基于IKONOS数据的赣南离子吸附型稀土矿非法开采监测研究

代晶晶, 王瑞江, 王登红, 陈郑辉

中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037

基于IKONOS数据的赣南离子吸附型稀土矿非法开采监测研究

代晶晶, 王瑞江, 王登红, 陈郑辉

中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037

随着稀土价值的不断攀升, 稀土资源乱采滥挖现象日益严重, 如何快速准确地进行稀土矿山非法开采监测成为相关政府部门管理的重中之重, 高空间分辨率遥感技术为解决上述问题提供了思路。本文选取赣南寻乌地区离子吸附型稀土矿区为研究区, 运用IKONOS遥感数据结合矿权资料建立了离子吸附型稀土矿山非法开采解译标志, 结合地质岩体资料分析了稀土矿山开采重点监测区域。研究表明高空间分辨率遥感数据处理与分析为离子吸附型稀土矿矿山非法开采快速、准确、动态监测提供了良好的技术手段。

高空间分辨率; 遥感数据; 离子吸附型稀土矿; 非法开采监测

离子吸附型稀土矿是1969年在我国江西首次发现的一种新型稀土矿, 该矿具有分布广、储量丰富、放射性低、稀土配分齐全, 富含中重稀土元素等优势, 是我国目前特有的稀土矿产资源, 也是世界上稀缺的矿种, 广泛分布在我国南方的江西、福建、湖南、广东、广西等省, 其中江西省所占份额最大(池汝安等, 2006)。近年来, 由于对稀土资源需求量的不断增加和稀土价值的不断攀升, 致使稀土矿区开采规模扩大, 一些不法商人或单位为谋取暴利, 超出矿权范围违法开采稀土矿。因此,如何快速、有效、动态地监测离子吸附型稀土矿山非法开采活动成为一个重要的科学和社会问题。

赣南离子吸附型稀土矿山分布于崇山峻岭之中, 交通不便, 如果使用普通监控手段不但费时费力, 而且工作效率很低, 矿山管理的难度较大。遥感技术作为一种新技术手段, 可以实时、快速、准确地提取地表及浅地表信息(王海平等, 2005; 杨金香等, 2010; 闫立娟等, 2012; 代晶晶等, 2012), 可以弥补以往矿山环境调查中人工采集信息的时效性差、采集范围有限和采集信息的地方保护等不足。特别是近年来高空间分辨率遥感卫星得到了长足的发展, 商用卫星的分辨率高达 0.5 m左右, 使得地物识别能力大大增强(凌春丽等, 2010; 李思发等,2011; 孟丹等, 2011; 南竣祥等, 2012; 郝利娜等,2012), 空间分辨率的提高为稀土矿山非法开采监测提供了良好的数据保障。

前人运用遥感技术对稀土矿山开采现状监测进行了相关研究工作(王瑜玲等, 2006; 王瑜玲,2007; 王平等, 2007; 王陶等, 2009), 但是对于离子吸附型稀土矿区非法开采解译标志尚无深入研究, 仅仅是对稀土矿区地物类型进行了简单的分类和统计。本文采用 IKONOS高空间分辨率遥感数据, 以赣南寻乌地区离子吸附型稀土矿山为例,开展稀土矿山非法开采解译标志的进一步研究,区分出了图像获取时间正在非法开采的图斑和图像获取时间之前非法开采遗留的图斑两类疑似违法图斑, 并结合地质岩体信息分析了今后需要重点监测的区域。这一研究揭示了高空间分辨率遥感技术在离子吸附型稀土矿山非法开采监测中的应用潜力, 同时研究结果可以为矿政管理部门制定矿产资源规划、整顿矿产资源开发秩序等提供技术支持和决策依据。

1 赣南离子吸附型稀土矿山开采方式

在离子吸附型稀土矿的开采史上, 共采用过3种开采方式: 池浸法、就地堆浸法和原地浸矿法。池浸法是最早使用的一种开采方式, 即把含有稀土的土壤运到固定的浸矿池, 沉浸 24小时后, 再回收液体, 沉淀出稀土元素。就地堆浸工艺开采方式在原理上与池浸法基本相同, 只是在含有稀土矿的地区开采后, 就地堆砌堆浸场, 进行稀土矿提取。原地浸矿法是在不破坏矿体地表植被, 不开挖表土与矿体的情况下, 布置井网, 利用一系列浅井(即注液井)将电解质溶液直接注入矿体, 电解质溶液中的阳离子将吸附在稀土矿物表面的稀土离子交换解析下来, 形成稀土母液, 然后收集浸出母液在沉淀池中回收稀土(赵靖等, 2001; 高志强等, 2011)。目前南方离子型稀土矿开采方式中池浸法、就地堆浸法基本被废弃, 主要开采方式为原地浸矿法(池汝安等, 2007; 祝怡斌等, 2011)。这三种开采方式均为地表开采, 开采过程均会在地表留下痕迹, 故运用高空间分辨率遥感技术可以对矿山开采现状进行监测。

