用卫星高光谱数据提取江西德兴铜矿矿山废水的pH值污染指标图.docx
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用卫星高光谱数据提取江西德兴铜矿矿山废水的pH值污染指标图
第22卷第11~12期地质通报Vol
22.N0811。
12
2003年12月GEOLOGICALBULLETINOFCHINA
Dec..2003———————————————————=—=————————————————一
用卫星高光谱数据提取江西德兴铜矿
矿山废水的pH值污染指标
刘圣伟1,甘甫平z一,王润生∽
（1中国地质太学地球科学与资源学院,北京100083;2中国国土责掉航空物探遥感中心,北京100083
3北京走学地球与空间科学学院.北京100871
摘要:
在对德兴铜矿矿山废水的光谱特征深入分析研究的基础上.总结了不同类型水体（酸性水、碱性水以及河流水的特征光谱.并利用地物谱特征开展矿山废水pH值污染指标提取研究。
针对亦体光谱反射率低、特征光潜不明显的特点,采用矿区卫星H师面on高光谱数据,应用Is^算法和掩膜技术识别出水体分布并进一步与MNF变换有效结合,根据波段散点图进行不屙pH值水体的有效分割。
为矿山唆水污染的诊断和监铡提供了新技木和理论支撵。
关键词:
高光谱;矿山废水;Hyperion;光谱特征;pH值;穗兴铜矿
中圈分娄号:
P627;X141;X.52文献标识码:
A文章编号:
1671—2552t200311—12—1013—08
中国是世界上的矿业大国之一,矿业开发总规模居世界第3位。
但是随着矿产资源的开发,越来越突出的矿山生态环境问题不仅威胁到人民的生命安全,而且严重制约了国民经济的发展。
矿山废水排放是矿山生态环境最严重的污染源之一。
矿山废水主要包括采矿酸性废水和选矿碱性废水,并含大量重金属及有毒、有害元素,如果不进行治理,直接排放,不仅会对矿区及其周围环境造成污染和危害,而且会造成矿山资源的浪费。
近10多年来,在矿山废水污染的治理方面,中国虽然已经取得较大的进展,从单项治理发展到全面规划、综合治理,但是全国由矿山废水污染引起的环境恶化趋势还未得到有效的遏制。
中国目前每年因采矿产生的废水、废液的排放总量约占全国工业废水排放总量的100,6以上,处理率仅为4.23%,大量未经处理的废水排入江河湖海,污染严重,因此必须加大对矿山废水的治理力度。
为了对污染的生态环境进行有效的治理和修复,需要及时了解其受污染的程度及其变化趋势,以便给生态环境的健康状况“确诊”,然后“对症下药”。
污染生态诊断可以采用包括对水体、土壤、动物和植被直接采样进行化学分析诊断、物理方法诊断以及生物指示诊断等各种方法“1。
尽管这些方法能够对不同地点污染的强度及变化进行准确的测定,但是工作程序通常繁杂而昂贵。
不仅如此,而且对水体、土壤和动植物直接采样的技术无法提供适用于大范围污染地区制图的区域信息。
然而遥感技术却可以通过提供污染地区和周边区域的航空或卫星影像,仅使用直接采样技术进行区域调查所花代价的一小部分就能够监测区域乃至全球性大气、水体、土壤、植被的污染情况,掌握污染源的位置、污染物的性质及其扩散的动态变化,及时了解污染物对生态系统的影响,从而采取积极的防护措施。
在这种情况下,采用先进的高光谱技术对矿山废水污染进行直接识别尤为必要。
高光谱地物识别基于地物谱的指纹效应,利用高光谱数据的重建光谱与标准光谱或实测光谱的定量对比分析,实现利用宏观手段（遥感技术进行微观地物（如水体、污染信息等的直接识别,并且已在诸如地质、农业以及生态等领域开展了深入研究。
但矿山污染物因光谱反射率低、光谱混合（复合等现象明显而极难识别,需要做专门
收稿日期:
2003—06—26;惨订日期:
2003—09~26
基金项目:
国家自然科学基金项目（40201034、国土资源部“十五”重点科研项目（2002206共同资助。
作者简介:
刘圣伟（1972一,男。
博士.从事高光谱遥感拄术及其应用方面的研究工作。
