广东工业大学学报  2015, Vol. 32Issue (2): 32-37, 85.  DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2015.02.006.
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引用本文 

黄铁兰, 黄华谷, 朱俊凤. 资源一号02C数据在稀土开采遥感监测中的应用与评价[J]. 广东工业大学学报, 2015, 32(2): 32-37, 85. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2015.02.006.
Huang Tie-lan, Huang Hua-gu, Zhu Jun-feng. Application and Evaluation of Remote Monitoring on Rare Earth Mining with ZY1-02C Data[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2015, 32(2): 32-37, 85. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2015.02.006.

基金项目:

国土资源部资助项目(1212011220816)

作者简介:

黄铁兰(1981-)，男，高级工程师，博士，主要研究方向为环境遥感、GIS开发与应用等。

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收稿日期：2014-12-15
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
资源一号02C数据在稀土开采遥感监测中的应用与评价
黄铁兰1, 黄华谷2, 朱俊凤2     
1. 广东工贸职业技术学院 测绘遥感信息工程系，广东 广州 510510;
2. 广东省地质调查院，广东 广州 510080
收稿日期：2014-12-15
基金项目：国土资源部资助项目(1212011220816)
作者简介：黄铁兰(1981-)，男，高级工程师，博士，主要研究方向为环境遥感、GIS开发与应用等。
摘要: 选择粤赣两省交界处为研究区，以资源一号02C影像为主要数据源.首先在对资源一号02C数据进行质量评价的基础上，通过多次试验选择合适的方法对数据进行预处理，制作满足稀土开采监测要求的遥感影像.然后参照以往稀土遥感监测研究成果并结合野外踏勘情况，建立合适的解译标志.再提取研究区的稀土开采图斑，并进行野外验证.最后，通过往年的影像提取稀土开采历史图斑，进行多期对比分析，对工作区近年来的稀土开采状况进行监测.研究表明，资源一号02C数据能较好满足稀土开采监测的要求，在我国南方地区应用具有典型意义.
关键词: 资源一号02C卫星    稀土开采    遥感监测    
Application and Evaluation of Remote Monitoring on Rare Earth Mining with ZY1-02C Data
Huang Tie-lan1, Huang Hua-gu2, Zhu Jun-feng2     
1. Deptment of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing, Guangdong College of Industry and Commerce, Guangzhou 510510, China;
2. Guangdong Geologic Survey Institute, Guangzhou 510080, China
Abstract: In this article, the authors selected the boundaries of Guangdong Province and Jiangxi Province as the study area, and used ZY1-02C remote sensing images as the main data source. The procedures are as follows. First, the researchers created the required remote sensing image for monitoring Rare Earth Mining (REE) based on several pretreatment testing with different preprocessing methods and quality evaluation of the ZY1-02C data in study area. Then, a suitable interpretative symbol was established referring to the previous experience of remote sensing monitoring of REE. After that, the mining spots of REE were extracted and outdoors validation was carried out. Finally, historical mining spots with former images were drawn and used for comparative analysis with spots of 2012 in order to monitor the mining conditions in recent years. The results of this research show that ZY-1 02C data can meet the requirements of monitoring of REE mining conditions and the research has typical significance in the application in the southern Chinese regions.
Key words: ZY1-02C    rare earth mining    remote sensing monitoring    

资源一号02C(ZY1-02C)卫星于2011年11月发射，2012年4月交付使用.它是我国首颗高分辨率宽覆盖的民用遥感卫星，设计寿命为3年，搭载有全色/多光谱(P/MS)相机和高分辨率全色(HR)相机，卫星参数如表 1所示.该卫星分辨率较高、覆盖范围广、重访周期短，在国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境监测等领域有广阔的应用前景[1].

表 1 ZY1-02C卫星有效载荷技术指标[2] Table 1 Technical indicators of ZY1-02C satellite valid loading

2012年8月起，ZY1-02C卫星影像开始在全国推广应用.各高等院校、科研院所、地勘单位开展了大量的研究工作，主要分为2个方面：(1)数据质量评价与处理方法研究，包括数据特征分析及质量评价[3-6]，数据处理技术方法研究[1, 7-8]等；(2)数据专题应用研究，包括水利行业应用[6, 9]，土地利用变化分析与执法监察[10-13]等.

