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摘要 ：地形图是地理信息数据库中的重要组成部分，广泛 应用于规划、管理和评价等领域中， 随着计算机技术和社会的发 展，如何快速且经济地修测地形图对矿山区域进行资源开采和 灾害研究具有重要的意义。由于传统的矿山地形测量在实施作 业时存在缺陷和不足，影响到了矿山区域地形图生产的效率及 安全性，而多源、多平台、多尺度的遥感时空数据应用于矿山地 形测量将在一定程度上解决这一难题，是未来矿山地形图绘制 的主要发展趋势。本文列出了目前可免费获取的高精度遥感卫 星影像数据及高程产品，探讨其在地形图绘制中的应用方法与 前景， 为矿山地形图的快速、经济且安全地进行修测与更新提供 数据准备和参考。
关键词 ：矿山,遥感影像,高程产品,地形图
空间数据信息作为规划、管理和评价领域的基础，在经济建 设、社会发展、科学研究及国防建设中发挥着重要的作用。随着 信息技术的迅速增长，各行业对技术和空间信息发展的需求日 益增加， 数字地表信息的应用前景越来越广泛。地形图是进行空 间分析所需的基本资料，有助于识别地球表面条件的空间信息， 作为良好决策的基础，被应用于各个领域。然而，受到人为活动 和自然变迁等影响， 地表信息需要进行及时的更新与修订， 以提 高地形图的现势性和使用价值。尤其在矿山区域， 我国矿产资源 储备较为丰富，矿产资源的开发与利用是我国经济和社会发展 的重要物质基础，随着我国资源开发程度的提高，如何安全、精 确、经济且高效地进行矿山地形图测绘具有重要的意义， 然而地 形图的绘制却是矿山测绘工作中长期以来的难题。
在矿山区域，传统上的地形图修测是通过全站仪和其他测 量工具进行采点， 需要根据水平角度和距离在现场手动定点， 但 工作周期长、劳动强度高、最重要的是复杂的山区环境对作业人 员的人身安全存在潜在的威胁。随着无人机技术的不断发展， 摄 影测量与三维激光雷达技术逐渐应用到矿山地形图的生产中， 但是所需投入的资金较多，覆盖范围窄，易受天气影响，且存在 禁飞区域的限制，而遥感技术的发展在一定程度上为矿山地形 图的修测与更新提供了重要的数据基础。卫星遥感技术是一种 利用安装在卫星上的各种传感器，采集和处理远程反射和辐射 的电磁信号， 从而形成地物影像的测量技术。
随着遥感科学技术的发展，遥感影像在很多行业领域中扮 演越来越重要的角色，该技术基于多平台、多种类、多尺度的遥 感数据，拓展了人们的视觉空间，覆盖范围广、更加容易地发现 地表目标空间分布的宏观规律，且高分辨率的遥感卫星影像可 以刻画出地形图中的细节信息。因此， 通过遥感技术获取的高分辨率遥感数据可用于方便且快捷地进行矿区地形图的更新，帮 助作业人员解决矿山地形测量中的重点难题。
1 全球公开的高分遥感数据介绍
1.1 卫星影像数据
遥感卫星可以在同一区域内周期性且反复性地进行地面观 测，然后通过所获得的遥感卫星影像数据动态观测地球上的地 物变化。目前用于地形图修测的全球高分辨率遥感影像主要是 商用卫星影像，如张岩等人利用快鸟(QuickBird) 和伊科诺斯 (IKONOS) 遥感卫星影像对研究区域进行地形图修测。李启才 将 SPOT-5 遥感卫星数据作为地形图更新的数据源，成功地进行 了 1:10000 比例尺地形图的更新。商用卫星数据空间分辨率高， 但是不能免费进行数据下载，且数据不能及时获取，因此，可免 费获取的全球公开遥感卫星影像在矿山地形图修测中的应用具 有较高的实用价值。
遥感影像越清晰，分辨率越高，越容易识别出地物。一般情 况下， 矿山地形图修测中要求的比例尺越大， 对遥感影像的精度 要求越高， 矿山地形图修测中要求的比例尺越小， 对遥感影像的 精度要求越低。根据矿山地形图修测中的比例尺精度要求， 选择 合适的空间分辨率与时间分辨率的卫星影像对矿山地形图修测 具有重要的作用。