E-mail:
fianshanmoun“in@ 万方数据
1014地质通报
GEOLOGICALBULLETINOFCHD/A——————————————————————————————————————————————————————————————一——的研究。
目前对矿区环境污染这个世界性难题,欧河,东边为富家坞河。
美一些发达国家已经相继利用高光谱技术展开矿山污染调查”1。
由于数据获取以及其他客观原因,中国在这方面的研究较少或剐刚起步,在未来几年内将陆续有一系列搭载有高光谱仪的卫星上天,如ARIES一1卫星搭载的ARES一1以及PRISM卫星都将搭载高光谱仪等。
这些光谱仪的光谱分辨率一般都在几纳米到20m之间,空间分辨率在几米到50m之间,个别还具有全色波段。
其数据特点完全适用于资源环境与污染调查以及动态监测等,并基本进入商业运营。
中国正在规划中的资源环境小卫星（1+2星计划也主要是采用高光谱成像仪。
这些将开创高光谱技术的航天时代,标志着高光谱应用的高潮即将到来,并可能取代多光谱数据而成为下一步应用的主流。
德兴铜矿从20世纪70年代就开始设点进行废水监测工作,主要是采用堰流法进行流量测定;80年代以来,环保部门对德兴铜矿各排污口的废水流量和水质情况进行了测定,其pH值、铜铁等金属离子含量超标比较严重日。
近2年来,国土资源部先后组织开展了以江西省在内的全国5省为试点的矿山地质环境调查工作.初步建立了矿山环境调查治理数据库系统,为矿山环境保护规划的制定和实施提供了依据。
目前,以现时相的高分辨率多光谱遥感数据为主,辅以以往时相的航空遥感图像,采用现行的遥感数据处理和信息提取技术,可以完成矿山尾矿及固体废料排放现状与动态变化、土地利用现状与动态变化、次生地质灾害和地质环境等项调查工作,但对矿山环境污染状况进行定量分析还没有比较成熟的遥感支撑技术。
因此,本文以江西省德兴铜矿矿山为实验区,在对德兴铜矿区水体光谱特征详细分析研究的基础上,利用卫星高光谱Hyperion数据从高光谱的图像识别和光谱识别2方面进行了水体pH值污染指标的提取研究。
1研究区概况
德兴铜矿是一个世界级的大型斑岩铜矿,位于江西省东北部德兴县境内,已探明铜储量800x104t以上,年铜产量约占全国的1/4。
矿区属中低山丘陵,地势东南高、西北低,河流水系发育。
矿区以北的乐安河是矿区主要的牛活用水来源,以南的德兴河是德兴市以及下游的主要生活用水水源。
以西为大坞
德兴铜矿矿山废水主要由采矿场产生的酸性废水和选矿厂产生的碱性废水组成。
当降水或地下涌水流过废石场或露天采矿场的硫化矿石或废石时,硫化矿物的氧化作用产生酸性废水:
4FeS2+1502+14H20=8H2S04+4Fe（OH3
碱性废水均来源于选矿厂,由于选矿作业是在碱性条件下进行的,在浮选过程中需填加大量的石灰和其他药剂。
主要的碱性废水为大量尾矿和精矿脱水工序中产生的高碱性废水。
德兴铜矿每年产生的酸性废水（pH=2.4---2.7约0.1x10‰3,并含大量的Cu、Fe和Al等金属离子:
每日产生碱性尾矿废水（pH=11.3~12.3和精矿废水（pH=11.8~1224分别约为22x10411"13和2X104m3,所有废水由4个尾矿库以及若干酸性废水调节库进行处理和调节。
德兴铜矿从20世纪70年代初期就开始研究治理矿山废水,废水治理经历了点源治理一集中治理一清洁生产加末端治理3个阶段,初步形成了目前的废水综合治理格局。
但是,由于历史和现实的多方面原因,矿山环保还滞后于生产发展,存在诸如露天采矿场酸性废水未经处理、村民人为干扰引起酸性废水流失而直接排入河流、环保设施运行效率低、尾矿库排洪水和坝前渗水水质不稳定、pH值严重超标、悬浮物和金属离子含量也时有超标等许多问题,废水外排现象时有发生“”。
酸、碱性废水破坏水体的自然缓冲作用,消灭和抑制细菌等微生物的生长,妨碍水体的自净功能,腐蚀管道和机械等设施。
