楊　瓊，韓博瑋

(1. 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710089； 2. 中航飛機(jī)西安民機(jī)有限責(zé)任公司，陜西 西安　710089)

1　概　述

稀土作為當(dāng)前國家的重要戰(zhàn)略資源，合理有效地開發(fā)稀土礦產(chǎn)資源成為相關(guān)部門重點(diǎn)研究工作，然而由于稀土元素的特征，傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測(cè)手段無法準(zhǔn)確的判斷出真實(shí)的礦產(chǎn)體積及資源容量，對(duì)于一些由于采用原始開采技術(shù)所產(chǎn)生的廢礦及尾礦進(jìn)行二次處理，已形成較大的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)部分稀土元素對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生較大的危害，如許多地雷廢物可能通過酸性礦山排水，酸性巖石排水和金屬浸出或大氣塵埃釋放對(duì)環(huán)境構(gòu)成重大威脅，因此在實(shí)際的檢測(cè)過程中需要充分考慮多方面原因。

稀土元素中不同的元素屬性具備不同的反射波譜。如中國的白云鄂博地區(qū)，碳酸巖型稀土礦床的地域范圍通常很小，但其屬性的級(jí)別較高，即稀土氧化物總量ΣREO>1%；相反，在俄羅斯的希比內(nèi)地區(qū)富含的堿性火成巖稀土礦床的屬性級(jí)別較低，即碳酸鹽巖ΣREO<1%[1]。業(yè)界通常利用稀土材料的反射光譜的特征來對(duì)其進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)，本文以無人機(jī)作為遙感探測(cè)的載體，采用搭載雷達(dá)成像設(shè)備進(jìn)行區(qū)域遙感拍攝，通過無人機(jī)光探測(cè)和測(cè)距數(shù)據(jù)結(jié)合衛(wèi)星地圖對(duì)所檢測(cè)區(qū)域的主要特征形成最初識(shí)別，通過無人機(jī)攝影測(cè)量形成空間重疊的立體數(shù)字照片，用以創(chuàng)建三維空間數(shù)據(jù)。本文所采用的是Phantom 3 Professional無人機(jī)，配備了一個(gè)12 m像素的攝像頭、焦距固定為20 mm，根據(jù)無人機(jī)的電池容量設(shè)定無人機(jī)飛行約20 min，完成對(duì)所檢測(cè)區(qū)域的不同角度和不同海拔圖像信息的捕捉，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到ArcSoft軟件中進(jìn)行顯示。

2　遙感拍攝相關(guān)技術(shù)

根據(jù)預(yù)定的航路規(guī)劃，無人機(jī)按照既定路線進(jìn)行巡航，隨著無人機(jī)的飛行，根據(jù)拍攝計(jì)劃對(duì)目標(biāo)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，然后從采集的圖像中區(qū)別X，Y，Z點(diǎn)建立一個(gè)網(wǎng)格創(chuàng)建一個(gè)地形表面和數(shù)字高程模型(DEM)，當(dāng)網(wǎng)狀的三維模型構(gòu)建完成后即完成了目標(biāo)區(qū)域地理坐標(biāo)的繪制。通過Agisoft軟件軟件作為圖像處理媒介，在軟件導(dǎo)出UAV拍攝過程中存檔的攝像機(jī)位置數(shù)據(jù)，并在照片對(duì)齊階段自動(dòng)提供近似地理參考的同時(shí)，要求計(jì)算特征和結(jié)構(gòu)的體積時(shí)需求更高的準(zhǔn)確度。為了提高準(zhǔn)確性，本文采取了地面控制點(diǎn)(ground control points，GCP)，為了實(shí)現(xiàn)地理配準(zhǔn)任務(wù)，Agisoft建議使用9到10個(gè)GCP，由GPS確定的7個(gè)采樣點(diǎn)連同LiDAR數(shù)據(jù)被用于確定海拔高度，并且另外包括3個(gè)陸地測(cè)量觸發(fā)點(diǎn)，它們共同為準(zhǔn)確的地理參考模型提供了10個(gè)GCP。要確定要素的體積，必須使用“封閉模型體積”方法去除所有“二次面”，該方法在空間中自動(dòng)生成一個(gè)基準(zhǔn)面。

稀土元素由于其不同的波長(zhǎng)具有不同的反射效果，因此在遙感探測(cè)過程中需要針對(duì)所探測(cè)的稀土元素的波長(zhǎng)選取合適的探測(cè)手段，如圖1所示為常見的稀土元素對(duì)不同波長(zhǎng)的射線的反射效率，通過對(duì)稀土元素富集碳酸巖中常見礦物的VNIR-SWIR光譜進(jìn)行參考，Turner等人發(fā)現(xiàn)的bastniesite對(duì)光譜的吸收率，即在500至900 nm的波長(zhǎng)間隔內(nèi)觀察到深的釹(Nd)吸收特征，在400 nm處顯示絕對(duì)的反射率值。

圖1　不同稀土元素對(duì)不同波長(zhǎng)的光譜的反射率

隨著高光譜測(cè)繪能力和圖像處理技術(shù)的不斷提高，使用反射光譜法來表征礦床將成為一種更加穩(wěn)健的方法。例如，下一代遙感衛(wèi)星的應(yīng)用，將把空間地球觀測(cè)完全納入高光譜時(shí)代[2]。但是，通過遙感技術(shù)來識(shí)別稀土元素的許多問題在很大程度上還沒有得到解答。首先，在理想的條件下，通過反射光譜法確定碳酸巖和堿性火成巖中稀土元素的檢出限，即光譜特性與稀土元素等級(jí)相關(guān)程度如何？其次，做礦床巖性和礦物學(xué)是否會(huì)影響解決稀土的能力？第三，各種類型的遙感儀器在什么條件下可以解析稀土吸收特征？