目前全球可以免费获取的具有较高分辨率的遥感影像主要 有哨兵2号(Sentinel-2)、高分 1号(GF-1)、高分 6号(GF-6)、环 境 1 号(HJ-1)、中巴地球资源卫星 04(CBERS-04)、Landsat-8 和 Landsat-9 等。高分 1 号、高分 6 号、环境 1 号和中巴地球资源卫 星04 均是由我国负责发射卫星并获取的遥感影像，其中，“高分 辨率对地观测系统重大专项计划”肩负着“加快我国空间信息与 应用技术发展，提升自主创新能力”的使命，在我国国家发展和 社会进步等方面发挥着优越的作用。高分 1号与高分 6号具有2m 的空间分辨率和4 天的重访周期，且至今仍在运行轨道上探测数 据，数据获取网址为“https://data.cresda.cn/”。环境 1号与中巴地 球资源卫星4号的空间分辨率分别为 30m 和 5m，重放周期分别 为4 天和 3 天，均可从https://data.cresda.cn/ 上免费下载，但其中 环境 1号从2011 年开始已停止数据的获取。哨兵2号星座是由欧 空局 (ESA)研制发射，星座分为哨兵2A 和哨兵2B 两星，是欧空 局哥白尼计划的第二个星座，空间分辨率为 10m，重访周期为 10 天，可以从https://scihub.copernicus.eu/ 网站上获取最新的数据。 Landsat-8 和Landsat-9 均是由美国航空航天局 (NASA) 获取的遥 感影像，Landsat-9作为Landsat-8 的后续任务，是美国陆地卫星系 列的第 9颗卫星，影像空间分辨率与重放周期和Landsat-8 相同，均为 30m 和 16 天，获取网址为“https://www.nasa.gov/”。上述的 具有较高分辨率且可以免费获取的遥感影像数据具有不同的参 数，因此，在使用这些遥感数据进行矿山地形图修测时，应综合 考虑各个影像的特性， 做出合理的数据选择。
1.2 高程数据
高 程 数 据(Digital Elevation Model， DEM) 作 为 地 形 图 等 高线绘制的基础数据，在矿山地形图修测与更新中具有至关 重要的作用。随着遥感对地观测技术的迅猛发展，目前已有多 样化的技术手段能够获取大范围的高程数据产品，如合成孔 径 雷 达 干 涉 测 量 探 测 的 ALOS DEM、SRTM1、TanDEM-X90 与 RadarSat-1产品和光学卫星影像摄影测量获取的AW3D30 和 ASTER GDEM产品， 以及激光雷达测高获取的ICEsat/GLAS 和 ICEsat-2/ATLAS产品。
这些高程产品作为目前全球公开的高程数据集，广泛应用 于矿山地形测绘的研究领域中。值得一提的是，ALOS DEM 是 目前可免费获取的高程产品中空间分辨率最高的产品，分辨 率为 12.5m，该产品近两年开始对外公开公布，可从ASF 网站 (https://search.asf.alaska.edu/) 中 免 费 获 取。SRTM1、AW3D30 和ASTER GDEM 分辨率为 30m，是目前应用最为广泛的三类 高程产品，SRTM1 由于探测波段 (C 波段) 更具有穿透性，且 获取年份在冬季 (2000 年 2 月)，植被较少，因此所探测的高程 信息更接近地表，即精度更高，可从 USGS 网站上免费获取 (https://earthexplorer.usgs.gov/)。但 SRTM 的 获 取 时 间 距 今 较 远， 而 AW3D30 和 ASTER GDEM 获 取 时 间 分 别 为 2006 年 至 2011 年和2000 年至2013 年，相交于 SRTM1 具有较好的现势性， 数 据 免 费 获 取 的 网址 为“https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/”和 “http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/ ”。TanDEM-X 90和 RadarSat-1的空间分辨率为90m，测量波段分别为X波段和C波 段，分别于2010年至2015年和1995年至2013年内获取，数据免 费获取的网址分别为“https://download.geoservice.dlr.de/ ”和 “http://www.eodms-sgdot.nrcan-rncan.gc.ca/”。
ALOS DEM、SRTM1、AW3D30、ASTER GDEM、 TanDEM-X90 和 RadarSat-1 作为常用的全球面状高程数据， 可 以直接应用到矿山地形图的修测工作中，且均取得较好的结果。 但因测量波段的穿透性特征以及获取时间等差异，上述的面状 高程栅格产品有时不能满足实验研究中所需的测量精度和现势 性，而 ICESat 高程数据作为激光测量波段探测的高程产品，较 大程度上填补了全球公开面状高程栅格产品的精度和现势性。 ICESat/GLAS 是由美国宇航局的首个地球观测激光高度计于 2003 年至2009 年内探测获取的高程产品，它提供的测量结果可 以用来实现冰盖高度、海冰厚度和全球植被高度的初步估计。Li 等人提出 ICESat/GLAS 高程产品可以用于 1:10000 比例尺地形 制图中。而 ICESat-2/ATLAS 数据作为 ICESat/GLAS 的后续任 务，采用光子计数激光雷达，使得获取的光斑数据占地面积更 小，能够分辨粗糙地形，实现更高精度的地貌测量，具有广大的 应用前景，且其从2018 年至今一直在获取数据中，可以动态地跟踪地形地貌的变化。ICESat/GLAS 和ICESat-2/ATLAS 数据的 免费获取网址均为“https://nsidc.org/data/icesat/”。
