劉富平

（忻州市生態(tài)環(huán)境局東部區(qū)域監(jiān)測技術(shù)保障中心代縣分中心，山西 忻州 034200）

引言

水資源是保證國民經(jīng)濟健康持續(xù)發(fā)展的重要根基，然而因為多方面原因，水資源尤其地下水資源出現(xiàn)的安全問題日漸突出。鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟中重要的組成部分，國家對鋼鐵的需求量逐年增加，但礦山開采所產(chǎn)生的地下水環(huán)境問題因其具有隱蔽性、遭到破壞產(chǎn)生的影響具有滯后性等原因，已發(fā)展成為我國主要的地下水污染源之一。因此，必須進行鐵礦地下水環(huán)境影響研究，以滿足地質(zhì)環(huán)境污染應(yīng)急處理需求，防止地下水環(huán)境破壞。

高光譜遙感技術(shù)是近些年來迅速發(fā)展起來的一種全新遙感技術(shù)，它利用成像光譜儀以納米級的光譜分辨率，實現(xiàn)了地物空間信息、輻射信息、光譜信息的同步獲取。與常規(guī)的測試分析、生物指示診斷等技術(shù)方法相比，遙感技術(shù)具有速度快、成本低、區(qū)域性強、信息量大，且探測范圍廣，能夠反映區(qū)域地質(zhì)環(huán)境演化特征等特點，其在地物精細分類識別優(yōu)勢將為地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供有效方案。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在20 世紀60 年代末，國外就已高度重視礦山環(huán)境保護。90 年代中后期，我國才開始較為系統(tǒng)的礦山環(huán)境調(diào)查研究。自“十五”期間以來，遙感技術(shù)日新月異，中國航空物探遙感中心總結(jié)出不同遙感數(shù)據(jù)源在礦山開發(fā)及環(huán)境調(diào)查中應(yīng)用的特點，同時在實現(xiàn)國土資源開發(fā)與保護統(tǒng)籌兼顧的政策導(dǎo)向下，于“十二五”期間又組織實施了“礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測”，遙感開始逐漸在我國礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測方面得到應(yīng)用，并不斷深化。

在礦區(qū)水體污染研究方面，Lee 等利用航空成像光譜儀初步圈定了受污染水域的空間分布范圍，為賓夕法尼亞州煤礦區(qū)水環(huán)境治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（Lee N E，1999）[1]。張琪等設(shè)計出一套監(jiān)測水體污染的環(huán)境遙感監(jiān)測軟件系統(tǒng)，監(jiān)測太湖流域的水質(zhì)污染情況[2]。陳紹杰等利用國產(chǎn)小衛(wèi)星，基于礦區(qū)水體光譜曲線特性，判別礦區(qū)水體酸堿性以及分析水體受污染程度變化和污染源[3]。趙汀基于江西德興銅礦及水體在不同污染程度的光譜特征，分析了大塢河和樂安河的水體波譜特性和污染物的擴散動態(tài)[4]。

2 高光譜遙感在鐵礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測中的主要技術(shù)

2.1 高光譜數(shù)據(jù)降維技術(shù)

高光譜數(shù)據(jù)降維主要是通過特征提?。ㄔ脊庾V空間或其子空間的一種數(shù)學變換）和波段選擇（選擇一個盡可能多地保留原始數(shù)據(jù)的主要光譜），實現(xiàn)信息綜合、特征增強和光譜降維，最終利用低維數(shù)據(jù)來有效表達高維數(shù)據(jù)信息。特征提取方法首先對原始高光譜數(shù)據(jù)進行數(shù)學變換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)降維[5]。波段選擇問題就是一個組合優(yōu)化問題，標準就是其目標函數(shù)。根據(jù)目標函數(shù)的計算過程，波段選擇算法分為監(jiān)督的和非監(jiān)督兩類。

2.2 水體高光譜遙感精細識別技術(shù)

因高光譜遙感是用很窄而連續(xù)的光譜通道對地物持續(xù)遙感成像，因此其具備捕捉細微光譜特征的能力。針對區(qū)域水環(huán)境中水體目標復(fù)雜多樣的特點，高光譜遙感豐富的光譜信息能夠提高水體目標的識別精度，分析并提取水體的影像波譜、紋理等特征信息[6]。