酸碱污染不仅能改变水体的pH值,而且大大增加水中的无机盐类和水的硬度,因此污水的pH值被列为检验污水水质的重要指标之一01。
2水体光谱特征
采用ASD公司生产的FieldSpec④ProFR便携式分光辐射光谱仪,选择矿区内不同类型的水体分别进行了野外光谱测量,测试研究矿区碱性废水、酸性废水以及矿区流域内受矿山废水扰动的河流水系的光谱特征。
2.1酸性水的光谱特征
德兴铜矿的杨桃坞废石场、祝家废石场、露天采矿场、堆浸场均产生酸性废水,输入酸性废水调节库。
酸性水pH值为2.5左右”,水体浑浊,呈橙红色（图1一A。
其波谱曲线在640mn附近的橙红光谱区内存在一个较强的且波形对称的反射峰,峰值在深
万方数据
第22卷第11’12期刘圣伟等:
州卫星高光潜数据提取汀西德兴铜矿J发水pH污染指标
普
毒
嘣
1015
罔1酸性水（A及其波谱曲线（BFig
1Acidwater（Aanditsspectra（B水处达28%,近岸处约为10%,随后反射率迅速降
低,最后在红外波段趋于平缓。
近岸与远岸处水体
的光谱曲线波形基本相似,近岸水体波谱640nm处
的波峰反射率较高,推断是受到浅水处水体底质反
射影响的缘故（图1一Bi
2.2碱性水的光谱特征
尾矿库内澄清的尾矿碱性水pH值为113~
12.317I。
水质较为清澈,色发蓝（图2一A,其中含大量
的选冶药剂。
其波谱曲线与酸性水体明显不同（图
2B,从380rim处反射率开始逐渐上升,在蓝绿光
波段565nm附近达到峰值,然后迅速下降,形成左右
不对称的反射峰。
与酸性水体丰u反,该反射峰值随
着测试点距岸距离的增加而升高,可能是悬浮物的
AB
浓度随之增大的反映。
离岸3~40m处的波谱形态比较相似,仪是反射峰币同。
离岸05m处波谱曲线在580~700i-lln波段出现较高的反射平台,推断也是受到了浅水处水体底质反射的影响.
2.3流域河水光谱特征
矿区东南高,西北低。
流经矿区的水系主要有北边的乐安河,西边的大坞河。
大坞河流向自南向北,并在西北汇人乐安河。
本次主要对大坞河（图3一A和乐安河（图3一B交汇处的河水进行光谱测试。
由于受矿山酸性废水直接排人的影响,大坞河水体浑浊,罨黄绿色。
其波谱反射率值从350nlrl开始迅速卜升,在580~800nm之间区域达到峰值并形成一高反射率平台,显巨岸由远到近反射峰值由低到高
惜
摇
皑
目2碱性水（A及其渡谱曲线（B
Fig.2Alkalinewater（Aand诋spectra（B
B 万方数据
哥善倒地质通报GEOLOGICA1.BULLETIN（IFCHINA哥
盎
蜡
图3河水（A,B搜其光谱曲线（c,D
Fig
31Liverwater（A,Banditsspectra（C,D
变化,同时波峰位置向长波方向偏移（图3一C。
推断是由水体中悬浮物的浓度和成分变化引起的,可能I兑明距岸较远的水域悬浮物浓度相应较高。
曲线在450~480nm之『自J存在弱吸收带,在680nm、760l-lnl以及980nm附近存在明最的强吸收,推断与水中悬浮物所含的Fe、Cu等金属离子密切相关。
乐安河水比大坞河清澈,水质比较洁净,足矿区生活用水来源。
其波谱反射率曲线与大坞河水相比有较大差异（图3一D,波潜反射率值明显降低,从350nm处反射率缓慢升高,在600~850llril区间高反射率平台处存在一系列明显的吸收特征。
可能是受到水下摹底沉积物的影响,距岸较近处反射率值相应较高。
总之,矿Ⅸ内酸性废水以及受酸性废水污染的夫坞河水的浑浊度最高,早橙红色,其波谱曲线在橙红波段具有强反射峰,波形对称分布,存在类似于Fe”、Fe2+年l『cu离予等金属离子跃迁所产生的光谱特征;而碱性尾矿库水则比较清澈,浑浊度低,呈蓝绿色,波谱曲线在蓝绿光区具有特征的高反射峰,呈骓对称性分布。
3高光谱数据处理及信息提取
3.1Hyperion数据大气校正及去噪处理
目前遥感影像已被广泛地应用于污染生态诊断及生产管理等领域,受到各国重视。
