用气象卫星遥感材料做盐湖采矿动态变化长期监测

摘要

本发明属采矿工程技术领域,主要解决液体矿床动态变化过程的监测及预报等生产技术及方法问题。通过选用气象卫星遥感材料及其数值概化等方法进行盐湖卤水水质、水位及潜水变化和钾盐组分迁移等生产技术过程的长期监测和早期预报,实现大范围、全天候、深透视、高精度、短周期的无人监控技术。可以广泛用于湖盐生产和综合利用、地下水开发以及重大建设工程水文监控系统的生产、管理、设计部门的技术领域,提高生产效率和生产安全年限。

说明书

本项发明属于采矿工程技术领域。

盐湖采矿动态变化，是指人类采矿(采卤)工程条件下对盐湖(包括卤水湖泊、盐滩和晶间卤水)所引起的水资源环境以及水文、地质、地貌等方面一系列变化的总称。由于人类采矿工程影响作用的强弱和盐湖矿源补给营力的大小以及区域自然环境演变的差异性和扰动性，盐湖的动态变化是十分复杂的科学技术问题。它影响到盐湖采矿(采卤)工程的安全、有效、长久的运行，也影响到盐湖矿区资源可再生性平衡及环境变化趋势和区域社会经济可持续性发展的大问题，而且在全球变化的对比中也占有一定位置。所以，人们很重视盐湖动态变化的监测。

在国外盐湖资源开发中，曾采用地面自动观测仪监测局部卤水动态变化情况，如以色列死海钾盐生产；也有采取人工断面取样观测盐湖水质变化状态的，如美国银峰盐池锂盐生产。这些都是在有限的小区域内用人工作业或半自动化的辅助设备对盐卤生产的湖表卤水进行器测监控，涉及的范围和深度都非常有限，并且是对暴露地表的盐卤水体进行有限监控。在国内，盐湖采矿生产中进行的有效监测的地域并不普遍。仅在国家组织的中国最大的钾盐生产建设中实施过人工及半自动设备的有限监控，如国家在中国钾肥开发建设中连续组织重大科技攻关项目(“七五”、“八五”计划)对柴达木盆地察尔汗盐湖采卤过程的动态变化，进行长达10年之久(1986-1995)的监测，投入大量人力物力，总投入经费高达800万元人民币以上。另有生产厂家每年投入10-20万元人民币进行盐湖采卤动态变化的重复监测。在盐湖采矿动态监测工程中普遍采用了常规地面钻井施工工程的监测方法，费时费力观测周期也较大，往往获得一次观测分析结果周期长达1-3个月；而且观测复盖面积非常有限，一般仅为几平方公里至几十平方公里。也有部分少量的地面自动化仪器的辅助观测，常因卤水结盐等因素导致观测读数中断而不能取得较大区域的连续观测结果。况且还要受到气候环境等条件的制约，对于大面积、恶劣天气情况下的监测往往不可能实现。

本项发明在国内外同类采矿监测技术中属于首创，并能够极大地改善工作环境，提高工作效益，在时间和空间的延续性上均是现有技术所不能比拟的，具有潜在的经济效益和社会效益。本项发明的初步结果业被生产实践证明是有效的，如用本发明所获得监测结果应用到国家“八五”重大科技攻关项目(85-802-01)中与其它现有技术手段(包括人工地面钻孔长观、半自动器测以及同位素示踪、数理模拟等)的监测结果是相一致的，有些结果和优势并是不可替代的，比如解决了采卤中心的迁移及晶间卤水的分异等问题，深化了现有技术手段的监控深度和广度。

主要引证文件：1.气象卫星——系统、资料及其在环境中的应用，P．K．Rao等编，许健民等译，气象出版社，1994；2.国外矿床地质(国外盐湖地质专辑)，地质矿产部矿床地质研究所，1989；3.美国钾碱矿考察报告，地矿部赴美钾碱矿考察组，1985；4.美国专家讲稿，地矿部地矿司，1988；5.青藏高原盐湖，郑绵平等著，北京科技出版社，1989；6.“八五”国家重点科技攻关项目(85-802-01)专题研究总报告，青海察尔汗盐湖采卤过程中水动态水化学规律研究，中国科学院盐湖研究所，1995。

本项发明的目的，是利用地球卫星的遥感材料及处理方法来替代人工地面作业方法，用气象卫星遥感数据的采集来替代人工地面数据的观测，并利用卫星大复盖率(可复盖全球)和高密周期(重复周期可达1-3小时)以及全天候伺服的新技术方法来替换人工地面观测手段的小范围、长周期、间断性以及高投入的流行方法。本项发明是一项采矿工程监测技术领域的创新技术，也是一项具有宽广开发前景的应用技术，对我国及相关区域的盐湖矿产水资源环境的动态监测及其技术手段的提高、更新和换代具有指导价值。

