矿产资源是我国社会经济发展的重要物质基础，目前中国矿业开发总规模位居世界第3位。然而，矿产资源的大规模开发利用，也不可避免地改变了周围的环境状况。作为矿产资源开发的主体—矿山，长期粗放式矿产资源开发方式，特别是不合理、不合法开采，一方面导致资源浪费、流失，另一方面大大改变了矿山生态系统的物质循环状态和能量流动方式，破坏了矿山生态系统。导致矿山环境污染问题越来越突出，严重威胁到人民的生命财产安全和制约了社会的可持续发展。因此，矿山环境污染问题越来越受到关注。 为此需要对受污染的矿山生态环境进行有效的治理和修复，就要及时了解其受污染的程度及其变化趋势。传统的矿山环境污染监测通常采用直接采样进行化学分析、物理分析以及生物指示诊断等，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，并且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。ASTER传感器的成功发射，为大面积矿区环境污染源探测提供了有效的技术支撑。 多光谱遥感在矿山环境污染监测中一直占据着十分重要的角色，但是ASTER多光谱遥感数据尤其是热红外波段在矿山环境监测中的应用还很少见，尤其是在水污染方面，因为热红外遥感大气纠正的困难。内陆水质遥感监测是环境遥感应用的一个重要组成部分，数据源的不断丰富和方法的不断创新，推进了水质遥感不断地向前发展。我们本次利用遥感监测水体污染状况的基本思路：基于污染水体波谱曲线特征，ASTER可见光及近红外波段的光谱特征与水污染信息具有特别相关性，通过利用ASTER遥感数据与实测的主要水质数据建立水质浓度遥感估测模型，定量的得到了污染物的浓度分布图，并基于DEM进行了矿区地表水体的污染评价。利用ASTER多光谱遥感数据的5个热红外波段，反演了地表水体温度，探测了热污染源的位置，并利用实测数据验证了反演地表温度的正确性。本文利用ASTER多光谱遥感数据和地面实测水体光谱反射率与地面实测数据结合用于水质污染物浓度的反演和评价，符合遥感学科发展的方向，并与环境科学、自然地理学、空间信息科学等学科的交义融合，具有一定的前沿性。因此，结合实际需要，利用ASTER多光谱遥感数据对矿区地表水污染监测开展研究，不仅在矿山水污染空间定量研究具有深远的理论意义和应用意义，而且为遥感技术在矿山环境保护、监控和管理应用开拓了新的思路。 研究区位于鄂两荆襄磷矿田的西北段胡集磷矿区，目前研究区内已探明的大小矿山8处，既有露天开采也有地下开采还有地上地F联合开采，总占地面积达1.01km2。从开采矿区(点)的数量来分析，研究区矿山主要开采方式是露天开采，近年转入地下开采。露天开采点矿坑剥采面积大，地面破坏严重，产生的废石大量杂乱的堆积在开采场，使矿区景观发生了很大的改变。长期开采产生的尾矿堆已形成规模庞大的石山。过度无序的矿产开发，加之对矿山环境保护的重视不足，导致植被破坏，土地流失，水环境污染，地质灾害产生，生态环境不断恶化，给该地区的社会经济的持续发展带来严重影响。所有的一切都迫切需要快速、客观、准确的了解矿产开发利用状况，掌握其对矿山环境污染状况及趋势。为此，开展本项研究，以期获得适合本地区的ASTER遥感监测矿山地表水污染技术方法，为区域矿山环境的科学管理提供技术支持。 研究的具体内容如下： 1.胡集磷矿区位于荆襄磷矿田的西北段，是我们本次研究的重点地区。荆襄磷矿田具有悠久的采矿历史，以露天采矿方式为主，采矿场内堆积着大量的废弃矿石堆，长期开采产生的尾矿堆已形成规模庞大的石山，对矿山环境尤其是水体产生严重的影响。为了研究大量的废弃矿石堆在自然雨水的淋滤下产生的废水对矿山环境的影响，首先对胡集磷矿山的磷矿体的结构和矿产空间分布进行了研究，根据矿产的分布规律，结合磷矿石的环境地球化学机理研究，分析了磷矿开采产生的主要污染元素磷、氟可能迁移路径和规律。在此基础上结合研究区大量的野外调查和废弃磷矿石室内光谱的测量，为研究区寻找矿区水污染源提供了研究基础。 2.热红外遥感探测水体污染状况分析。在热红外遥感探测机理分析的基础上重点研究了热红外数据的大气校正方法和地表温度的反演方法。热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集、记录目标地物的两个大气窗口的热红外信息，并利用热红外信息来识别地物和反演地表参数和温度等达到对目标地物的研究目的。