然而,由卫星获取的大量图像大部分被大气粒子吸收和散射来自地表的辐射引起的大气粒子效应所污染,大气校正的目的就是通过消除大气影响而从遥感影像中恢复反映地物特性的表面反射率,从而使遥感影像分类的精确性得到较大的改善。
这、问题已经受到遥感研究人员的重视,并已经设计出许多解决方法。
大气校正的算法基本由2个主要步骤组成。
苗先,利用地物表面的特殊特性或大气组成的n接测量以及利用理论模型对大气光学特征进行}平估,根据大气的光学特性
可以通过辐射传输算法汁算H1与人气校正有关的各 万方数据
第22卷第1卜12期州圣伟等:
用p星高光谱数据提取江西德兴铜矿蠖水pH'}弓染指标I【117种量值。
然后,通过倒转过程得出地表反射率.使遥感
影像得到校正,从而保证了卫星影像的有效性。
采用江两德兴铜矿地区2003年1月的Hyperion
数据,覆盖地面42kmX75km,、数据经系统校正和
辐射定标处理之后,采H{ACORNv4软件作大气
校止,将辐射值数据转换成地而视反射率数据。
ACORN是hnSpec公司基于MODTRAN4开发的
大气校正和波潜重建软件。
其原理是,用成像光谱数
据940nm和i14011111附近水蒸气通道的吸收深度,逐
个像元地反演水蒸气住的含量,代人大气传输模型
MODTtCAN4计算大气中气体、分子和气溶胶的光
学效应,对数据作大气校正.将其转换成地间视反
射率数据。
Hyperion数据除有少最云覆盖外,质量较
好,图像清晰。
射图像进行去条带处理和运用空问
域低通滤波对数据作平滑化处理以消除和压制条
带和噪声后,图像质量有较大改善（图4,水体波谱
曲线的特征谱带表现明显（图5。
32水体信息及pH值污染指标提取
321方法
将本次野外文测的水体波谱与已有污染水体
图4人气校一后的HyPenon影像
Fig4Hyperionimageafteratmosphericcorrectiorl
波谱”l进行综合分析,发现污染水体普遍县有以下光谱特征:
④光谱反射率很低,一般小于5%,在浅水区水底质的影响p町达20%;②由于悬浮物的存在和不同酸碱度水色的影响,往往在绿光和红光谱段具有特殊的光谱特征,但特征非常微弱。
已有研究证叫,当目标地物的诊断特征在整个光谱范围内反射率都很低时,Tricorder和光谱特征匹配等光谱分类方法无法取得很好的效果[4-111。
由于矿山废水的反射卒很低许且缺乏明确的光谱特征,为r对水体信息进行有效的提取,采用Ribeiro等…1提出的方法。
该方法基于以下2个步骤:
①通过积分光谱分析（ISA:
IntergralSpectralAnalysis对罔像进行增强处理,从而对低反射率区域进行识别区分;②使用最大噪声组分变换（MNF:
Maxi—mumNoiseFractionTransformation“1和散点图分析进行低反射率地物的分割。
ISA算法是对各波段的反射率强度与它们各自的半极值宽度（FWHM:
FullWidthofHalfMaxi—nltll]l:
的乘积进行求和。
其计算公式为
SI-2（Rb}FWHMb
式L}1,s,指光谱积分;R指亮度值。
ISA算法的原理基于地物的反射率特性,即低反射率地物如水体等的光谱积分值与其他地物卡|jI比要低得多。
但是,由于该方法会引起对阴影或其他低反射率地物的错误指示,在这种情况下,要对相关因素进行综合考虑,例如地形坡度可以用来对阴影区域进行指示…。
图5影像数据大气校正前后水体渡谱曲线对比（蓝色校正前波谱,红色~校正后波谱
Fig5Spectralcontrastofwater
beforeandafteratmospbericcorrection
（blue.beforeCorrection;red,after
correction 万方数据
琏矮通报GEOLOGICALBULLETINOFCIIIB‘4对低反射率区域的识别,目的是进行掩膜处理
并施用最大噪声组分变换（MNF。
最大噪声绢分变
换（MNF是利用图像的噪声组分矩阵（∑忑1的特
征向量对图像进行变换,使按特征值由大到小排序