广东是我国矿产资源大省，稀土资源丰富.但部分地区历年来也存在不同程度的盗采现象，导致矿产资源损失和生态环境破坏.这些地区往往地理位置偏僻，而稀土开采又具有周期短、转移快的特点，政府部门监管的难度很大.因此，利用遥感技术尤其是国产ZY1-02数据开展稀土开采监测，为矿产资源管理提供技术支撑，具有重要的现实意义.

1 研究区及数据源 1.1 研究区概况

本文选择的研究区位于粤赣两省交界处，稀土资源较为丰富，历年来存在较多的稀土矿盗采现象，给当地的资源环境和居民生产生活造成较大的影响.

1.2 数据源情况

本文以2012年10月份的ZY1-02C数据作为主要数据源，另外还收集了研究区的2010年的ALOS影像，2011年SPOT5影像，以及相关的基础地理数据等.

研究区的资源一号02C影像如图 1所示.

图 1 研究区遥感影像图 Figure 1 Remote sensing image of study area
2 研究方法

参照矿山开发遥感调查与监测技术流程，针对稀土开采的特点，采用ZY1-02C为遥感数据源，与其他多源数据相结合，以人机交互解译为主要技术手段，结合野外实地验证，并进行多期对比分析，对研究区的稀土开采情况进行监测，具体技术流程如下.(1)数据质量评价：从人机交互解译的角度出发，以信息量、清晰度等作为评价指标，将ZY1-02C数据与相近分辨率的其他类型数据进行对比分析; (2)数据预处理：通过对比分析多种波段组合和数据融合方法，选择合适的方法对遥感数据进行预处理；(3)遥感解译：通过野外踏勘构建遥感解译标志，然后提取稀土开采信息；(4)野外调查验证：选择典型地区进行野外验证，并根据验证的结果对解译成果进行修改完善；(5)统计分析与综合评价：提取多个时相的稀土开采图斑，进行对比分析，评价监测效果.

总体技术流程如图 2所示.

图 2 总体技术流程 Figure 2 The overall technical flow
3 结果与讨论 3.1 数据质量评价

在数据处理与应用之前，需要对数据的基本特征进行分析.对2012年10月份的ZY1-02C数据的质量评价，主要分析其信息量和清晰度[3, 5]，以确定人机交互解译的可行性.

(1) 信息量分析

ZY1-02C影像的数据灰度范围较窄，且大部分都集中在低值区域.其灰度动态范围仅为30.6%, 如图 3所示.对比分析，ZY1-02C影像的多光谱和全色波段灰度范围均窄于与SPOT5影像，需要进行适当拉伸，以增加有效灰度范围，提高地物之间的差异.

图 3 ZY1-02C、SPOT5多光谱影像与全色影像对比 Figure 3 Contrast of multi-spectral images and panchromatic images of ZY1-02C and SPOT5

(2) 清晰度分析

ZY1-02C原始影像地物纹理较丰富，与同区域的遥感二号(YG2)影像对比，纹理层次更加清晰，与周围地物差异更加明显；与SPOT5全色影像对比，色彩偏暗，纹理清晰度与SPOT5差不多.三者对比如图 4所示.

图 4 SPOT5、YG2、ZY1-02C影像对比 Figure 4 Contrast of SPOT5, YG2, ZY1-02C images

ZY1-02C数据光谱信息较为丰富，纹理较为清晰，但边界轮廓比较平滑.由于采用人机交互解译提取稀土开采状况，数据质量是可行的.

3.2 数据预处理

对于ZY1-02C数据的预处理，主要从波段组合、影像融合等方面进行分析[6-7].

(1) 波段组合方式分析.

本文使用的ZY1-02C多光谱数据只有绿②、红③、近红外④3个波段，其组合方式共有6种，如图 5所示.从不同波段组合的影像对比看，②④③、③④②两种组合近似自然彩色，而③④②组合所表现的地物差异更大，包含的信息量也最为丰富，因此这种组合为最佳方式.

图 5 ZY1-02C不同波段组合多光谱影像对比 Figure 5 Contrast of different bands of ZY1-02C multi-spectral images

(2) 数据融合方法分析.

遥感数据的融合算法很多，但目前还没有统一的数据融合模型和融合效果的有效评价方法，选用何种算法在很大程度上与遥感数据源的种类和融合目的有关.

本文试验了IHS变换、主成分变换(PCA变换)、线性加权乘积和BROVEY变换4种融合方法，将2.36 m ZY1-02C的HR数据与10 m ZY1-02C PMS数据进行融合.融合后的影像如图 6所示.

