基于遥感和GIS技术的北京市矿产资源开发状况监测研究

基于遥感和GIS技术的北京市矿产资源开发状况监测研究【来自】国土资源信息化作者：王永刚时间：09-03-0710:51摘要：本文以矿产资源的非法开采监侧为主题，利用遥感和GlS技术工具，采用图形图像语言和简便的计算机表达方式，为北京市矿产资源的开发管理、低成本快速高效打击非法采矿行为提供科学执法依据。最后以房山区大安山地区矿山开采现状为试点进行了实验，效果良好。关键词：矿产资源开发；监测；遥感；GIS1前言北京是一个矿产资源较为丰富的地区，全市已发现矿种67种，矿床和矿点产地476处，其中经过地质勘探工作探明列人国家储量表的矿种有44种，以煤炭、铁矿、建材用非金属和建筑用砂石矿产为主。矿产资源开发能够造福人类，但同时也会造成生态环境破坏[1-2]，特别是一些地区特定的矿产资源乱采滥挖引起的环境污染、资源破坏和矿山地质灾害等一系列问题更为严重[3]。如何及时发现这些现象，并对其实施有效监管，是当前进行矿产资源开发管理所面临的重要课题。由于北京市的矿产资源主要分布于北部和西部山区，地形复杂、交通不便,如用传统的方法进行监测，不仅耗资巨大，而且无法及时准确掌握用于矿产资源开发与管理的多元信息。随着卫星遥感技术的不断发展，商业化的资源卫星数据的空间分辨率和光谱分辨率越来越高，利用该技术手段在全国范围内对矿业秩序混乱地区、生态环境破坏严重或灾害多发地区的矿产开发点的分布状况、固体废弃物堆放情况、矿产开发引发的环境问题进行监测已经是必然的趋势[4]。遥感技术能够迅速、动态地获取大范围环境信息，具有传统方法难以比拟的优势[5]。遥感监测信息不仅客观性好、现势性强、时效性高、无人为干扰因素，而且信息的定性、定位和定量精度高，能够客观、快速、准确地提取矿产资源开采点的空间分布、数量及相应的开采状态。本文充分应用遥感技术、地理信息技术和全球定位技术搭建可视化平台，以北京市房山区大安山地区煤矿开采现状为试点进行遥感调查和监测。试图以矿产资源的非法开采监测为主题，利用遥感技术手段，采用形象的图形图像语言和简便的计算机表达方式，为北京市国土资源部门进行矿产资源的开发管理、低成本快速高效打击非法采矿行为，提供科学执法依据。2利用遥感手段进行矿产资源开发状况监测本文利用多种遥感平台获取的多种类、多时相遥感数据，采用多种遥感图像处理方法，室内对比提取矿产资源开发地采矿活动痕迹的影像信息，发现其不同时间段采矿活动痕迹变化信息。然后在野外实地建立采矿活动痕迹遥感解译标志，再对影像进行全面解译分析。以采矿权登记信息为合理开发依据，将采矿活动痕迹解译成果与采矿权登记范围进行叠合分析，以便筛选、界定出相更友时段非法盗采区域。最终形成监测成果图像、图件、统计分析成果，提供进一步执法检查，并能通过北京市矿产资源开发状况遥感动态监测系统展示。总体技术路线如图1所示：2.1遥感数据源选择目前，遥感数据源种类较多，各种数据的光谱分辨率、空间分辨率和价格差距都非常大。以较低的成本取得较好的监测效果，是大规模开展监测工作的前提。本文通过对不同数据源的分析、应用，确立了北京地区今后遥感监测采用以下几类应用比较广泛的遥感数据源：航摄数据、SPOT一5、QuickBird、IKONOS。2.2多源遥感数据处理矿山开采动态监测就是通过分析不同时期的卫星影像，从中提取、分析变化信息以实现其监测目的。如何利用所获取的各种影像将信息融合，并快速发现矿山开采及环境的变化，是矿山开采动态监测所要解决的基本问题，因而遥感图像处理工作非常重要。本文使用了波段选择、镶嵌拼接、几何纠正（正射校正、配准）、影像融合与增强处理等多种图像处理方法，具体技术流程见图2。2.3建立解译标志利用遥感技术监测矿产资源开发状况的一个重要环节，就是要客观的建立识别各类与采矿活动有直接或间接关系的地物影像标志。然后利用计算机自动识别技术与目视识别方法，从遥感影像上判读与采矿活动有关的信息，达到识别、解译采矿区的目的。