基于 CBERS - 02B星数据的矿山 开采环境变化动态检测.pdf

第1期,总第79期国 土 资 源 遥 感No. 1, 2009 2009年3月15日REMO TE SENSING FOR LAND 2 .中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083 摘要以江西德兴铜矿为试验区,利用CBERS - 02B星辅以02星 CCD数据,对德兴铜矿矿山开采环境进行遥感 动态监测与分析,以期为矿山的合理开发、 环境监测与可持续发展提供决策分析方法。 关键词 CBERS - 02B星;遥感;矿山开采;动态监测 中图分类号 TP 79 文献标识码 A 文章编号 1001 - 070X2009 01 - 0074 - 05 收稿日期 2008 - 11 - 26;修订日期 2008 - 12 - 20 0 引言 矿产资源是重要的自然资源,我国目前虽然经 济发展速度较快,但今后发展面临着自然资源供应 后劲严重不足的问题 [1]。矿产资源开发导致了一 系列矿山环境地质问题,不断恶化的矿山地质环境 成为制约矿业可持续发展的主要因素之一 [2 ]。 对环境污染变化监测可以采用很多传统的方 法,而遥感作为一种新的环境监测手段,可直观反映 区域的污染情况。尽管遥感手段不能直接进行污染 元素检测,但却能辅助进行环境变化监测 [3～8]。 遥感数据在一定程度上反映地表物质的特征, 使用遥感数据进行环境监测,主要是利用不同波段 光谱对物体的响应差异 [9 ]。我国已有许多学者在 矿山环境监测方面做了大量工作,取得了很好的效 果。本文主要利用CBERS - 02B星辅以02星CCD 数据,对德兴矿山进行动态监测,通过监测研究区 的范围变化情况,分析矿山开采对周围生态环境产 生的影响。 1 研究区概况 德兴铜矿位于江西省东北部德兴县境内,与邻 近的大茅山同属怀玉山脉。矿区包含采、 选以及辅 助设施等工业场地和生活区。铜矿矿区属中低山丘 陵,地势东南高,西北低,河流水系发育。矿区以北 的乐安河是矿区主要的生活用水来源,以南的德兴 河是德兴市以及下游的主要生活用水,以西为大坞 河,东边为富家坞河。这些水系形成不同的分水岭, 主导或制约着矿区污染的扩散与迁移。 德兴铜矿田主要由铜厂、 朱砂红和富家坞矿床 组成,是世界上已探明铜储量在800万t以上的特 大型斑岩铜矿之一,也是中国最大的露天有色金属 矿 [9 ]。德兴铜矿矿区分布情况如图 1所示。 图1 德兴铜矿矿区矢量化图 2 数据介绍和预处理 2. 1 02B星数据介绍 02B星主要技术参数如表1所示。 第1期于艳梅,等 基于CBERS - 02B星数据的矿山开采环境变化动态监测 以德兴铜矿为例 表1 CBERS - 02B星有效载荷主要技术指标 有效载荷波段号光谱范围/μm空间分辨率/m幅度/km侧摆能力重访时间/d数据传输率/Mbps CCD相机 B10. 45～0. 5219. 5 B20. 52～0. 5919. 5 B30. 63～0. 6919. 51133226106 B40. 77～0. 8919. 5 B50. 51～0. 7319. 5 高分辨率 相机HR B60. 5～0. 82. 3627无10460 宽视场成像B70. 63～0. 69258 仪WFIB80. 77～0. 89258890无51. 1 2. 2 数据预处理 数据预处理主要包括几何校正、 裁剪和配准等。 02、02B星CCD相机数据包括5个波段,首先采用 波段4、3、2进行彩色合成,然后对图像进行校正、 裁 剪,保留研究区 德兴铜矿矿区,最后对图像进行 配准。 3 图像解译及信息提取 德兴铜矿作为我国乃至世界的大型斑岩铜矿之 一,随着铜矿的开采和时间的积累,在开采过程中所 产生的废矿、 废渣及废水等矿山废弃物,都会对矿区 周围的生态环境产生不同程度的污染。主要污染源 如废矿包括采矿场、 废石堆以及堆浸场的废矿等 和废水包括选冶废水、 金属酸化反应生成的污染水 等以及造成的植被与土壤污染。废矿污染源主要 有铜厂采矿场、 西源废石场与祝家堆浸场或祝家废 石场 , 由花岗闪长斑岩、 凝灰岩、 千枚岩等岩石组 成,具有典型斑岩铜矿的基本特征,矿石矿物主要为 黄铁矿、 黄铜矿和辉钼矿等 [10 ]。废矿堆、 堆浸场、 采 矿场以及矿区的一些氧化富集带中大量的贫铜废矿 及黄铁矿等在南方潮湿氧化的环境以及雨水冲刷淋 滤作用下,形成不同铁矿物的次生富集带,造成不同 程度金属面源污染。 根据前人的经验与分析,矿山开采主要产生水 污染、 固体废弃物污染和植被污染3种类型,正确处 理好矿山开采与产生污染之间的关系非常重要。本 文主要通过02B星辅以02星数据对研究区进行 动态监测,分析矿山开采产生的动态变化,以此为依 据,研究矿山开采对生态环境造成的影响。 3. 1 植被信息提取 矿区的形成和扩大对矿区周围自然环境产生了 深远的影响,植物污染危害是矿区特定生态环境下 各种污染物长期作用的结果,是近地面综合污染的 生物效应。植被污染主要表现在矿上粉尘所造成的 大气污染以及各种废水和固体废弃物造成的酸碱和 重金属等毒害变异现象。由于植被在近红外波段有 50～60的强反射,在红光波段有强吸收,所以, 近红外波段/红波段得到的比值越大,说明植被长势 越好。植被长势好的区域,在图像上表现为高亮度, 暗的地方则说明植被的叶绿素含量低,植被长势差, 这有可能是植被受到重金属和酸碱等胁迫,植物的 理性特性发生变化的缘故。图像上黑色表示非植被 覆盖区,长势差的植被广泛分布在露天采矿场、 废石 场、 堆浸场以及矿区3大河流周围。