邢英梅 周智勇, 張志科 夏崢嶸 張敏

（1、河北水文工程地質(zhì)勘察院，石家莊 0500021；2、河北省遙感中心，石家莊 0500021）

星空地“REUP”一體化礦山環(huán)境監(jiān)測遙感系統(tǒng)建設(shè)初探

邢英梅1周智勇1,2張志科2夏崢嶸2張敏2

（1、河北水文工程地質(zhì)勘察院，石家莊 0500021；2、河北省遙感中心，石家莊 0500021）

針對礦山環(huán)境監(jiān)測工作中存在的“信息孤島”現(xiàn)象，本文基于中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施的礦山環(huán)境監(jiān)測項目提出星空地“REUP”一體化礦山環(huán)境監(jiān)測遙感系統(tǒng)（以下簡稱：星空地REUP系統(tǒng)）。該系統(tǒng)以衛(wèi)星遙感（RS）、微波遙感星載雷達遙感系統(tǒng)歐洲遙感衛(wèi)星ERS、無人機航拍影像（UAV）、手持PDA、PC機為整體框架（系統(tǒng)名稱中“REUP”即取自總體框架的首字母），在全面梳理礦山環(huán)境監(jiān)測項目工作步驟、已有礦山環(huán)境各種矢量數(shù)據(jù)和礦山占地、恢復(fù)治理、地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計表等各種信息資源的基礎(chǔ)上，對已有信息進行有效的整合，并進行實時監(jiān)測與更新，建立統(tǒng)一的、有實效性的信息資源庫，為國土資源管理部門決策、綜合業(yè)務(wù)管理、礦山環(huán)境恢復(fù)和公眾信息服務(wù)提供有效的、準確的數(shù)據(jù)支持。

REUP；礦山環(huán)境監(jiān)測；遙感信息復(fù)合；三維數(shù)據(jù)；信息孤島

一、引言

全國礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測項目根據(jù)國家需求和國土資源部管理工作的需要，由中國地質(zhì)調(diào)查局航空物探遙感中心組織實施，利用遙感影像數(shù)據(jù)，在全國與重點礦集區(qū)開展礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況、礦山地質(zhì)環(huán)境問題、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況等遙感調(diào)查與監(jiān)測工作，獲取可觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，編制圖件與報告，為保持礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)與利用，維護礦業(yè)秩序及綜合整治礦區(qū)環(huán)境等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與決策依據(jù)。然而，除項目規(guī)定的一年一個周期外，省、市、縣級國土管理部門亟需實效性更強的礦山環(huán)境數(shù)據(jù)。但在國土資源領(lǐng)域始終缺乏統(tǒng)一體系，獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)仍然比較困難，這不僅對海量遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用形成了巨大制約，對國土資源管理無法進一步服務(wù)。建立一套多源海量遙感數(shù)據(jù)處理、礦山監(jiān)測信息維護更新、外業(yè)數(shù)據(jù)實時傳輸儲存、成果調(diào)取方便的平臺來支撐遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

二、星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)背景、目的及意義

2.1 礦山環(huán)境監(jiān)測工作方法現(xiàn)狀

目前礦山環(huán)境監(jiān)測手段：衛(wèi)星遙感、內(nèi)業(yè)解譯、兩期影像對比、實地監(jiān)測。監(jiān)測頻率：重點礦集區(qū)一年監(jiān)測一次；全區(qū)域一年監(jiān)測一次。工作中多用ENVI、PCI、EDARS處理影像，ARCGIS信息提取，EXCLE手動處理報表，外業(yè)獲取數(shù)據(jù)手動匹配矢量。

2.2 星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)目的

通過ENVI、ARCCGIS、PDA相關(guān)軟件二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，構(gòu)建礦山環(huán)境監(jiān)測項目所需衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)處理及信息提取平臺，外業(yè)查證PDA系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)分析報表、綜合出圖的集成化系統(tǒng)。形成流程化、規(guī)范化、高效化的服務(wù)能力，為我國礦山環(huán)境監(jiān)測工作提供統(tǒng)一、基礎(chǔ)平臺。

2.3 星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)意義

星空地REUP系統(tǒng)建設(shè)的意義分為以下三點：

①星空地REUP系統(tǒng)可作為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源評價、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，數(shù)據(jù)倉庫可為礦山環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)資源調(diào)查提供了更加有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

②星空地REUP系統(tǒng)對國土資源領(lǐng)域多數(shù)據(jù)源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)的靈活綜合應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺，并對多方位數(shù)據(jù)影像缺點互補，優(yōu)點增強。并大大的解除了海量高分影像數(shù)據(jù)的多領(lǐng)域應(yīng)用的巨大制約。

