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卫星遥感影像在稀土矿山动态监测研究

更新时间:2016-07-05

福建省稀土矿产资源丰富,目前已探明储量5万多吨,远景储量达到400万吨,位居全国第三,主要集中在闽西地区,以离子吸附性稀土矿贮存于酸性花岗岩岩体风化壳内,矿山多采用露天剥离开采法。近年来,随着我国社会经济的快速发展,及对稀土矿山开采和管理越来越重视,且稀土矿价值不断提高,导致部分地区仍然存在较多的滥挖盗采现象,造成国家矿产资源的重大损失和生态环境的极大破坏。而稀土矿分布于山林中,仅通过巡查手段很难发现盗采行为,这成为矿政部门亟待解决的问题。

遥感技术对地观察作为一种有效监测手段,可以实时、快速、准确地提取地表变化信息,成为快速、有效、动态监测稀土矿山的一种有效辅助手段,充分发挥GIS技术的优势[1,2]。尤其近5年,国内外高分辨率遥感卫星的快速发展,极大增强了对地识别能力。运用卫星遥感影像数据资源,开展稀土矿山开采现状与动态监测研究具有典型意义,也是实现资源保护的基本手段[3]

1 研究区数据源

选取福建省蛟洋矿山作为研究区,其位于新罗区和上杭镇交界处,离县城80 km,稀土矿产资源较为丰富,有稀土矿盗采现象。由于所处地理位置相对偏僻,且居于深山中,稀土矿盗采又具有周期短、转移快等特点,这加大矿政部门监督管理的难度[4]

1.1 数据源

研究区处于福建西部丘陵地带,气候属于亚热带,地表大部区域被植被所覆盖,给卫星遥感监测工作增加了难度。考虑开采区面积小,且相对集中,为了使误差减小到最小程度,必须选取高分辨率的卫星遥感影像。收集RapidEye、遥感二号、QuickBird等时相跨4个年度的高分卫星影像数据(表1)进行分析。

表1 各时相卫星遥感影像参数 Table 1 Parameters of satellite remote sensing images in each phase

卫星影像数据成像时间(年)地面分辨率(m/dpi)全色波段多光谱波段RapidEye2010-5RapidEye2011-5遥感二号20122-QuickBird20130.612

1.2 数据预处理

卫星影像数据预处理是应用研究的基础,数据处理基于ERDAS IMAGINE 2010版、PHOTOSHOP V10.3软件平台,以1∶10 000 DEM、1∶10 000 DLG为基础测绘数据,对2010年 RapidEye影像数据进行几何校正。然后再将2011年RapidEye、2012年的遥感二号、2013年QuickBird影像数据参照2010年的RapidEye影像数据做配准校正。空间参考系采用1980西安坐标系和高斯-克吕格平面投影。影像的纠正及配准采用三次卷积重采样。其中,QuickBird影像包含全色与多光谱数据,通过多波段数据融合可以优势互补,增大可用信息量,有利于提高信息提取精度。采用pansharpen数学模型算法,使得融合后的图像大大提升了影像的解译精度,且方差明显、图像清晰、信息量更加丰富,能更好地显示影像地物的纹理信息。

图1 监督分类技术流程图 Fig.1 Flow chart of the "supervisory classification technology"

2 监测原理与方法

2.1 监督分类

研究区动态监测采用“监督分类[5,6]”方法进行分类。“监督分类”又称“训练场地法”,利用被确认类别的样本像元,去识别其他未知类别像元的过程。在分类之前,通过目视判读和野外调查,对遥感图像上划定某些样区中影像地物的类别属性为先验知识,对每一种类别选取一定数量的训练样本,利用计算机计算每种训练样区的统计(或其他)信息。同时,用这些种子类别对判决函数进行训练,使其符合各种子类别分类的要求,用训练好的判决函数去对其他待分数据进行分类。把每个像元和训练样本作比较,按相似性规则将其划分样本归类,完成对整个图像的信息分类,监督分类技术流程图(图1)。

2.2 类别定义与特征判别

分类器选择标准依据分类的复杂度、精度需求等来确定。“监督分类”可分为基于传统统计分析学和基于模式识别,基于传统统计分析学主要包括平行六面体、最小距离、马氏距离、最大似然等,基于模式识别主要包括支持向量机、模糊分类等。

2.3 样本选择

3.2.2 进行教学改革 首先,按照科学的标准进行课程设置。武进少体校必须以本校运动员的现实状况作为参考,根据运动员的时间和实际要求,结合苏教版教材的特点和学校实际情况,在不脱离国家义务教育背景的基本前提下,重新修改和制订一个既注重运动员基础文化知识和基本技能的传授,又利于学生德、智、体劳全面发展的课程体系。在此基础上,建议武进少体校能够编写与本校运动员的文化学习基础相适应的教学大纲和教材体系。

依据影像数据自身的特征、影像分类目的和分类区的信息综合确定分类系统方案,对影像进行特征判断;并对图像质量做出评价,来确定是否需要进行影像增强等预处理。该过程主要是以目视查看为主,为后续样本的选择奠定基础。