本项发明的主要内容是，采取气象卫星遥感数据的数字化资料作为基本使用材料，通过星地座标转换及系统参数纠正，确立定点、定位监控点的建立；用实验对比法筛选出专题(应用监测主体)光谱响应优势峰值，确定监控点定性、定量分析的数模关系；逐级分检盐湖地物(包括地下水)各层次解析识别标志，并用概化数值增强和提高分辨率(可精确到数十米至数百米，最高可达到几米以内)，从而达到对盐湖(包括湖泊水资源等)全天候高精度大区域的地球卫星遥感监测伺服应用目的。

本项发明与现有技术相比(现有技术——人工地面钻孔观测法、半自动器测法、同位素示踪法、数理模拟法等)，具有如下优点和积极效果：

1.实现任意范围内长久无人监控技术。保证采矿生产工程系统的安全有效的运行。

2.实现地下深部(地下3—5米)透视能力，及时预报采矿潜水动态变化情况，提高采矿计划效率。

3.实现湖表卤水和晶间卤水(地下卤水)的动态分异变化的跟踪监测，提高采矿生产的矿浆质量，从而提高产品品质。

4实现卤水中有用优势组分(如钾)的识别监控，为及时调整采矿作业断面，提供动态数据，提高采矿有效生产率。

5.实现灾害事件(如矿区洪水、矿源污染等)的全程监测和前期预报，提高采矿工程的防范能力及对策投入时效。

本项发明是采矿工程与地球科学及遥感技术相互交叉、相互渗透的复合型边缘学科的应用技术，实现本项发明的基本技术方案及最佳方式，可以归纳为如下步骤：

1.资料来源：气象卫星数据处理站输出的全球气象卫星实测的数值化的遥感数据，根据研究对象的物质属性可以选择一个通道或多个通道的数据流。

2.星地座标转换及系统参数纠正：气象卫星的资料终端所选用的星地座标一般是延时稳定伺服系统(即数天纠正一次空间座标)，对定点、定位、定性、定量的长久监控分析必须作系统纠正。

2.1.参考系统的建立：星下点位置的准确测定选用地面参考系统来实现(即星地座标转换)。其条件必须满足是研究对象的同类物质、是长期稳定的几何形体、是重现于同一信息窗的物体。可以根据不同的研究对象选择不同的参考系，参照体与研究主体的相似度越高其光谱响应程度越强。控制距离及方位依据研究区实际情况而定，最好是属于同一个地体单元，精度要求可以达到—个象元点(1-1.1平方公里)以内。

2.2.星下点漂移量：参考系统的参照点的地理座标与遥感资料的视座标之差就是星下点的漂移量，每次必须重新计算一次。并用研究体的工程控制点(必须是关节点)反复检验参考系的选择是否得当和准确，如不能满足研究区工程控制点的监测需要则必须另选参照点。

2.3.系统参数纠正：如参照点与控制点的运动效果拟合十分好，则星下点位置漂移量就等于系统漂移量；就可用此漂移量逐点纠正实时数据流的卫星运行轨道参数的漂移量。

3.分辨率的提高：采用概化数值内插方法使两个象元点之间的分辨率由原来的1-1.1公里提高到几十米至几百米，有些参数甚至还可以提高到几米；象元点之间概化数值级差越大，其分辨率越高。而且这种方法满足了地物光谱的连续响应特征和保证了星地信息系统的协调性，是一种简捷实用的新方法。

4.地质透视深度：根据盐湖地质特征、成盐作用和成盐过程中水分运移规律及其光谱响应强度的相关关系，本项技术用数值方法可以使气象卫星遥感数据流的透视率达到地下(晶间卤水)五米，它的实际深度随地下盐层过水量和盐层物性结构反差强度的不同而变化。这一深度以最大条件满足了人工采矿工程的采卤需要，一般采卤中心(在概念上与抽卤中心不同)的采卤最大降深不超过三米。

5.水盐系统的边界标定：定义负植被指数(CH2-CH1)为水盐系统的边界值，其数值依水质浓度变化发生相关变化，是一波动值。

6.湖水浓度的识别：可见光波段数据流与湖水总矿化度具有正相关关系，其值由水盐边界阀值内推而定。

7.晶间卤水水位变化：剔除表面效应的噪音扰动信号之外，可见光波段数据流与晶间卤水的地下水位呈正相关关系，其值由卤水平衡阀值外推而定。

8.晶间卤水中钾盐组分的识别：受晶间卤水饱和盐类固液转换和运移方式的影响，卤水中优势组分的含量也是变化的。卤水中钾盐组分是目前采矿(采卤)工程重点提取的主要矿源成分，经过对照分析及理论筛分选用近红外波段数据流，其数值变化与钾元素浓度含量呈正相关关系，其浓度数量由背景值外推确定。

9.迭加成图：用薄膜将数据流识别要素逐一逐级标绘出来，并将数码象元点圆滑处理，将数种单项变化要素迭加转绘便成为综合变化要素图。

10.运行图谱：分别将遥感数据流判识的水面与盐壳、品间卤水等变化状况逐段逐时地转绘成系列图系，就成了盐湖及其水动态变化的运行图谱，是盐湖遥感监测的重要成果。