苗小芒，李龍龍

(1．安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232001;2．河南鄭煤集團(tuán)告成煤礦 開拓二隊(duì)，河南 鄭州 450000)

0 引言

遙感技術(shù)為大量的數(shù)據(jù)更新創(chuàng)造了有利條件，由于技術(shù)的發(fā)展和適宜的重訪周期，為研究對(duì)象提供了大量地表信息，從而使人們能全面深入地了解研究區(qū)域的情況，為礦產(chǎn)開發(fā)管理提供服務(wù)［1］。在國(guó)內(nèi)利用遙感技術(shù)進(jìn)行礦山環(huán)境調(diào)查和災(zāi)害監(jiān)測(cè)已有較多成功的經(jīng)驗(yàn)。2002 年，國(guó)土資源部開展的江西德興銅礦礦山尾礦、固體廢料環(huán)境污染遙感調(diào)查技術(shù)研究項(xiàng)目，首次利用ASTER 和Hyperrion 數(shù)據(jù)，基于野外實(shí)測(cè)地物的光譜曲線特征分析結(jié)果，通過各種圖像處理方法來提取礦山環(huán)境污染信息，進(jìn)行了礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè)［2］。

本文以鞍山市為研究區(qū)，利用遙感影像的MODIS 數(shù)據(jù)通過ERDAS 軟件操作求出反射率來進(jìn)行定標(biāo)也就是輻射校正，利用重投影進(jìn)行幾何校正，利用一二波段求取植被的歸一化指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，得到歸一化指數(shù)的數(shù)值表和分級(jí)圖，以此從圖中監(jiān)測(cè)到2007 -2009 年的鞍山礦區(qū)自然環(huán)境變化情況，分析礦區(qū)2007 -2009 年開采資源過程中植被的變化狀況。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1．1 研究區(qū)概況

鞍山礦區(qū)地處遼寧省中南部，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，礦產(chǎn)資源分布密集，主要以鐵礦、煤礦、石灰?guī)r礦等為主。鞍山植被多為喬木，灌木和林地，林內(nèi)多為灌木覆蓋，上層為迎紅杜鵑和東北刺人參。近年來，礦山開采和廢棄尾礦對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生很大影響。

1．2 MODIS 數(shù)據(jù)概述

MODIS 是當(dāng)前世界上新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，MODIS 數(shù)據(jù)是HDF 格式，HDF 是美國(guó)國(guó)家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心為滿足各種領(lǐng)域研究需求而研制的一種能高效存儲(chǔ)和分發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)的新型數(shù)據(jù)格式。一個(gè)HDF 文件中可以包含多種類型的數(shù)據(jù)，如柵格圖像數(shù)據(jù)，科學(xué)數(shù)據(jù)集，信息說明數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便了信息的提取。例如，在打開一個(gè)圖像文件時(shí)，除了可以讀取圖像信息以外，還可以很容易的查取其地理定位，軌道參數(shù)，圖像噪聲等各種信息參數(shù)。

1．3 研究區(qū)數(shù)據(jù)選擇

礦區(qū)的遙感監(jiān)測(cè)主要目的之一是通過遙感手段調(diào)查資源開發(fā)引起的環(huán)境質(zhì)量狀況。由于植被是地理環(huán)境中的重要組成部分，分布廣泛，且對(duì)地理環(huán)境的依賴性很大，當(dāng)受到污染后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、葉綠素和水分以及葉片表面就會(huì)發(fā)生不同程度的變化，光譜反射特性也隨之變化，污染越嚴(yán)重，這種變化就越大，是礦區(qū)污染的重要指示物，因此本次研究選用植物作為礦區(qū)環(huán)境污染程度的一種標(biāo)志。本文主要通過植被信息的提取，研究礦產(chǎn)開采引起的各種環(huán)境狀況。

1．4 遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理

遙感圖像在形成的過程中，存在著輻射衰減和幾何畸變，因此，從衛(wèi)星上接收的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過預(yù)處理才能提供給用戶，只有消除這些差異或畸變，才能較客觀地反映地物的實(shí)際情況。一般地面站在接收信號(hào)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行過粗略的校正，但這種恢復(fù)后的圖像還不能滿足專業(yè)解譯和綜合分析的需要，還需要進(jìn)行幾何精校正。

1．4．1 輻射校正

目前輻射校正中最常用的方法是利用定標(biāo)參數(shù)建立模型求得反射率。這類方法能直接從圖像中獲取所需要的參數(shù)，不需要額外的輸入。

定標(biāo)計(jì)算:所謂定標(biāo)，就是把儀器上儀器測(cè)量的探測(cè)值換算成物理量。紅光、近紅外、藍(lán)光和短波紅外都屬于反射波段。反射率定標(biāo)計(jì)算公式為:

式中:ρ 為定標(biāo)參數(shù)。

然后利用定標(biāo)參數(shù)在ERDAS 中建立模型(見圖1)，計(jì)算出反射率，從而進(jìn)行輻射校正，得到一、二波段反射率顯示圖，如圖2 所示。

圖1 反射率模型Fig．1 Reflectance model

1．4．2 幾何校正

幾何校正的目的就是要校正成像過程中所造成的這些系統(tǒng)及非系統(tǒng)因素引起的幾何畸變。幾何校正分為2 種:

1)幾何粗校正。是針對(duì)引起系統(tǒng)性畸變的原因而進(jìn)行的校正;

2)幾何精校正。是利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行的幾何校正，它是用一種數(shù)學(xué)模型來近似描述遙感圖像的幾何畸變過程，并利用畸變的遙感圖像與標(biāo)準(zhǔn)地圖之間的一些對(duì)應(yīng)點(diǎn)求得幾何畸變模型。