2 研究区概况及数据源简介

本文选择的研究区位于赣南寻乌地区, 寻乌地处江西东南端, 地理位置如图1所示。所用IKONOS数据拍摄时间为2011年7月24日。IKONOS卫星于1999年9月24日发射成功, 是世界上第一颗提供高分辨率卫星影像的商业遥感卫星。高度为681 km, 轨道倾角98.1°, 太阳同步准回归轨道, 重访周期为 3天, 它共有 5个工作波段, 多光谱波段空间分辨率为4 m, 全色波段空间分辨率达到1 m,成像幅宽为11 km × 11 km, 各波段具体技术参数如表1所示(宋刚贤等, 2009; 丁丽等, 2010)。

3 IKONOS图像处理

图1 研究区地理位置图Fig. 1 Location of the study area

表1 IKONOS各波段技术参数表Table 1 Parameters of various bands of IKONOS

表2 IKONOS数据各波段相关性Table 2 Correlation of various bands of IKONOS

表3 寻乌地区稀土矿山各种地物解译标志(以IKONOS 341波段组合图像为例)Table 3 Interpretation key of various objects of rare earth ore in Xunwu area(with color composition of IKONOS 341 bands as an example)

图2 寻乌地区疑似违法图斑遥感解译图(以IKONOS341波段彩色合成图为例)Fig. 2 Remote sensing interpretation of suspected unauthorized mining area in Xunwu(with color composition of IKONOS 341 bands as an example)

IKONOS图像处理主要包括几何校正、数据融合及最佳波段选择。几何校正的步骤是多光谱波段基于Google Earth参考选取控制点进行多项式法几何校正, 全色波段基于校正后的多光谱波段进行多项式法几何校正。多光谱与全色波段图像融合的方法主要包括主成分变换、乘积变换、Gram-schmidt变换和小波变换等, 通过 ENVI遥感图像处理软件进行处理, 最后选用目视效果最好的Gram-schmidt变换结果。基于融合后结果, 采用分析各波段的相关系数矩阵来决定波段的最佳组合方式(赵英时, 2003)。从波段相关性来看(表 2),2波段和 1波段、3波段的相关性都较大, 而 3波段和 4波段相关性较小, 而且从单波段影像上可以发现 2波段和 1波段图像整体亮度值偏低,地物反差较小, 在1波段上泥沙中的酸性液体反射较高。3波段上泥沙、矿区反射都很高, 地物反差较大, 各种地物易识别和区分。4波段上植被反射高, 所以图像整体偏亮。为了提取丰富的地物信息,选取3、4、1波段分别赋予红绿蓝进行假彩色合成(图 2)。

图3 寻乌地区稀土矿山各种地物图像特征Fig. 3 Image characteristics of various objects in Xunwu area

图4 违法图斑的判定及野外调研图片Fig. 4 Determination of unauthorized mining area and photographs of field survey

4 矿权数据及地质岩体信息的叠加及分析

4.1 稀土矿山基本地物类型解译标志的建立

图像信息和地物的地表特征二者间的内在联系可通过解译标志有效地联系起来。任何可视地物要素在其遥感影像上都具有一定的光谱特征、几何特征及其它辅助特征。其中光谱特征在视觉上最直观的反映就是色调, 几何特征在视觉上最直观的反映就是形状, 其它辅助特征在视觉上的直观反映有阴影、纹理及影像结构。所谓影像特征分析就是从色调、形状、阴影、纹理及影像结构等方面对提取的可视地物要素进行影像的定性分析。通过对这些地物要素影像的定性分析, 总结、归纳出这些地物要素各自所具有的影像特征, 以此作为这些地物要素的解译标志和依据(王晓红等, 2004), 并通过野外实地验证和修改。研究区内地物类型多样, 通过研究收集的的资料、野外踏勘, 以及对IKONOS图像341波段究收集彩色合成后, 综合分析影响解译要素, 可以建立稀土矿山基本地物类型解译标志, 主要包括尾砂区、高位池、晾晒坪、沉淀池(浸液池)、建筑物等(表3, 图3)。

图5 矿权及岩体信息叠加图Fig. 5 Stacking chart of mining right data and geological rock masses data

4.2 疑似违法图斑的圈定

基于稀土矿山基本地物类型解译标志, 可以进一步圈定疑似违法图斑。寻乌地区拥有矿权的矿区主要包括上甲园墩背、南桥下廖、石排涵水、上甲柯树塘、原矿生产、双茶亭共计6个矿区。在ArcGIS软件中, 将IKONOS遥感数据与寻乌地区矿区矿权边界叠加分析, 发现在矿权边界以外存在多处稀土矿山地物特征的区域, 共圈定了 21个疑似违法图斑区域(图2)。