由此可以断定 以矿区为中心的点污染造成整个流域内植被不同程 度地受到破坏。通过波段运算,提取出2007年与 2008年的植被信息如图2所示。 图2 2007年2月左, 02星数据与2008年4月右, 02B星数据 4 、3波段比值图像 57 国 土 资 源 遥 感2009年 3. 2 矿山尾矿库信息提取 矿区中的尾矿库是用来放置固体尾矿和选矿废 水的地方,是矿区固体污染和水污染的污染源。在 本矿区中有1、2和4号尾矿库,每个尾矿库中都有 固体尾矿和选矿废水,随着时间的积累和治理的不 到位,这些废物会给周围的生态环境造成污染。由 于1号尾矿库已经不再使用,而且尾矿库中的固体 尾矿区大多已经复垦,因此,这里主要研究尾矿库中 的选矿废水区域。 本文使用的02B星CCD数据获取时间为2008 年4月7日, 02星数据获取时间为2007年2月28 日,虽然二者时间跨度比较小,但是仍然可以通过一 定的参数来分析得出一年内尾矿库范围的变化情况。 图像经过处理、 编辑之后,圈出2、4号尾矿库的 选矿废水区作为研究区,并进行了编号,分别为a 和b,如图3所示。 图3 2007年2月左, 02星数据和2008年4月右, 02B星数据德兴矿区尾矿库信息提取 通过对不同时间2幅影像对应研究区进行范围 大小的统计,分析它们的范围变化情况。具体数据 如表2所示。 表2 2、4号尾矿库面积统计 面积 2号尾矿库4号尾矿库 ab 2007年面积/km20. 6332. 520 2008年面积/km20. 5732. 761 两年面积差/km2- 0. 060 30. 241 从表2可以看出, 2008年选矿废水区面积比 2007年增加了0. 180 7 km 2 ,变化虽然不大,但也说 明随着矿山的开采,废渣、 废液等废弃物在增加,如 果处理不当,会对周围耕地、 植被和水体等造成污 染,进而破坏周围的生态环境。由于02B星CCD相 机数据分辨率只有19. 5 m,而且波段相对较少,很 难从光谱角度提取水体污染和铁、 铜等金属元素对 植被、 水体等的污染信息,只能从宏观角度,通过研 究区面积的变化情况来分析矿区开采带来的一系列 环境变化情况。 矿区中水污染主要有碱性污染水和酸性污染 水。酸性废水虽然所占面积不大,但是除部分流入 废水调节池外,其余沿地表径流扩散,造成流域内广 泛的酸性污染,如大坞河的污染等。所以,不能忽视 对酸性水的监测、 治理。 3. 3 露天采场和废石场的信息提取 德兴铜矿包括2个露天采场和2个废石场。露 天采场范围的变化能说明铜矿的开采情况;废石场 范围的变化不仅能说明矿山开采的程度,而且可以 说明矿山开采过程中所产生的固体废弃物的多少, 以及由此而可能带来的矿山周围环境的变化情况。 采用与尾矿库信息提取相同的方法,提取出露天采 场和废石场的信息如图3所示。其中,编号c、e为 废石场,编号d、f为露天采场。它们面积范围的变 化同样也反映了矿山开采情况以及它们对周围环境 的影响,如表3所示。 表3 露天采场和废石场尾矿库面积统计 年份 露天采场面积/km2 铜矿区采场d富家坞矿区采场f 废石场面积/km2 祝家废石场e西源废石场c 2007年4. 9451. 5721. 7492. 480 合计6. 5174. 229 2008年4. 8381. 8281. 7462. 508 合计6. 6664. 254 两年面积差值/km20. 1490. 025 67 第1期于艳梅,等 基于CBERS - 02B星数据的矿山开采环境变化动态监测 以德兴铜矿为例 从表3可以看出,露天采场的总开采面积有所 增加,增加值大约为0. 149 km 2 ,而废石场增加的面 积大约是0. 025 km 2。这说明 ,矿山开采范围在扩 大,废石场的废石也在增多。另外,由于重金属污染 主要分布在露天采场、 废石场和堆浸场等区域,而 且,裸露区没有植被覆盖或覆盖率很低,矿石、 废石 和尾矿重金属硫化物在风化作用下,经氧化淋滤次 生重金属氧化物,特别是黄铁矿、 黄铁甲矾等次生铁 化合物逐渐富集,形成重金属污染。同时,在风化作 用过程中,花岗岩类和变质类岩石中长石类矿物解 体并衍生成粘土矿物,由于粘土矿物具有一定的吸 附性,极易吸收重金属离子,从而形成重金属污染。 由此可以得出,这些数字的增加不仅仅意味着铜矿、 尾矿和选矿废水等的增多,也意味着重金属污染的 增加,因此会对周围耕地、 植被等造成污染,进而对 周围的生态环境造成不同程度的破坏。 图4和图5反映了上述的变化情况。 从图4、5中可以看出, 2008年矿区的采矿场、 废 图4 2008与2007年区对区相减分析 图5 2008与2007年区对区判别分析 石场和尾矿库等的范围比2007年有所扩大,说明矿 山开采的力度在加大,开采过程中产生的废矿、 废 渣、 废水等也会增多,如果处理不好,势必会给矿区 的植被、 水体、 土壤及周围的生态环境等造成污染。 因此,根据对矿山开采的动态监测,制定合理的矿山 开采环境治理措施,为矿山以后的开采提供保障,也 为周围的生态环境的保护起到重要作用。 4 结论 1德兴矿山的动态监测结果表明,矿山的开 采力度在增大,开采过程中产生的固体、 液体等废弃 物在增加,因而会带来重金属、 废水、 固体废弃物等 各种污染,造成周围植被、 水体和耕地等的污染以及 周围生态环境的破坏。 2矿山开采产生的多种污染物,将随着降雨 过程而扩散,通常流入矿山附近的河流、 湖泊等水 体,造成水环境恶化。 