③本系統(tǒng)特別針對于礦山環(huán)境監(jiān)測項目，對礦山開采面、選礦場、尾礦庫、廢石堆、地質(zhì)災(zāi)害、礦山復(fù)綠等信息的提取、分析、監(jiān)測、外業(yè)查證，提供了綜合的、集成的、可視化的、易操作、完善的平臺，為項目內(nèi)首套集衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)一體的處理平臺，并為首套針對礦山環(huán)境監(jiān)測項目內(nèi)外業(yè)一體的信息系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)分析

3.1 可行性分析

通過軟件二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，在前期充分調(diào)研，通過配置軟、硬件環(huán)境，對高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)特點進行分析，信息提取方法管理，內(nèi)外業(yè)細致分析，充分掌握實際需求，進而制定處理流程與規(guī)范，此系統(tǒng)建立是存在可行性的。

3.2 需求分析

隨著國產(chǎn)高分數(shù)據(jù)的廣泛使用，礦山環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測，已基本形成了從數(shù)據(jù)處理、信息提取、成果圖件制作的完整技術(shù)流程，建立了遙感調(diào)查相關(guān)的技術(shù)方法與技術(shù)體系。但是高分數(shù)據(jù)的處理與信息提取依然依賴于國外軟件，甚至需要多個軟件互相配合才能實現(xiàn)，針對性、完整性明顯不足，工作效率相對較低。

針對國外軟件功能單一、針對性和完整性不足等問題，礦山環(huán)境監(jiān)測工作亟需通過軟件二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，建立多源高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理及信息提取系統(tǒng)，內(nèi)業(yè)外互通一體化系統(tǒng)。

四、系統(tǒng)總體設(shè)計與功能設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

平臺通過前期調(diào)研分析，確定數(shù)據(jù)處理與信息提取需求與流程規(guī)范，通過配置軟、硬件環(huán)境，全面設(shè)計平臺各項功能，構(gòu)建界面友好，操作簡潔，功能強大的基礎(chǔ)平臺。系統(tǒng)總體架構(gòu)如下：

4.2 功能設(shè)計

功能設(shè)計如圖：

3.2.1 遙感影像數(shù)據(jù)處理集成塊

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理一般包括數(shù)據(jù)解壓縮、幾何校正（包括幾何精校正與正射校正）、圖像融合、圖像鑲嵌等。采用靈活的遙感二次開發(fā)平臺ENVI/IDL、ArcGIS Engine，可以根據(jù)不同需求，開發(fā)一個全新的數(shù)據(jù)處理平臺。

3.2.2礦山監(jiān)測信息提取集成塊

信息提取流程主要包括柵格和矢量數(shù)據(jù)的輸入、目標地物信息提取、統(tǒng)計分析、專題圖生產(chǎn)。建立不同的信息提取模板，并構(gòu)建實時接收外業(yè)驗證數(shù)據(jù)功能和利用DEM組建三維影像數(shù)據(jù)功能。信息提取系統(tǒng)開發(fā)采用ArcGIS Engine二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)可視化信息提取平臺。

3.2.3外業(yè)實時查證屬性變更集成塊

將無線傳輸信息卡與本研究軟件相應(yīng)模塊集成到PDA中，從而實現(xiàn)外業(yè)驗證數(shù)據(jù)與礦山監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)的實時更新。外業(yè)實時查證系統(tǒng)基本流程：(1)將礦山監(jiān)測調(diào)查底圖（遙感影像數(shù)據(jù)、礦山監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)）導(dǎo)入PDA；(2)利用集成了GPS卡的PDA在野外進行查證圖斑的實際測量；(3)對測量數(shù)據(jù)進行實時差分解算．并根據(jù)差分變更點位坐標修改礦山監(jiān)測實地邊界．最后將PDA中的變更數(shù)據(jù)導(dǎo)出PC機中，進行結(jié)果分析、矢量維護。在GSM網(wǎng)的支持下，采用GPS實時差分技術(shù)傳遞到流動站中。實現(xiàn)流動站測量數(shù)據(jù)的實時差分解算翻．從而得到礦山開采高精度數(shù)據(jù)。（4）利用PDA拍照技術(shù)對礦山開采現(xiàn)場，進行照像、錄像，并存儲于相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)中，最終導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)，以便實時查詢監(jiān)測。

五、星空地REUP系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)集合了遙感衛(wèi)星、星載雷達、無人機、PDA數(shù)據(jù)，是一個面向主題的、集成的、有實效性的和可更新的數(shù)據(jù)集合.