图 6 不同方法融合的ZY1-02C影像 Figure 6 ZY1-02C images by different fusion methods

从影像对比来看，线性加权乘积和BROVEY变换两种方法融合的影像色彩偏暗，纹理特征不够清晰；主成分分析法色彩明亮，但有蒙雾感，纹理较为模糊；IHS方法色彩较为明亮，且纹理清晰，对比鲜明，是最合适的融合方法.

3.3 遥感解译

由于ZY1-02C影像在稀土矿开采监测中的应用尚无先例，因此首先要参考前人利用其他类型遥感影像进行稀土矿遥感监测的成果[14-15]，结合往年解译的稀土矿开采图斑，并进行野外踏勘后，建立ZY1-02C影像的稀土矿开采解译标志.

研究区的稀土矿开采主要采用原地堆浸法和原地浸矿法，矿山地物包括裸露开矿区、晾晒坪、沉淀池、矿山建筑等.从研究区的ZY1-02C影像上看，裸露开采区一般分布在山体边缘，形状凹凸不平，极不规则；晾晒坪分布在开采区的周围，为规则形状的多边形区域，一般呈“田”字网格状；沉淀池集中分布在矿区边缘，一般为圆形或长方形，大小不等；矿山建筑物为长条状，分布在矿区边缘.

由于融合后的影像整体亮度不够，进行标准差增强，可以更好地突出稀土开采的各类地物特征，如图 7所示.这些典型的解译标志，对于区分稀土矿开采与土地整理、其他类型的矿山开发活动，提供了重要的依据.

图 7 ZY1-02C稀土矿开采解译标志 Figure 7 Interpretative symbols of REE mining in ZY1-02C images
3.4 野外验证

进行室内解译后，为了检验初步解译结果的正确性，需要进行一定比例的野外验证.本次研究对野外疑似开采图斑进行了验证.验证现场的部分照片如图 8所示.

图 8 稀土矿开采野外验证照片 Figure 8 Verification photos of REE mining
3.5 多期对比分析

基于ZY1-02C影像，提取了研究区2012年的稀土矿开采图斑.另外，基于2010年的ALOS影像和2011年的SPOT5影像，提取2010年、2011年的稀土矿开采图斑.经统计，研究区2010年共有稀土矿图斑11个，占地56.27 hm2；2011年图斑14个，占地61.03 hm2；2012年图斑14个，占地面积为60.77 hm2.

分析发现，研究区2010年到2011年稀土开采范围有所扩大，新增3个图斑；2011年到2012年稀土开采范围略微减少，都处于停采状态.主要原因是地方国土部门加大了打击力度，特别是2012年广东省开展了“三打两建”专项整治行动，有效地遏制了稀土矿非法开采行为，同时部分稀土矿的复绿工作取得较好的效果，植被有一定程度的恢复.

4 结论

本次选择粤赣两省交界处作为研究区，进行了ZY1-02C数据在稀土开采监测中的应用研究，得出如下结论：

(1) 数据质量方面，从信息量和清晰度2个指标进行评价，ZY1-02C卫星影像多光谱数据光谱信息丰富，全色数据纹理清晰，地物层次分明，整体效果优于YG2数据，接近SPOT5数据，对稀土开采的识别度较好.

(2) 数据预处理方面，342波段组合方式、IHS融合方法能够突出地物差异，纹理特征清晰，是处理ZY1-02C卫星影像的最佳方法.

(3) 解译标志建立方面，结合往年的开采情况，并对图像进行标准差增强，可以有效地将稀土开采与其他矿产开采、土地利用变化等活动区分开来.

(4) 研究结果表明，利用ZY1-02C影像和其他类型的影像进行对比分析，能有效地监测稀土开采情况.若能缩短影像的时间间隔，将一年一期调整为一年2~3期，对于稀土开采这种周期短、转移快的矿产开采行为的监测将更加有效.

主要问题与建议：

(1) 与IKNOS、WV2、QUICKBIRD等优于1 m的高分数据比较，ZY1-02C数据空间分辨率仍然不够高，尤其是对于剥土面积较小的原地浸矿法稀土开采图斑，解译标志不够明显，需要补充大量的野外验证工作.希望后续卫星能进一步提高空间分辨率.

(2) 广东等南方地区气象条件复杂，收集到的ZY1-02C有效数据的期次、范围都不够多，影响了稀土开采遥感监测的推广应用.希望后续卫星能够提供编程采集数据的服务.

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