然而点状高程数据不连续，如何将点状高程数据和面状高程 数据融合，集成两者的优势，生产出高精度、高分辨率、高现势 性的面状高程产品是未来矿山地形图生产的重要研究方向之一。
2 遥感数据在地形图修测中的应用
在矿山区域，若对旧地形图进行重新绘制，将需要耗费较多 的人力及资金， 且工期较长， 不能快速地进行地形图的更新与应 用。因此，基于遥感影像快速获取地形图的变化区域，可以辅助 实现矿山区域地形图的快速修测与更新。此外， 除了高分辨率的 遥感卫星影像可以应用于识地形图更新的重点区域外，高程数 据产品在矿山对地形图中的地形地貌进行绘制时也具有重要的 作用。
2.1遥感数据预处理
遥感影像在接收和传输时由于受到大气条件、地形条件影响 和传感器本身性能等限制， 使得获取的遥感数据存在系统偏差和 误差。因此在动态监测前需要进行几何校正、辐射校正、大气校 正以及全色和多光谱影像融合的预处理流程，以消除几何畸变， 减少影像失真现象，生产出具有高空间分辨率的多光谱影像数 据，且可以进行影像的对比度增强处理，更有利于影像的判读。 此外，遥感卫星影像和高程产品数据使用前还需要进行坐标转 换、掩膜裁剪以及像元重采样等预处理。遥感数据预处理的具体 内容和流程需结合矿山地形图修测的实际任务要求进行选择。
2.2 基于遥感卫星影像获取变化范围和要素
2.1.1 地形图与遥感影像叠加技术
遥感卫星影像在矿山地形图修测中最常用的方法是通过 CAD、ArcMap 等 GIS 平台，将原始地形图与所需修测时期的卫 星影像进行叠加， 然后通过人工目视判读， 在影像上获取地形地 物的变化信息，勾画好地物变更的范围并对变化的要素进行标 记。基于原始地形图与遥感影像叠加技术提取矿区地形地物变 更信息具有较高的精度， 然而， 基于人工目视判读进行判断与分 析，需花费较多的人力和时间， 且生产地形图的过程中可能会融 入较多的人为主观性。
2.1.2 两期遥感影像分类后融合技术
利用遥感分类方法确定地形地貌变化的范围和要素也是矿山 地形图修测中较为实用的方法， 且判别效率更快， 更具有客观性。
高分辨率遥感影像具有丰富的空间信息和纹理特征，基于 遥感影像分类的原理即是从遥感影像上获取地表的物体特征， 从而对地物进行分类。在对影像进行分类前， 需根据地形图绘制 的要求， 确定需要进行分类的样本种类。传统的地物分类法是基 于人工目视解译进行地表覆盖类型的提取，目视解译方法依赖 于绘制人员的先验知识， 存在较大的主观性， 因此对绘制人员的 要求较高。虽然基于目视解译方法绘制的分类结果一定程度上 满足精度要求，但是需耗费较多时间进行绘制人员的培训和影 像的人工编辑。综上所述， 为了尽可能减少人为干预对遥感影像分类结果的影响，基于训练样本的监督分类方法和非监督聚类 分类方法逐渐应用于地物分类的研究中，监督和非监督分类方 法无论在分类效率还是分类精度均优于人工目视解译分类的结 果，被广泛应用于地表覆盖类型的提取工作中。随着遥感技术的 发展， 越来越多的分类方法被逐渐应用到相应的领域中， 但无论 是哪种分类方法均需要后期的人为参与进行调整和验证，以保 证分类结果的可信度。基于人机交互进行遥感分类的精度还需 要通过对分类结果进行对比生成混淆矩阵，然后根据混淆矩阵 中的生产者精度、用户精度、总体分类精度和 Kappa 系数确定分 类结果是否满足精度要求。此外， 也可以将混淆矩阵的数据导入 至表格中， 根据生成的柱状图和饼状图更加直观地观察、分析动 态监测的趋势。
在矿山区域中，通过遥感影像分类和影像融合技术获取地 形图中需重点修测的变化区域流程如下所示 ：首先，根据地形 图绘制的要求选择合适属性的遥感影像数据，并从 1.2 节提供的 网址中对数据进行申请下载，然后将原始地形图对应时期的遥 感卫星影像作为第一期影像，将需要进行地形图修测对应时期 的遥感卫星影像作为第二期影像，对两期的遥感影像进行预处 理后，再分别使用同样的分类方法进行影像解译并获取地物分 类后的结果， 最后将分类后的两期数据进行融合， 获取地物发生 变化的区域和要素，并根据变化区域和要素确定需要进行矿山 地形图修测的重点范围。