稀土矿山遥感动态监测研究包括两方面,一方面通过影像特征,建立稀土地物解译标志,针对稀土矿山开采的乱采滥挖现象;另一方面通过影像处理及分析,比对多时相高分辨率影像,开展稀土矿山开采动态监测评估。

2.4 影像分类后处理

影像分类后处理方法包括多步骤,具体由小图斑的处理(分类后处理)及栅格数据转换成矢量数据等操作。由于运用影像分类处理后,不可避免地会产生一些较小面积的图斑。无论从专题图制作或实际应用的角度出发,都必须对这些小图斑进行剔除和重新再分类处理。分类后处理主要将栅格数据转换成ArcGIS 9.3软件的shp矢量数据格式,以便动态监测对比统计分析。 对分类后结果进行分析评价来确定分类的精度和可靠性。目前有混淆矩阵法、ROC曲线法两种方式用于精度验证,通常采用混淆矩阵法计算,而ROC曲线法则采用图形比对方式反映分类的精度。

通过2011年、2012年和2013年3个时相影像对比[9],分析表明2011年后该稀土矿山开采面积及影像纹理已无明显变化。因此,仅通过2010年与2013年两个时期的影像数据比对分析,选用“最大似然分类法”比对检测,动态监测矿山开采面积变化,以推理实际开采面积变化情况,具体的矿山动态监测技术路线(图2)。

3 稀土矿山遥感动态监测研究

此次采用的“最大似然分类法”,其原理是通过假设每一个波段的每一类统计都呈现正态分布时,对给定的像元属于某一训练样本的“似然度”进行计算,最终将该像元归并到“似然度”最大的那类中。

在非手术部位用不同形状棉毯保护的方式虽然可以通过覆盖减少散热面积,但所阻挡的散热量有限,无法抵御其他因素造成的热量散失。因此,术中体温下降明显,切皮后各时间点的体温均<36℃与输液加温组比较差异有统计学意义(P<0.05)。

3.1 稀土地物解译标志建立

收集4个时相卫星影像(2010~2013年)进行动态变化分析。在影像清晰度方面,QuickBird纹理清晰度最高,与周边地物差异明显。遥感二号纹理清晰度比RapidEye高[8]。研究结果表明QuickBird影像数据光谱信息较为丰富,纹理和轮廓也较为平滑,且从数据质量角度来看,3种遥感影像数据对稀土动态变化监测是可行(照片2)。

针对每一种类别选取一定数目的样本建立样本分类函数。使用ERDAS IMAGINE 2010版软件中AOI的功能程序圈定样本范围,亦可将ArcGIS 9.3矢量shp格式的文件转化为AOI文件。

照片1 稀土矿山地物类型 Photo.1 Surface object types of rare earth ore

a—高位池; b—晾晒坪;c—沉淀池;d—矿山建筑

3.2 稀土矿山动态变化监测

针对处理后的SPOT5多光谱波段蓝、绿、红,321波段融合图像,建立解译标志。研究区的稀土开采主要采用原地堆浸法,矿山地物包括高位池、晾晒坪、沉淀池、矿山建筑[7]等地物解译标志(照片1)。其中,高位池分布在较高的山顶,呈规则的长方形,假彩色合成图上呈现紫色或紫红色;晾晒坪分布在矿区周围,呈白色规则的多边形;沉淀池分布较为集中,呈圆形和长方形,假彩色合成图上呈现紫色或紫红色;矿山建筑分布矿区边上,呈蓝色或黄色的规则长方形。

照片2 研究区各时期影像图 Photo.2 Images of each period in the study area

a—2010年RapidEye;b—2011年RapidEye;c—2012年遥感二号;d—2013年QuickBird

动态监测利用遥感影像时效性和间断性的特点,基于多时相对影像数据进行对比,根据影像地物特征,结合数据时相、地域特点、地形、周边环境等综合要素进行分析。从地形特征来看,由于开采面是不断开挖的山体,一般均低于周围地形;从影像纹理来看,开采面纹理较为杂乱,通过浸泡池、晾晒场等解译标志,初步判定该矿山为稀土矿山。同时通过多时期影像综合对比分析,发现2010年该矿山在开采,且通过2011年、2012年、2013年3个时相影像对比,发现该矿山在影像上无明显变化特征。因此,可以初步判定,2011年后已经停止开采。为了验证解译情况,2013年11月实地进行核实,现场有废弃多年的稀土矿浸泡池、晾晒场等典型的稀土矿地物,且已无明显新开采痕迹(照片3)。

第四,知识的内部化过程。是个体或组织吸收显性知识并使其转化为新的隐性知识的过程。其实,就是组织学习、理解、消化组织内相关知识的过程,目的是拓宽、延伸和重构组织成员的隐性知识,以提高其应对环境变化的实际工作能力。

照片3 2013年QuickBird影像与实地踏勘 Photo.3 QuickBird imaging and field prospecting in 2013 year