对于高分辨率遥感图像，一般采用直接解译标志就可满足要求，可以清楚地观察矿山图斑结构信息；对于其属性，间接解译标志也很重要。本文试验区选择的遥感影像数据无论从几何精度、地物分辨率，还是从色调显示上都是最佳质量，所以根据建立的遥感影像综合解译标志读效果也十分理想。2.4变化信息提取本文采用了多光谱数据计算机自动识别与目视识别两种方式综合进行遥感监测信息提取。为了更好地提取各类信息，采取多光谱数据计算机自动识别与人机交互解译相结合的方法。在目视解译前，分别根据所建立的解译标志，对两种数据源的多光谱波段遥感数据作了自动识别处理。自动识别采取了最大似然分类等监督分类方法。从分类效果来看，QUICKBIRD、IKONOS数据能较好地提取各类信息；而SPOTS数据除识别小煤窑的煤矸石堆效果欠佳外，其它地类也大致可分。上述矿山主要地物类型在遥感影像上具有特殊的色调、阴影、纹理、色彩、边界、几何形态等表征。（1）提取与采矿活动有关的矿山主要地物类型的空间分布、范围、形态和数量信息直接利用多种遥感平台获取的多源、多时相遥感数据，采用多种遥感图像处理方法。在野外实地建立采矿活动痕迹遥感解译标志，再对影像进行全面目视解译分析，从而获得与采矿活动有关的矿山主要地物类型的空间分布、范围、形态和数量信息。（2）对比解译分析，提取与采矿活动有关的变化信息以前一时相遥感数据和监测成果数据为监测本底数据，将后一时段遥感数据与其叠合，对比提取、目视解译采矿活动痕迹的影像信息，发现其不同时间段采矿活动痕迹变化信息。在野外实地建立采矿活动痕迹遥感解译标志，再对影像进行全面解译分析，从而提取与采矿活动有关的变化信息。（3）目视解译使用ArcGIS制图软件通过计算机进行遥感解译，将遥感解译、专业制图、地物属性输入一次性完成，即完成了遥感解译的全过程，并为建设数据库奠定了基础。遥感要素解译的顺序依次是：交通道路→居民点、工矿企业→堆矿（石）区→采矿影响区→矿井位置→其他。在此之前，该地区尚不存在系统的监测数据资料，本底数据的建立是从零开始，凡是监测内容中涉及的所有要素都要进行解译。2.5外业调查验证（1）野外踏勘目的是对监测区内的矿区环境和采矿作业现场有一个感性认识，在头脑中建立起采矿区的三维立体印象，将需要解译的监测要素在遥感影像上显示的特征和实地情况之间建立一种直观的联系，从而完成室内遥感解译标志的建立。另外，通过踏勘可帮助制订合理的野外检查验证路线和采取的工作方法。（2）野外检查验证为保证遥感解译成果的准确性、可靠性以及解译的质量，待室内遥感解译工作全部完成后，选择了部分野外采矿点和室内建立的遥感解译标志进行野外实地检查验证。验证工作采用GPS定位、面积量测、现场拍照、环境描述、图斑定性等调查观测手段2.6数据库建设监测区内的矿山开发信息是在PCI软件平台上进行解译，按不同的解译内容形成ArcInfo格式文件，通过SDE导入到矿山数据库中，结合采矿证等矿山信息，对解译结果进行编码。遥感解译建库成果主要包括：1．矿点开发信息。在遥感解译结果的基础上，采用面向对象方法，以矿井（坑）为对象建立数据库属性表包括采矿范围、采矿许可证号、矿产种类、矿山建筑及尾矿等内容，并以户的采矿许可证为主键，把其它解译内容的采矿许正字段作为外键关联到矿点数据库中。2．矿山环境特征。主要包括堆矿（石）区、采矿影响区。对野外资料主要是采取表格化的格式来进行入库管理，把野外资料信息归纳成观察点号、观察点位及在坐标、观察点现场描述和照片4类信息、与矿开发有关的其它资料，如收集当地矿管部门提供的文档（如矿权登记资料）及多媒体数据等，按矿区导入据库中。2.7矿产资源开发监测系统建设“北京市矿产资源开采状况遥感动态监测系统”是以图形、图像、统计文档及调查研究成果等数据所构成的数据库为基础，在地理信息系统的平台上建立的可视化监测系统。该系统的基础数据主要包括地形数据、多时相和多比例尺的遥感数据（航飞、卫星遥感）、基础地质矿产图、矿产开发利用现状图、矿产资源规划图、探矿权和采矿权登记范围图、登记表等。