效果，故在區(qū)域性大面積監(jiān)測中，可推廣ZY-3國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

表3 基于3種數(shù)據(jù)融合圖像的稀有礦山典型地物類型識(shí)別能力對(duì)比

4.2 對(duì)高嶺土礦與稀有礦的區(qū)分能力

因在宜春稀有礦山采礦權(quán)邊界之外有一些高嶺土采場，其基巖與稀有礦山的相似，在遙感圖像中與稀有礦山采場的色調(diào)較為接近，容易混淆，故本文對(duì)3種數(shù)據(jù)在高嶺土與稀有礦山采場的區(qū)別能力方面進(jìn)行了初步探討。根據(jù)前文中IKONOS數(shù)據(jù)在區(qū)分這2種礦山中的應(yīng)用，盡管2種礦床的基巖相同，但因高嶺土開采的是風(fēng)化殼，紋理較為細(xì)膩； 而稀有礦山開采的是基巖，紋理較為粗糙； 故通過對(duì)比圖像中的紋理特征，可以區(qū)分高嶺土礦山與稀有礦山。通過對(duì)高嶺土與稀有礦山在3種數(shù)據(jù)融合圖像中的影像特征對(duì)比(表4)，可見WorldView2和IKONOS這2種數(shù)據(jù)對(duì)地物內(nèi)部細(xì)節(jié)顯示較好，能夠反映高嶺土礦區(qū)與稀有礦區(qū)的紋理差異，進(jìn)而將2種礦床區(qū)分； 而ZY-3號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)地物內(nèi)部細(xì)節(jié)識(shí)別較差，對(duì)這2種礦床較難區(qū)分。

表4 3種數(shù)據(jù)融合圖像中高嶺土礦區(qū)與稀有礦區(qū)采場的影像特征

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文利用高分遙感技術(shù)開展了江西宜春414稀有礦山監(jiān)測示范研究，為我國稀有礦山遙感監(jiān)測提供了應(yīng)用參考。研究成果主要包括3個(gè)方面：

1)以IKONOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要信息源，通過圖像處理及分析，建立了稀有礦山主要地物類型的解譯標(biāo)志； 結(jié)合礦權(quán)資料，分析了稀有礦山開采現(xiàn)狀； 根據(jù)遙感圖像紋理特征，區(qū)分了稀有礦和周邊較易混淆的高嶺土礦的開發(fā)狀況。

2)針對(duì)宜春414稀有礦山開采過程中的存在的主要地質(zhì)環(huán)境問題——次生滑坡，通過對(duì)ZY-3號(hào)遙感數(shù)據(jù)前后視處理和提取DEM建立的三維模型分析，圈定了滑坡的范圍，并計(jì)算了滑坡體的面積，

3)對(duì)比分析了WorldView2,ZY-3和IKONOS這3種衛(wèi)星數(shù)據(jù)在稀有礦山監(jiān)測中的應(yīng)用效果。

5.2 建議

雖然本文在基于高分遙感數(shù)據(jù)的稀有礦山監(jiān)測研究中取得了一些初步結(jié)果，但是還需要由表及里，層層深入。今后遙感技術(shù)在稀有礦山監(jiān)測方面的研究主要應(yīng)注重2個(gè)方面：

1)目前對(duì)于國產(chǎn)數(shù)據(jù)在稀有礦產(chǎn)開發(fā)及礦山環(huán)境遙感調(diào)查等方面的推廣應(yīng)用較為薄弱。本文的研究表明，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在稀有礦山監(jiān)測領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用，而且目前我國自主研發(fā)的對(duì)地觀測衛(wèi)星已達(dá)幾十顆(如GF-2,GF-1,ZY-3,TH-1和ZY-1 02C等)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量高、價(jià)格低、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢使得加強(qiáng)國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在稀有礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用是未來趨勢。

2)稀有礦山的戰(zhàn)略地位已經(jīng)日益引起各國重視，未來研究應(yīng)該以點(diǎn)帶面，在全國范圍開展稀有礦山遙感監(jiān)測工作，系統(tǒng)了解和掌握稀有礦山的開發(fā)狀況，對(duì)我國稀有礦山的開發(fā)利用及資源儲(chǔ)備提出合理的對(duì)策和建議。

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(責(zé)任編輯：劉心季)

Investigationofraremetalmineusinghighresolutionremotesensingdata：AcasestudyofNo.414raremetalmineinYichun,JiangxiProvince

DAI Jingjing1， WANG Denghong1， WU Yanan2

(1.MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,CAGS，Beijing100037，China；2.FacultyofEarthSciences，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China)

The investigation of rare metal mine is very important due to its strategic position in recent years. In this paper, the investigation of the No. 414 superlarge rare metal mine (tantalum, niobium, lithium) in Yichun of Jiangxi Province was conducted using the satellite remote sensing data of ZY-3, IKONOS and Worldview-2. Firstly, the interpretation keys of each feature in the mine were built, and the mining situation was delineated with the help of the mining right data and geological rock data. Then, the difference between rare metal mining and kaolinite mining was studied using texture information on the image. Finally, the landslide of the mine was estimated using the three-dimensional representation of the ZY-3 satellite data, and the application comparison of the three kinds of satellite data was analyzed. The results show that high resolution remote sensing processing can provide a good method for quick and accurate mining status investigation and geological environmental analysis of rare metal mines，thus having further popularization and application value.

high resolution remote sensing data； rare metal mine； mining status investigation； geologic environmental monitoring

10.6046/gtzyyg.2017.03.15

代晶晶,王登紅,吳亞楠.基于高分遙感數(shù)據(jù)的稀有礦山監(jiān)測——以江西宜春414稀有礦山為例[J].國土資源遙感,2017,29(3)：104-110.(Dai J J,Wang D H,Wu Y N.Investigation of rare metal mine using high resolution remote sensing data：A case study of No. 414 rare metal mine in Yichun, Jiangxi Province[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：104-110.)

2015-12-22；

2016-03-09

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“南方稀土礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境問題遙感調(diào)查”(編號(hào)： 12120115059501)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于反射波譜吸收深度的溶液中稀土濃度定量評(píng)估研究”(編號(hào)： 41402292)共同資助。

代晶晶(1982-),女,博士,副研究員,主要從事遙感地質(zhì)研究。Email： daijingjing863@sina.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0104-07