的变换分量所包含的噪声成分逐渐减小,而蚓像质
量顺玖提高。
∑为图像的总}办方差矩阵.∑。
为图像噪
声的价方篮矩阵。
MNF相当于所有波段噪卢方差都
J}【I等时的主成分分析,因此可分为2步实现,第一步
先将图像变换到个新的坐标系统,使变换后图
像噪声的协方差矩阵为单位阵;第二步再对变换
后的罔像施行丰成分变换。
此改进的箅法称为“噪
声凋节主成分变换（NAPC””,最大噪声组分变
换（MNF肯2个重要性质.一是对图像的任何波段
作比例扩展,变换结泶不变;■是变换使幽像矢量、
信息分量和加性噪声分量与.相垂直.乘性噪声可通
过对数变换转换为加性噪声。
变换后可钊对性地埘
各分量图像进行去噪,或禽弃噪声占优势的分量,
最大噪声组分变换（MNF是由主}H分分析（PCA
衍生出来的,它们之间的主耍【（别在于MNll变换考
虑到了主组分变换和噪音的数据犏篇、就幽像质量
方面而言,最人噪声组分变换（MNF被认为是一种
高光浒数据处理的响效斤法”j2003年
322结果和结论
进行ISA增强和掩膜处弹后从网像中直接分割出水体（图6,埘掩膜图像以MNF变换进行增强和噪声消除处理,然后利用MNF变换不同波段的散点图进行分割。
根据MNF波段1与MNFi0:
段6的散点图（图7,町以将矿区水体夫致分为3类（图9右。
利用陵散点图口』阻区分出:
酸性水（红色,位于祝家废石场及其附近的酸性废水调节库和受酸性废水影响的大坞河;碱性水（绿色,位于2号及4号尾矿库;以及酸碱度基本偏中性的水域（蓝色,位于尾矿库边缘澄清稃度较高的区域和矿区生活水源地（图9右图左上角的蓝色图斑。
其光谱特征（图8与野外实测的不J司酸碱度水的光谱特征类似（囤l~幽3,反映出不同水质在600nm附近的反射存在明显的差异。
根据德兴铜矿矿山酸碱性废水水质分析结果,米源于祝家废石场、露天采矿场和堆浸场的酸性废水的pH值为24---27,酸性废水输人酸性废水调节库,部分直接排人大坞河。
来源于大山选矿场和泗洲选矿场的尾矿溢流水和精矿溢流水的PH值分别为11p12.3和11.8~1224_,排人2号及4号尾矿库。
通过与该结果的对比验证,发现分类结果与德兴铜矿酸碱性废水实际分布情况基本吻合,证明了此方法的有效性和适用性。
由于水体光谱反射率低,特征光谱不明显,同时ffl6水体信息（红色的光谱识别（左及其影像光谱（右
Fig6
Spectml
discrhalinationofwa∞rinformation（red,leftanditsimage
spectm（nght
第22卷第11~12期刘圣伟等:
用卫星高光谱数据提取江西德兴铜矿腹水pH污染指标剀7MNF波段1与MNF波段6散点罔
Fig7ScatterplotbctⅥ,eenMNFB1andMNFB6
Fig
8Imagespectraotwaterbody罔中不同颜色所表示的影像九皓与闭9地物对应
图9Hyperion影像（左与水体酸碱性信息提取（右
Fig
9Hyperionimage（1eftandrelativepHforvariouskindsofwater
（right,red:
relativelowpH;blue:
relative
middlepH;gxeen:
relativehighpH
一些小水体由于卒问分辨率以及水体深浅的影响,其光谱特征困混合而难以提取出存在信息。
采用积分光谱分析,即IsA算法增强和抢膜处理技术,可以对水体进行识别分割。
水的酸碱性从光谱特征上雌以区分,但通过MNF变换后利用散点图可以进行相对划分。
埘于因铜矿进行的酸性废水和尾矿碱性废水的酸碱巾和治理.蹦及尾矿砂的自然分割造成尾矿庠内水域
酸碱性的差异,需要进一步的野外验证,以修改技术
1020地质通报
GEOLOGICAL———————————~一方法,深化高光谱遥感技术在矿山废水信息提取和矿
山废水污染诊断和监测工作中的应用。
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