4.1 開發(fā)運行環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)平臺選用ENVI/IDL、ArcGIS E n g i n e以及P D A的嵌入式G I S開發(fā)工具—MapXMobile及GPS模塊中負責連接VRS網(wǎng)絡(luò)的SDK--GPSPathHndefTools(SDK)．操作系統(tǒng)均適用Win10、Win8、Win7、Vista、XP等Windows系統(tǒng)。

硬件運行環(huán)境選用CPU 200MHz或更高、內(nèi)存64MB或更高的PC機。以及手持PDA。

4.2 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)已充分用于礦山環(huán)境監(jiān)測中，如開采面、選礦場、礦石堆、尾礦庫、固體廢棄物等占地信息的提取。采用本系統(tǒng)可以自動接入、正射糾正、圖像增強、圖像裁剪、解譯。

4.3 星載雷達數(shù)據(jù)

星載雷達數(shù)據(jù)雖多用于海洋、地形、地質(zhì)構(gòu)造、地下水，但是微波遙感特性以及透視收縮功能、一定的穿透能力，有利于地下礦井進一步信息提取。另外雷達衛(wèi)星傳感器可不受天氣影響，具有穿透云霧、全天時、全天候工作能力，對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是有利的補充。

4.4 低空遙感無人機航片數(shù)據(jù)

目前低空遙感多采用無人機方式進行拍攝，可快速獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不可缺少的補充，亦可用于災(zāi)情調(diào)查、應(yīng)急指揮。

4.5 PDA掌上系統(tǒng)進行外業(yè)查證

PDA掌上系統(tǒng)為星空地REUP系統(tǒng)的重要組成部分，主要應(yīng)用于外業(yè)查證部分。各模塊的實現(xiàn)需要按功能進行類的設(shè)計，各類分別完成特定的功能，由于在嵌入式開發(fā)環(huán)境中只支持單文檔視圖結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)中只有一個主窗體，各模塊的實現(xiàn)結(jié)果都依賴主窗體。

六、結(jié)論

礦山環(huán)境監(jiān)測工作系統(tǒng)建設(shè)是推動建設(shè)綠色生態(tài)礦山發(fā)展的一個重要步驟，星空地REUP系統(tǒng)將成為礦山環(huán)境監(jiān)測的重要工具。此系統(tǒng)不僅適用于礦山環(huán)境監(jiān)測，另外可延伸至林業(yè)環(huán)境監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查等行業(yè)?？梢詫^(qū)域內(nèi)礦山環(huán)境基本信息、經(jīng)濟、權(quán)益等情況進行總量統(tǒng)計和變化趨勢分析，可以為國土資源礦管、環(huán)境司、儲量司等提供基本情況及變動規(guī)律。另外系統(tǒng)內(nèi)三維GIS空間數(shù)據(jù)建模及算法將是一個亮點，外業(yè)系統(tǒng)實時、真實、準確自動接入PC端內(nèi)業(yè)系統(tǒng)將是一個突破。本系統(tǒng)從多個不同的視角出發(fā)把數(shù)據(jù)組織成多維數(shù)據(jù)，并能夠從不同的維度視角快速地管理、分析大量的數(shù)據(jù)，成為新型的海量數(shù)據(jù)管理的解決方案。

[1]厲青,王橋,吳傳慶,申文明.衛(wèi)星遙感環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測應(yīng)用平臺建設(shè)[J].中國環(huán)境監(jiān)測.

[2]黃蔚,蔣捷,王茜.面向在線服務(wù)的地理框架數(shù)據(jù)體系構(gòu)建[J].地理信息世界,2014(4):20-23.

[3]張俊輝,楊驥,胡旭妍.殘聯(lián)業(yè)務(wù)綜合展示平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].遙感信息,2015(5):121-124.

[4]聶洪峰,楊金中等.礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測技術(shù)問題域?qū)Σ哐芯縖J].國土資源與遙感,2007(4):11—13.2003,19(3):1.4．

[5]王曉紅,聶洪峰,楊清華等,高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦山開發(fā)狀況及環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用效果比較[J].國土資源遙感,2004(1):15～18．

[6]Li S M ,Sun D I ,Goldberg M D ,eta1.Derivation of 30-m-resolution wa-ter maps from TERRA/MODIS and SRTM.Rem ote Sensing of Environ-ment,2013,134:4l7-430．

[7]張明旭,趙偉.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009年.

[8]ThomasM.Lillesand,RalphW.Kiefer.RemoteSen singandImageInterpretation[D]．FourthEditionJohnWiley&sons,2003年8月．

[9]楊清華.遙感地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標準體系研究與進展[J].國土資源遙感,2013年,03期．

[10]馬旭東.光學(xué)遙感影像壓縮及融合的質(zhì)量評價研究[D].武漢大學(xué),2014年5月.

[11]陳超.可擴展遙感圖像處理平臺的研究與開發(fā)[D].中國地質(zhì)大學(xué),2014年5月.

[12]路京選,宋文龍,曲偉,付俊娥.跨時空觀下的遙感應(yīng)用新視野[J].遙感學(xué)報,2015年06期.

[13]江國兵.遙感在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].城市勘測,2015年,04期.

[14]劉雪萍,孫思佳.國產(chǎn)遙感衛(wèi)星在“一帶一路”建設(shè)中生態(tài)環(huán)境保護的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015年,08期.