4.3 非法开采解译标志的建立

图2圈定的疑似违法图斑主要包括两种: (1)之前存在非法开采活动遗留的疑似违法图斑, 但是在图像获取时间非法开采活动已停止; (2)在图像获取时间非法开采活动还在进行。根据这两种情况, 分别可以建立相应的非法开采解译标志。区分这两种疑似违法图斑的判断依据主要为观察图像上沉淀池(浸液池)及矿区周边河流的颜色, 如果图像上沉淀池(浸液池)及矿区周边河流的颜色同正常水体相比存在异常, 则判定此矿区图像获取时间非法开采活动还在进行; 如果图像上沉淀池(浸液池)及矿区周边河流的颜色同正常水体相比基本无变化, 则判定此矿区图像获取时间无非法开采活动。主要原因是化学药剂的加入及浸液对周边河流的污染,使得沉淀池(浸液池)及矿区周边河流的颜色和正常水体的颜色存在着很大的差异, 在 IKONOS 341彩色合成图像上正常水体呈蓝黑色, 而加入了化学药剂的水体颜色呈现出粉色、紫红色特征。如果矿山正在生产, 则沉淀池(浸液池)及矿区周边河流的颜色存在异常; 而如果长期处于停产状态, 由于南方雨水的淋滤, 沉淀池中化学药剂的浓度较低, 基本和正常水体颜色接近。基于此认识,我们对其中的一些图斑进行了野外调研, 可见上述结论是可行的(图4)。

图6 预警区域提取结果图Fig. 6 Extraction result image of warning areas

4.4 地质岩体信息的叠加与分析

因赣南离子吸附型稀土矿主要分布在中酸性花岗岩及火山岩体中(张祖海, 1990; 池汝安等, 1995;于扬等, 2012), 故地质岩体信息在研究过程中十分重要。在ArcGIS软件中将1:5万地质图中岩体信息与矿权数据叠加(图 5), 可见目前稀土矿开采区域主要位于地质岩体信息之中, 整体上符合地质规律,但是在开采区域的外围岩体中还存在多处未开采痕迹, 这些未开采的区域一方面可以作为今后离子吸附型稀土矿预测的依据, 另外可以作为今后相关政府管理部门需要重点监测的区域, 即预警区域。预警区域提取的思路为: 首先在ENVI遥感图像处理软件中运用监督分类方法提取图像上稀土矿开采区域, 然后在ArcGIS软件中将岩体信息和开采区区域信息进行叠加相减操作, 可以快速得到预警区域范围, 如图6所示。

5 结论

本文通过运用 IKONOS遥感数据在赣南离子吸附型稀土矿区进行非法开采监测示范研究, 根据矿权信息与图像的叠加分析, 可以圈定疑似违法图斑, 根据矿区浸液池沉淀池和矿区周边河流中的颜色可以进一步确定是否处于非法开采状态。根据地质图中岩体信息与矿权数据叠加分析, 可以圈定今后应该重点监测的区域。但是目前研究中也存在一些问题, 主要包括: 1)离子吸附型稀土矿主要分布在南方地区, 由于南方多云多雨的气候特征, 高空间分辨率遥感数据的获取存在一定困难, 建议每年的 11月份到次年的 3月份进行数据获取, 也建议开展雷达数据在稀土矿山监测的应用研究, 以弥补光学数据受天气影响的局限性。2)由于高空间分辨率遥感数据购买价格较高, 应加强国产卫星如中巴资源 02C星、资源3号卫星在稀土矿山开采监测中的应用研究。

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The Investigation of Unauthorized Mining of Ion-absorbed Rare Earth Ore Deposits in South Jiangxi Province Based on IKONOS Data

DAI Jing-jing, WANG Rui-jiang, WANG Deng-hong, CHEN Zheng-hui
MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037

Unauthorized mining of ion-absorbed rare earth ore deposits have become more and more serious with the rising of the price of rare earth. The quick and accurate investigation of unauthorized mining has thus become government administrators’ major concern. High resolution remote sensing technology provides an idea for solving this problem. In this paper, ion-absorbed rare earth ore district in Xunwu area of south Jiangxi was selected as the study area, and IKONOS remote sensing data was used for investigation. The interpretation criteria were built with the help of the mining right data, and the vital monitoring areas were mentioned using the geological rock mass data. The results indicate that high resolution remote sensing processing can provide a good method for quick, accurate and dynamic investigation of ion-absorbed rare earth ore deposits.

high resolution; remote sensing data; ion-absorbed rare earth ore; unauthorized mining investigation

P627; P618.4

A

10.3975/cagsb.2014.04.13

本文由中国地质调查局地质大调查项目“我国三稀资源战略调查研究”(编号: 1212011220804)、“华东地区矿山遥感调查与监测”(编号: 1212011220064)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金(编号: K1315)联合资助。

2013-06-03; 改回日期: 2013-08-14。责任编辑: 魏乐军。

代晶晶, 女, 1982年生。副研究员。现主要从事遥感地质找矿及矿山监测研究工作。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。电话: 010-68999055。E-mail: daijingjing863@sina.com。