糖尿病作为临床常见的慢性疾病之一,其临床表现为血糖指标持续上升,而肺结核是糖尿病最为严重的并发症之一,其发病率呈逐年递增趋势,造成糖尿病并发肺结核患者人数不断增多。相较于单一性肺结核,糖尿病并发肺结核的病情更为复杂,二者影像学表现呈现明显差异性[1]。有研究资料显示,糖尿病并发肺结核患者实行准确临时的诊断,对于改善预后效果及予以治疗指导具有不可比拟的积极作用。由此可见,做好糖尿病并发肺结核患者的诊断工作意义深远。鉴于此,该文选择2016年5月—2017年5月收治的98例患者为研究对象,重点探究糖尿病并发肺结核诊断中应用CT检查的价值,现将研究结果报道如下。

图2 稀土矿山动态监测技术路线图 Fig.2 Technical roadmap chart for dynamic monitoring of rare earth mines

基于ERDAS IMAGINE 2010版软件,以2010年时相影像作为空间参照基准,将2013年时相影像数据进行几何配准,然后对配准后的两期影像数据采用“最大似然分类法”进行分类处理,以确定稀土矿开采区域的范围,并将处理后的数据转化为矢量数据,同时对产生的错误信息(如山间小路)进行删除。最后在ArcGIS软件中通过空间对比分析两期矢量数据,叠合对比分析得出面积量算[10]变化情况(图3),2010年面积为57 215.7 m2,2013年面积为57 797.62 m2,图斑范围未变化的部分为56 210 m2,计算得出该稀土矿山开采面积增加了1 587.62 m2,矿山面积减少1 005.7 m2

图3 研究区稀土矿山动态变化监测图 Fig.3 Monitoring map of dynamic changes of rare earth mine in Research area

a—2010年稀土开采区域提取结果;b—2013年稀土开采区域提取结果;c—变化信息提取结果

4 结语

(1)通过建立稀土矿山地物解译标志,研究影像数据后处理技术方法对比分析4个时期卫星遥感影像数据变化信息,开展稀土矿山动态监测应用研究。研究结果表明该方法用于稀土矿山活动的动态监测是可行的。利用计算机信息提取技术,对2010年和2013年两期影像进行分类,选取合适的训练区,采用“最大似然分类法”,将分类后的栅格数据转换成矢量数据并进行空间分析,通过圈定稀土矿山新增开采面界线以确定稀土矿山开采面动态变化情况,从而更快速有效地为矿政管理部门监管稀土矿山提供有效手段及信息服务。

混合装配流水线的突出特征即装配工位上零部件的多样化。如图6所示,每个工作站上既有产品A的零部件,又有产品B的零部件,两种产品的零部件之间可能差距很小;同时也有通用的零部件。

(2)相对于高分辨率影像数据而言,RapidEyein影像空间分辨率仍然不够高,比较难识别稀土的相关解译标志,需要进行大量的外业调查工作来验证。由于福建南方山区气象条件复杂,云层厚、雾气大,数据获取时间通常为每年10月到次年的2月,对高分辨率的遥感数据获取存在一定困难。同时高分辨率遥感影像数据大多为国外卫星且价格不菲,建议今后加强使用高分一号等国产卫星影像对稀土矿山监测研究,降低数据购买成本。

本文承蒙张书煌教授级高级工程师的悉心指导、审阅,并提出宝贵修改意见,在此表示衷心感谢!

参 考 文 献

1 冯德俊,李永树,兰燕.基于主成分变换的动态监测变化信息提取.计算机工程与应用,2004,36.

2 刘纪远.国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究.遥感学报,1997,1(3).

3 刘纪远.中国资源环境宏观调查与动态监测.北京:中国科学技术出版社,1996.

4 雷国静.赣州市龙南地区稀土矿矿山开采现状与动态监测遥感研究.北京:中国地质大学,2006.

5 梅安新,彭望录,秦其明,等.北京:高等教育出版社,2001.

6 杨存建,周成虎.基于知识的遥感图像分类方法的讨论.2001,1.

7 朱元峰.基于资源一号卫星高分影像的稀土矿山地物信息提取研究.江西:江西理工大学,2014.

8 代晶晶,王瑞江,王登红.高分辨率遥感数据再离子吸附型稀土矿山的调查中的应用.遥感技术与应用,2014,29(6).

9 徐美,黄诗峰.遥感用于土地利用变化动态监测中的若干问题探讨.遥感技术与应用,2000,15(4).

10 刘涛,岳彩荣,黄彬.基于“3S”的小流域土地利用变化动态监测.林业调查规划,2006,31(2).

(3)C表示第r次摸到黑球是在第k次摸球时发生,我们仅需考虑前k次摸球即可,此时样本空间有(M+N)k个样本点。第k次摸到黑球,有M中可能,而前k-1次摸到r-1个黑球,由二项概率计算有中可能,故C中有M个样本点,由古典概率定义有

胡一鸿
《福建地质》 2018年第01期
《福建地质》2018年第01期文献

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