3利用02B星辅以02星 CCD数据对德兴 矿山开采进行的动态监测结果,不仅可以监测矿山 的开采情况以及对周围生态环境的影响,而且可以 根据监测结果,对矿山开采和矿山环境治理提供依 据,有利于以后进一步的开展矿山工作。 当然,由于矿山环境比较复杂,数据和资料的有 限性,有些信息的提取相对比较困难,精度也不是很 高,这些都有待于以后继续探索与研究,努力使02B 星数据在矿山遥感动态监测得到更为广泛的应用。 参考文献 [1] 张成梅.加入WTO背景下我国矿产资源的形势与对策[J ].中 国地理, 2002, 6 15 - 16. 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Based on data from the CBERS - 02B and CBERS - 02 satellite, thispaper dynamically monitored and analyzed the Dexing mine in order to study the adverse influence on the environment .The result shows that this study can provide the decision - making and analogys for the reasonable development of the mine, the environmentmonitoring and the sustainable development . Key words CBERS - 02B satellite; Remote sensing; Mine exploitation; Dynamicalmonitoring 第一作者简介于艳梅1981 - ,女,在读硕士研究生,主要研究方向为地图制图学与地理信息工程。 责任编辑肖继春 上接第22页 THE SI M ULATOR FRAM EWORK OF DYNAM IC I MAGING OF THE 02B HR OPTICAL REMOTE SENSOR BASED ON LAND AND RESOURCES MANAGEM ENT APPL ICATI ON ASSESSM ENT QI U Zhen - ge 1,2 , G AN Fu - ping 3 , Y OU Shu - cheng 4 , Y UE Qing - xing 1,5 , ZHANG Chun - ling 6 ,JI A Yong - hong 5 1. Key Laboratory of Geo-infor matics of State Bureau of Surveying and M apping, Chinese Academ y of Surveying and M apping, Beijing100039, China;2.Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing100080, China; 3.China Aero Geophysical Survey 4.China Land Surveying and Planning Institute, Beijing100035, China;5. Scholl of Rem ote Sensing and Infor m ation Engineering,W uhan University,W uhan430079, China;6.Henan Bureau of Surveying and M apping, Zhengzhou450003, China Abstract In this paper, the authors’simulation technical framework focuses on the simulation of degeneration of the radiometric and geometric qualitiesof the imageswhich constitute the fundamental criteria in land and resources management application.The authors have given a detailed description of the framework for digital simulation of the high resolution optical sensor and verified itwith CBERS - 02B satellite equipped with a high resolution optical sen2 sor of 2. 4m ground sample resolution. A potentially improved simulation framework is also put for ward. Key words CBERS - 02B satellite; High resolution optical remote sensor; Si mulation of imaging;I mage quality 第一作者简介邱振戈1966 - ,男,博士,研究员, IEEE member,中国生物医学工程学会高级会员,主要研究方向摄影测量 与遥感、 计算机视觉、 并行图形图像处理及医学图像处理,已在中外期刊或国际会议发表论文30多篇,获得多项部级一等奖、 二等奖和发明专利。责任编辑李 瑜 87