3 高光譜遙感在鐵礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用方法

3.1 主要方法

1）基于高分二號數(shù)據(jù)的植被與水體的信息提取。為合理保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，以高分二號國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用波段運算和密度分割，分析受污染的水體及污染級別，監(jiān)測重要礦集區(qū)的礦山開發(fā)狀況和環(huán)境變遷[7]。

2）基于高光譜數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)融合。高光譜數(shù)據(jù)融合不同于傳統(tǒng)的多光譜圖像融合，其為了滿足光譜解譯的應(yīng)用需求，主要以HJ-1A 為數(shù)據(jù)源，在盡量保持光譜信息不缺失上提升高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率。

3）區(qū)域水體高光譜遙感精細識別技術(shù)?；诙嘣磾?shù)據(jù)融合同化后的數(shù)據(jù)集，研究面向水體精細識別的特征選擇方法及不同污染物在水中的存在特征和對不同光譜特征的響應(yīng)機理，分析并提取水體的影像波譜、紋理、空間幾何等特征信息，從而實現(xiàn)基于高光譜遙感的水體精細識別。

3.2 技術(shù)路線

首先，收集研究區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、水文環(huán)境資料等，并對其進行數(shù)據(jù)讀取、圖像配準等預(yù)處理；其次，在此基礎(chǔ)上，將高光譜數(shù)據(jù)與多源空間數(shù)據(jù)進行融合，提升高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率；第三，通過影像特征提取與選擇的數(shù)據(jù)降維技術(shù)，開展區(qū)域水體信息的精細識別，為確定污染區(qū)域提供基礎(chǔ)；第四，基于野外樣品采集與測試分析，在充分參考的基礎(chǔ)上，開展水體污染等方面的水環(huán)境參量高光譜信息分析，為確定污染物信息提供基礎(chǔ)；最后，開展工礦業(yè)城市區(qū)域水環(huán)境高光譜遙感監(jiān)測應(yīng)用。高光譜遙感在鐵礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用的技術(shù)路線，如圖1 所示。

圖1 高光譜遙感在鐵礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用的技術(shù)路線

3.3 實物工作量

主要包括研究區(qū)高分二號多光譜數(shù)據(jù)的研究實驗，波段運算、水體指數(shù)的信息提取等專題研究，HJ-1A 的HSI 與CCD 數(shù)據(jù)處理實驗以及融合方法研究以及野外數(shù)據(jù)采集工作等。

4 高光譜遙感在鐵礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

遙感技術(shù)具有速度快、成本低、區(qū)域性強、信息量大等優(yōu)點，針對區(qū)域水環(huán)境中水體目標復(fù)雜多樣的特點，利用多光譜與高光譜數(shù)據(jù)針對性處理方法，可以分析并提取水體的影像波譜、灰度等特征信息，研究高光譜遙感反映污染信息的技術(shù)方法，從而實現(xiàn)基于高光譜遙感的水體精細識別。具體優(yōu)勢如下：

1）基于國產(chǎn)高分二號多光譜遙感數(shù)據(jù)，能夠有效解決污染水體與自然植被色調(diào)趨同而難以解譯問題，減少錯分誤差；

2）利用歸一化差分水體指數(shù)和密度分割，結(jié)合不同受污染程度水體在影像上呈現(xiàn)不同顏色和色調(diào)特征，能夠分析水體污染的程度和分布規(guī)律；

3）基于國產(chǎn)HJ-1A 高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行礦區(qū)地物波譜分析，以及高光譜數(shù)據(jù)降維和波段重組，能利用低維數(shù)據(jù)來有效表達高維數(shù)據(jù)信息，提高植被和水體的目標識別和信息提取精度；

4）基于HJ-1A 遙感圖像，用歸一化差分水體指數(shù)法提取礦區(qū)水體信息，相比CCD 影像，總體分類精度、制圖精度和用戶精度大幅增加；用監(jiān)督分類的最大似然法對礦區(qū)水體信息進行提取，相較于同等空間分辨率的CCD 影像，提高了總體分類精度、用戶精度以及Kappa 系數(shù)。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著高光譜遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用高分二號（GF-2）多光譜數(shù)據(jù)和環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座A 星(HJ-1A)等高光譜數(shù)據(jù)，通過高光譜數(shù)據(jù)降維技術(shù)及水體高光譜遙感精細識別技術(shù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）等多源地理數(shù)據(jù)，更有利于植被和水體的目標識別和信息提取，能夠準確地分析水體污染的程度和分布規(guī)律，為礦山環(huán)境治理提供技術(shù)支撐與決策依據(jù)。