在介绍黑体辐射、大气的吸收光谱特征、热红外辐射在火气中传输的机理等基本理论知识的基础上，结合本项研究工作的需要，对本次研究所用的装载在Terra卫星上ASTER传感器进行了介绍，重点研究了ASTER传感器的大气校正方法并对纠正前后的矿区的影像进行了比较分析，并利用大气纠正后的ASTER影像采用分裂窗方法反演了地表温度场，分析了矿区的热结构，找到了水污染的热源并进行了分析。 3、基于AsTER遥感数据的污染水体的识别和提取。利用ASTER遥感数据寻找污染源是矿山环境污染研究的关键，首先对数据进行大气纠正，在ENVI平台上根据FLASS模块进行了ASTER遥感数据的大气纠正，并用相应比例尺的参考图像对影像的几何位置重新配准。通过大气纠正的图像上地物的光谱曲线很清楚地区别开。可以实现对磷矿区的典型地物的识别和提取，根据主成分分析的方法提取出矿区不同程度的污染水体。ASTER遥感影像的可见光波段的分辨率经过重采样只有15米，分辨率很低，但是我们本次研究所需要的典型地物在主分量彩色合成图上，可以明显的分辨出来，可以达到本次研究的目的。 4、建立磷矿区污染水体水质参数的遥感定量估测模型。根据上述的内容可知开采磷矿对矿区水体造成严重污染的元素主要是磷和氟、钙镁元素，重金属含量很少。本次以大峪口磷矿尾矿库磷、镁元素为例，研究利用Person相关统计分析的方法，寻找到最佳的反演波段，采用实测数据与遥感数据统计相结合的方法，建立磷、镁元素浓度遥感定量估测模型，并对模型的显著性和精度进行了分析，利用陈谷湾水质数据对模型的适用性进行了检验。研究结果显示用ASTER遥感数据的反演可以得剑磷矿山周围水体中的磷、镁等元素浓度分布专题图。为遥感图像的解译矿区水污染程度分布提供了定量依据。 5、基于DEM的矿区水污染评价。主要是从空间的角度评价矿山废弃矿石堆对区域地表水体的污染程度和污染范围。通过ASTER遥感数据自动生成的DEM，建立了矿区三维遥感图，真实直观地表现了矿体与水体的空间地理关系；为了从空间的角度再现污染物的迁移路径，基于DEM建立了矿区地表径流的模拟和矿区流域盆地的模拟，可知放马山采选厂和磷矿开采场污染物沿着地表径流汇流到水体A、B。水体B的主要污染源是位于上游的磷矿开采厂，而水体A的污染源除了位于上游的磷矿开采场还有放马山采选厂。根据DEM计算出的水流方向，把研究区分成四个流域，研究结果表明，B流域盆地内磷矿开采面和固体废弃物数量和规模都比较大，因此，该流域盆地内的污染状况相对较为严重，对下游的汉江流域造成影响。基于DEM的矿区水污染评价，为流域的矿山集中区对水污染提供了全新角度的评价方法。 本次论文在以下几个技术方面有所发展和突破： 1.ASTER热红外遥感数据探测矿区水热污染。矿区的水体呈现出多元化的污染形式，在遥感图像上具有明显的色调色阶的差别，ASTER热红外遥感数据在严格的大气纠正的基础上，利用较高的分辨率，根据分裂窗算法反演出研究区地表温度，找出了水污染的热源。初步验证利用ASTER的热红外通道对水体温度的反演也可以作为水质遥感的一种手段。 2.基于ASTER遥感数据的矿区水污染的识别和提取。ASTER遥感数据由于分辨率较低，在水污染识别和提取方面没有得到很好的应用。但是由于ASTER遥感数据具有连续的光谱特征，光谱分辨率很高，本次研究运用了主成分分析的方法，根据水体的色调色阶目视解译出不同污染程度的水体，比较有效、简单的识别和提取矿山污染水体等信息，取得了很好的效果。 3.建立磷矿山水体元素遥感定量估测模型的技术路线。本次研究的水体为矿山周围的水体，面积小，并且采用了没有明显光谱特征的磷、镁元素。尝试利用ASTER的可见光波段和短波红外遥感数据分别与矿区内多个水体的磷酸盐和镁离子浓度相关关系，利用统计回归方法，找到最佳的波段，建立了水质浓度遥感估测模型，并得到了矿区水体A、c中磷酸盐和镁离子浓度空间分布图，取得了较好的效果。 4.建立了基于DEM的磷矿区水体污染评价方法。矿区水体污染属于非点源污染，寻找污染源及其污染元素迁移、扩散路径是评价区域矿区水污染的关键，基于DEM构建了区域的地表径流模拟和流域盆地模拟，分析了矿区污染源对不同流域盆地的水体造成污染的可能性和污染程度、污染范围，从空间角度提出了区域地表水污染的评价方法。 目前多光谱遥感数据在矿山环境监测上得到了有效的利用，ASTER遥感数据却应用的很少，尤其是它的热红外波段，主要的原因是对ASTER遥感数据大气校正的困难。本次论文利用经过严格大气校正的ASTER遥感数据识别和提取了矿区污染水体，建立了矿区水体污染物质的遥感估测模型，并利用DEM进行了评价，并利用热红外波段进行了水体的热污染的探测。初步构建了基于ASTER全波段遥感数据的矿区地表水污染探测方法体系，应用结果表明，能够在矿区集中区对矿区水污染元素进行探测分析。