在ERDAS 中，幾何校正的方法就是重投影，通過經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)來解決變形問題。

圖2 第一、二波段的反射率顯示圖Fig．2 The first and second reflectance band diagram

2 研究方法與分析

2．1 植被指數(shù)的提取

植被指數(shù)是監(jiān)測(cè)全球植被及其變化的重要指標(biāo)，它是根據(jù)綠色植物的光譜反射特征，將近紅外、紅光等波段進(jìn)行數(shù)學(xué)組合而成。-1≤NDVI≤1，NDVI 為負(fù)值，表示地面覆蓋為云、雪、水等，對(duì)可見光高反射;NDVI 為0，表示有巖石或裸土等，NIR 和R近似相等;NDVI 為正值，表示有植被覆蓋，且隨著覆蓋度增大而增大。NDVI 能反映出植物冠層的背景影響，如土壤、潮濕地面、雪、枯葉、粗造度等，且與植被覆蓋有關(guān)。

2．2 NDVI 提取方法

根據(jù)植被的反射光譜特征，通常用植被紅光、近紅外波段的反射率和其他因子及其組合所獲得的植被指數(shù)來提取植被信息，這些波段常包含90%以上有關(guān)植被的信息。歸一化植被指數(shù)NDVI 是廣泛使用的一種植被指數(shù)，其計(jì)算公式［3］為:

式中:NIR 為近紅外通道反射率及第一波段反射率;R 為紅色通道反射率及第二波段反射率。歸一化植被指數(shù)在利用遙感圖像進(jìn)行植被研究以及植物氣候研究中得到了廣泛應(yīng)用，它是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)。當(dāng)植被覆蓋度較低時(shí)，NDVI 對(duì)覆蓋度增減反應(yīng)靈敏，當(dāng)植被覆蓋度較大時(shí)，NDVI 趨于飽和。

本文利用式(2)建立模型，具體過程如下:打開ERDAS 中的Modeler，提取第一波段、第二波段的反射率，利用式(2)創(chuàng)建模型(見圖3)，點(diǎn)擊運(yùn)算，得到NDVI 顯示圖(見圖4)，進(jìn)而可以看出2007、2008、2009 這3 年的NDVI 對(duì)比情況，如圖5 所示。

得到NDVI 后，利用屬性對(duì)NDVI 分級(jí)，以了解鞍山礦區(qū)附近植被的情況。首先利用ERDAS 打開NDVI 圖像，然后點(diǎn)擊Raster，選擇Attribute 了解鞍山礦區(qū)植被聚集情況來作為分類的標(biāo)準(zhǔn)。例如，對(duì)于2007 年，整個(gè)地區(qū)NDVI 集中在-1 ～0．4，且-1 ～0 占大多數(shù)，根據(jù)NDVI 屬性說明鞍山礦區(qū)整體的植被覆蓋不高，環(huán)境在不斷惡化中。

按照-1 ～0，0 ～0．1，0．1 ～0．2，0．2 ～0．3，0．3 ～0．4，對(duì)鞍山礦區(qū)整體進(jìn)行分級(jí)，共分為5 級(jí)。分級(jí)方法采用非監(jiān)督分類法，得到NDVI 分級(jí)圖。在NDVI 分級(jí)圖中打開屬性Attribute，得到屬性表，根據(jù)屬性特征列取鞍山礦區(qū)NDVI 的分級(jí)情況，見表1。

圖3 NDVI 的求取模型Fig．3 The striking model of NDVI

圖4 NDVI 顯示圖Fig．4 NDVI showing in figure

表1 2007、2008、2009 的NDVI 分級(jí)對(duì)比Tab．1 Comparison of NDVI classification in 2007，2008，2009

由表1 中的數(shù)據(jù)可以看出:鞍山礦區(qū)的植被在不斷的減少，特別是森林類、灌木類這種造氧量高的植被減少，水體有所增加，裸地增加迅速。由圖5 可以看出，整個(gè)鞍山地區(qū)裸地的擴(kuò)展方向向東南方向偏進(jìn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，各種資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行，遙感技術(shù)提供了多時(shí)相、大范圍的實(shí)時(shí)信息，已成為研究地表資源環(huán)境最有利的手段之一［4］。本文就是利用遙感技術(shù)實(shí)時(shí)、快速的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)鞍山礦區(qū)礦山開采時(shí)環(huán)境狀況的動(dòng)態(tài)變化，調(diào)查因礦產(chǎn)資源開發(fā)引起的各種環(huán)境問題，探索礦山環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)遙感研究的技術(shù)路線和基本方法，以便為礦產(chǎn)資源的開采行為進(jìn)行引導(dǎo)和調(diào)控，為建立和諧統(tǒng)一、良性循環(huán)的人地關(guān)系［5］作出貢獻(xiàn)。

圖5 2007、2008、2009 年NDVI 對(duì)比圖Fig．5 NDVI comparison chart in 2007，2008，2009

［1］ 潘寶玉，千貴祥．“3S”技術(shù)集成及其在地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］． 地質(zhì)測(cè)繪，1999(1):10 -20．

［2］ 程博．江兩德興銅礦礦山環(huán)境污染遙感研究［D］． 北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2003．

［3］ 杜培軍，盧小平，江濤，等． 遙感原理與應(yīng)用［M］． 北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006:152．

［4］ 陳述彭，童慶禧，郭華東．遙感信息機(jī)理研究［M］． 北京:科學(xué)出版社，1998:84 -113．

［5］ 馮筠，黃新宇． 遙感技術(shù)在資源環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用及發(fā)展趨勢(shì)［J］．遙感技術(shù)與應(yīng)用，1999，14(4):59 -70．