2.3 基于高程产品绘制地形
除了具有高分辨率的遥感卫星影像可以用于识别矿山地形 图中的变化区域和要素，高程数据产品在矿山地形图的绘制中 也具有重要的作用，如可以通过高程数据提取矿山区域的等高 线。目前， 基于航空摄影测量与激光雷达等技术获取的高程模型 具有较好的现势性，精度较高，但耗资多、生产效率低，还存在 人工现场施测的风险等，而通过遥感技术获取的全球公开的高 程产品可以在一定程度上弥补上述的不足之处。
高程数据是矿山地形图制图的重要输入数据，能够直观地 反映山区表面的高度变化趋势，有利于更加清晰地去分析地形 地貌的特征，高精度高程信息在地形图测绘中具有广泛的应用。 如段洪芳等人曾使用ASTER GDEM 高程数据进行了老挝爬奔 矿区 1 ：50000 比例尺地形图制作， 结果显示ASTER GDEM 高 程数据完全满足该比例尺地形图的绘制。林楠等人在矿区中基 于ASTER立体像生成的 15m 分辨率DEM 高程数据成功应用到 了 1 ：10000 比例尺矿山地形图制作中。Paradella 和 Oliveira探究 了利用轨道立体测量 (ASTER GDEM、RadarSat-1) 和 SRTM3 高 程数据对巴西亚马逊地区的两个地区进行地形测绘的可行性， 结果表明RadarSat-1、ASTER GDEM 和 SRTM3 高程数据的测高 信息精度满足巴西制图精度标准要求的 1:100000 比例尺地图制 作。阳响平通过研究分析得出 30m 分辨率的DEM 高程数据应用 到地形图的生产时， 其成图精度可达 1 ：50000 比例尺。
2.4 地形图修测
按地形图与遥感影像叠加方法或遥感影像分类与融合技术获取矿区地形地物的变化范围和变化要素后，需结合具体任务 要求与规范判断是否需要进行地形图的修测， 一般情况下， 若变 化区域较少， 且满足项目进展要求， 则可以省去地形图绘制的工 序，将推进项目的进度， 这也在一定程度上体现了遥感数据现势 性的优势。如王永波等人曾指出， 在使用卫星影像确定地物的变 更范围时，若变化区域低于整幅影像面积的 50% 时，则直接基 于卫星影像进行地形图的修测，若变化区域超过整幅影像面积 的 50% 时，建议采用全面更新的作业模式。因此，当研究区域地 物变化区域较多时， 需收集相关资料， 结合矿区的地理位置和特 点，优先确定重点绘制范围， 并通过外测与内业相结合的方式进 行矿山地形图的生产。
内业编辑的主要工作是在地形图中对地物变化区域和要素 进行确认和更新， 通过结合高分辨率遥感卫星影像、高程数据及 相关资料将发现已经不存在的地物从原始地形图中进行删除， 并将新增的地物在原始地形图中进行添加，而对于矿区中没有 发生地物变化的区域可以不做修改，但如果矿区中相同的地物 发生位置偏移， 可根据设定的标准判断是否需要进行修改。一般 情况下，当原始地形图与遥感影像之间或两期经遥感分类处理 后的影像之间的某些地物误差小于图上 0.2mm 时，可不进行移 位修改或重新绘制。高程数据则可以作为等高线等要素提取的 基础数据应用到地形图的绘制中。此外， 若发现有地物名称或者 要素类别存在变更， 也需要及时地进行更新。
然而，当在内业绘制时若发现遥感影像中存在难以判读的 地物，则需进行野外探勘确认，并做好相关记录，以提高地形图 修测的准确性。矿山地形图修测完成后， 需及时地将绘制的成果 进行整理与归档。
3 结语
随着经济的发展和社会的进步，对矿山区域进行地形图的 修测与更新具有重要的研究意义和经济价值。本文列出了目前 可免费获取的具有较高分辨率的遥感卫星影像和高程产品，结 合以往国内外的研究，探讨这些遥感卫星影像和高程产品在矿 山区域进行地形图修测时的应用与发展前景。
结果表明，基于地形图与遥感影像叠加方法或高分辨率遥 感卫星影像分类与融合技术可以方便且快捷地获取矿山区域不 同时期地形的变化范围和要素，尤其是高分辨率遥感影像分类 与融合技术几乎可以全自动地实现这一目标，且高程产品在获 取连续的地表高程信息时具有广泛的应用。若遥感卫星影像和 高程产品的分辨率足够高，满足所需矿山区域地形图修测的精 度，且具有较好的现势性， 则可以实现经济快速地地形图修测更 新。若遥感卫星影像和高程产品不能满足矿山区域地形图修测 所需要的精度， 则需收集相关资料， 并通过外测与内业相结合的 方式进行矿山区域地形图的生产。
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