使用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)于目標(biāo)礦山體積估算的準(zhǔn)確性取決于后期處理編輯網(wǎng)格物體所需的時(shí)間，既需要產(chǎn)生高質(zhì)量的密集點(diǎn)云，并使用GCP正確對(duì)齊數(shù)百個(gè)圖像。使用GIS軟件包(如ArcGIS和Surfer 11)中使用LiDAR數(shù)據(jù)可以更快，更容易地估算體積[3-4]。

3　稀土尾礦探測(cè)實(shí)例介紹

以中國XX獨(dú)居石礦區(qū)的稀土礦作為研究對(duì)象，如圖2所示為該地區(qū)稀土元素釹的濃度分布，圖中可觀察到常見的稀土元素的濃度超過了XRF(X Ray Fluorescence，X射線熒光光譜分析)的校準(zhǔn)范圍(大多數(shù)元素大約為2 000×10-6，圖中的釹大約為2 800×10-6)，因此在遙感拍攝過程中需要選取合適的射線探測(cè)手段。

圖2　研究對(duì)象中釹的濃度分布

對(duì)無人機(jī)進(jìn)行航路規(guī)劃，首先需要完成目標(biāo)區(qū)域GIS信息的分析，由于所拍攝的稀土礦區(qū)域態(tài)勢(shì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此完成GIS信息分析后即可按照拍攝的計(jì)劃制定無人機(jī)的航路規(guī)劃(根據(jù)無人機(jī)的電池容量確定)，通過GPS將無人機(jī)的位置信息以及遙感拍攝信息實(shí)時(shí)傳送到ARCSoft軟件中，通過相應(yīng)的模型分析完成稀土元素的識(shí)別[5-9]。

利用原始技術(shù)進(jìn)行稀土礦開采過程中往往存在開采不完全的情況，而稀土作為稀缺物品，提高其開采率是相關(guān)機(jī)構(gòu)的重要工作之一。通常在稀土礦開采過程中產(chǎn)生大量的礦井水，常用的辦法通過測(cè)量礦井水的元素含量來判斷該礦井的余量。通過遙感技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)的所拍攝的照片進(jìn)行分析，包含地面、水色、山體結(jié)構(gòu)等，利用綜合的模型對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，本文所提出的處理過程如圖3所示。

圖3　無人機(jī)遙感拍攝圖像處理過程

其中NDVI為植被覆蓋指數(shù)、Slope為斜坡，通過對(duì)無人機(jī)拍攝的RGB圖像結(jié)合TM圖像、DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖4所示為本文的研究區(qū)域，作為該地區(qū)丘陵山地的地貌，采礦點(diǎn)大多位于山頂，為了準(zhǔn)確定位采礦點(diǎn)，需要對(duì)圖像進(jìn)行正向糾正：首先，合成了412的圖像解釋；此外，從ETM圖像中選擇了21個(gè)地面控制點(diǎn)。基于ERDAS SPOT 5軌道推掃模型的雙線性插值重采樣方法對(duì)SPOT5影像進(jìn)行了正射影像校正，正矯正后，平均RMS誤差在1像素以下。

圖4　研究區(qū)域

所研究區(qū)域的斑塊總數(shù)為432個(gè)，面積為50 km2，占研究區(qū)域的3.03%，被破壞面積最大斑塊面積8.1平方公里，破壞面積平均斑塊面積約1.30平方公里。研究區(qū)西南部有56個(gè)破壞面積小于1平方公里的斑塊。如圖5所示，采礦活動(dòng)發(fā)生在該地區(qū)的西部，相當(dāng)于解釋的分類結(jié)果[10]。

圖5　目標(biāo)區(qū)域探測(cè)后的人工判別結(jié)果

為了分析采礦區(qū)的地形，將解釋的多邊形以30 m的分辨率轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格，通過與DEM疊加，發(fā)現(xiàn)活動(dòng)礦區(qū)的標(biāo)高在370～570 m之間(結(jié)果如圖6所示)，坡度在13(°)～23(°)之間(結(jié)果如圖7所示)。

圖6　礦區(qū)海拔分布

圖7　礦區(qū)坡度分布

使用SPOT和DEM數(shù)據(jù)通過ArcSoft進(jìn)行3D分析，如圖8所示，大部分稀土元素采礦活動(dòng)主要發(fā)生在山頂，從三維圖像可以很容易地看到。

圖8　ARCSoft的3D可視化效果

4　結(jié)　論

遙感技術(shù)是開采環(huán)境監(jiān)測(cè)中必不可少的先進(jìn)技術(shù)，可以為目標(biāo)物提供準(zhǔn)確、有效、全面的信息。來自遙感技術(shù)的動(dòng)態(tài)和更新信息可以為政府和礦業(yè)公司組織環(huán)境規(guī)則和計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)不同的稀土元素對(duì)不同波長(zhǎng)的反射效率，無人機(jī)進(jìn)行遙感拍攝時(shí)需要選取合適的拍攝手段，從而利用高分辨率的圖像來獲取更多的礦區(qū)信息。