主要功能包括系统初始化、查询浏览、对比监测、专题制图、滥采预警、虚拟显示、系统维护等功能。本系统采用C/S架构，采用美国ESRI公司的ArcGISEngine组件进行开发。ArcGISEngine是ArcGIS技术框架，以COM为基础，供开发者使用的一套组件，采用组件式开发可以增强和扩展ArcGIS桌面系统功能。开发者可以通过ArcGIS添加新的定制要素类型，可以添加新的工具或扩展ArcGIS数据模型。本系统开发语言选用MicrosoftVisualBasic，后台数据库为MicrosoftSQLserver2000或Oracle9i系统运行环境为操作系统win2000/xp。本系统主要四个功能模块，具体模块功能描述如图3、图4所示：3实验验证本文选取的监测实验区为房山区大安山乡，遥感监测数据源使用了航片、SPOT-5、IKONOS、QuickBird等多源、多时相数据。这些数据显示采矿区主要地物类型在影像上的纹理特征没有太大差别，各种地物在影像上的结构和色调与该季节地物的实际情况没有太大变化，因此只需建立遥感影像综合解译标志，如表1所示。基于上述所建立的解译标志，进行室内遥感解译工作。为保证遥感解译成果的准确性、可靠性以及解译的质量，待室内遥感解译工作全部完成后，选择了部分野外采矿点和室内建立的遥感解译标志进行野外实地检查验证。通过野外检查验证，结果表明：利用遥感技术方法对新增采矿信息的解译发现率在90%以上，对解译发现采矿信息的定量验证率可达100%,分类定性的准确率可达95%以上。为了使违规、违法采矿等信息能够清晰明了地在专题图中直观反映出来，我们选择了2005年10月份以前的采矿登记资料、2005年度大安山煤矿采矿年鉴、大安山煤矿数据库等数据资料，作为大安山煤矿资源开发状况遥感监测本底信息的基础资料。根据这些资料区分合法采区和非法采区，为矿产资源保护的执法工作提供了重要依据。大安山煤矿资源开发状况遥感监测本底信息的遥感解译使用的是2005年10月份的航空彩色正射影像。该影像无论从几何精度、地物分辨率以及色调显示上都是最佳质量，各种地物在影像上的结构和色调与该季节地物的实际情况没有太大变化，非常清晰直观，解译效果也十分理想。根据大安山试验区2005年10月采矿状况遥感监测成果图统计分析，我们获得了大安山监测区2005年10月采矿状况的详细统计数据如表2所示：对于大安山地区2005年10月至2006年11月间采矿变化状况遥感调查、监测，我们充分利用了2006年4月的美国IKONOS影像、2006年11月6日约美国快鸟卫星遥感影像与2005年10月航空正射影像进行对比眸译，取得较好的监测成果。此次工作重点是解译试验区内的堆矿（石）区、采矿影响区、矿井（坑）、治理区等4大类要素。将这4大类要素在2005丰10月至2006年11月期间变七（变化）区域解译出来，以表示其变化结果。通过表3、表4结果可以看出，该试验区于2005年10月至2006年11月期间，在国家和地方政府的充分重视下，北京市矿产资源管理部门采取了大量行之有效的管理措施，使其采矿活动得到明显遏制，矿区的生态环境得到一定改善。同时，在部分区域还存在监管不力的情况，非法采矿现象时有发生，与整顿治理形成反差，需要继续加大监测力度和监测范围。监测区内的矿山开发信息是在PCI软件平台上进行解译，按不同的解译内容形成Arclnfo格式文件，通过SDE导人到矿山数据库中，结合采矿证等矿山信息，对解译结果进行编码。最后可以通过建立的矿产资源开采状况遥感动态监测系统进行监测成果的查询浏览、统计汇总、动态监测以及虚拟显示等。4结论本项目以矿产资源的非法开采监测为主题，以遥感技术手段为主体，搭建可视化GIS平台，采用形象的图形图像语言和简便的计算机表达方式，为北京市国土资源部门进行矿产资源的开发管理、低成本快速高效打击非法采矿行为，提供了科学执法依据。通过该项目的实施，摸索出了一套适合长期动态监测的先进技术方法体系，从数据选取、数据处理、信J息提