劉 歡，朱谷昌，2，李智峰，胡杏花，鄭 緯

(1.中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083;2有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012)

IKONOS衛(wèi)星影像在甘肅省紅會(huì)煤礦區(qū)塌陷群識(shí)別中的應(yīng)用

劉 歡1，朱谷昌1，2，李智峰1，胡杏花1，鄭 緯1

(1.中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083;2有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012)

遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查中有著廣泛地應(yīng)用，特別是高分辨率衛(wèi)星影像。本文采用IKONOS高分辨率衛(wèi)星影像，通過(guò)正射校正、影像融合后，獲得高精度的遙感影像，作為解譯地質(zhì)災(zāi)害的遙感數(shù)據(jù)源，可以快速、準(zhǔn)確地識(shí)別紅會(huì)煤礦區(qū)的塌陷群，并能夠清楚地識(shí)別塌陷及其細(xì)節(jié)特征，分析其影響因子、規(guī)模和危害程度，取得了良好的效果。

IKONOS衛(wèi)星影像;塌陷群;識(shí)別;應(yīng)用;甘肅省紅會(huì)煤礦區(qū)

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省東北部白銀市平川區(qū)，煤炭資源在甘肅省占第二位，僅次于華亭礦區(qū)。坐標(biāo)范圍為E104°59′～ 105°06′，N36°37′～ 36°45′，面 積 約 為163km2。區(qū)內(nèi)的主要礦山為紅會(huì)煤業(yè)，煤炭總儲(chǔ)量10415×104t，開(kāi)采方式為地下開(kāi)采。研究區(qū)內(nèi)主要是侏羅紀(jì)含煤地層，可分為上、下兩部分，下部為富縣組，上部為延安組，是主要的含煤層位，主要巖體為志留紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖及志留紀(jì)斜長(zhǎng)花崗巖。

2 遙感影像處理

2.1 數(shù)據(jù)源與質(zhì)量評(píng)述

IKONOS衛(wèi)星于1999年9月24日發(fā)射成功［1］，是世界上第一顆提供高分辨率衛(wèi)星影像的商業(yè)遙感衛(wèi)星，可采集1m分辨率全色和4m分辨率多光譜影像的商業(yè)衛(wèi)星，同時(shí)全色和多光譜影像可融合成1m分辨率的彩色影像。目前已廣泛用于城市、土地、森林、環(huán)境、災(zāi)害調(diào)查和軍事目標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面。

本次工作所采用的是IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，拍攝時(shí)間為2008年8月1日，云量極少、無(wú)霧，圖像清晰，質(zhì)量較好。

2.2 圖像預(yù)處理

2.2.1 正射校正

本次工作獲得的IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為預(yù)正射產(chǎn)品，帶有RPC(有理多項(xiàng)式系數(shù))參數(shù)。工作區(qū)為中低山區(qū)，因此必須對(duì)IKONOS原始影像進(jìn)行正射校正。在PCI軟件利用OrthoEngine模塊對(duì) IKONOS原始影像進(jìn)行正射校正［2］，DEM由1∶1萬(wàn)矢量地形圖MAPGIS生成，GCP通過(guò) GPS實(shí)測(cè)獲得。校正選取25個(gè)控制點(diǎn)，校正精度控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。校正采用高斯-克呂格投影3度分帶，工作區(qū)位于第35個(gè)3度帶，坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954北京坐標(biāo)系。正射校正后的IKONOS影像滿足1∶1萬(wàn)重點(diǎn)調(diào)查的精度要求。

2.2.2 數(shù)據(jù)融合

多光譜波段的彩色合成波段組合為紅色XS3、綠色XS2、藍(lán)色 XS1，這種彩色合成方式符合人眼視覺(jué)習(xí)慣，有利于地質(zhì)災(zāi)害室內(nèi)目視解譯，然后與全色影像配準(zhǔn)，借助 PCI軟件采用 CUBIC(三次卷積)重采樣模式并采用CYLINDER(圓柱體變換)的HIS模型進(jìn)行自動(dòng)融合，將IKONOS多光譜的1、2、3波段融合到PAN全色波段中，并對(duì)融合后的影像進(jìn)行拉伸增強(qiáng)、對(duì)比度、亮度調(diào)整，獲得分辨率為1m的彩色校正圖像。

經(jīng)過(guò)處理后的影像，精度滿足要求、層次豐富、色調(diào)均勻、反差適中、清晰易讀，可以用于地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯，對(duì)比效果見(jiàn)圖1和圖2。

3 紅會(huì)礦區(qū)塌陷群遙感解譯

本次工作，采用以正射融合處理后的影像為遙感解譯數(shù)據(jù)源，采用人機(jī)交互的方式很容易識(shí)別塌陷群［3-4］。

圖1 未融合前影像Fig.1 IKONOS satellite images of no fusion

圖2 融合拉伸后影像Fig.2 IKONOS satellite images of fusion and stretch

3.1 塌陷群遙感影像特征

通過(guò)解譯，從IKONOS衛(wèi)星影像圖可以很清楚地看到，在紅會(huì)礦區(qū)附近有大大小小共計(jì)112處塌陷坑(圖3、圖4)。塌陷發(fā)育沿礦區(qū)傾斜帶，兩旁山包環(huán)繞的山谷耕地地帶，塌陷群的平面形態(tài)呈放射狀，集中在兩條平行帶上，走向沿西北向東南逐漸呈增加態(tài)勢(shì)，與地下煤層走向基本一致。遙感影像上，塌陷坑呈不規(guī)則的圓形或橢圓形斑斑塊狀，呈獨(dú)立個(gè)體并成群分布，其輪廓線與周圍顏色截然不同，表面粗糙不平，部分坑內(nèi)有植被，呈微紅色。塌陷坑屬于有一定深度的負(fù)地形，在陰影作用下，從影像上看立體效果很明顯，呈現(xiàn)“凸”狀。

3.2 塌陷成因分析

圖3 紅會(huì)礦區(qū)塌陷群IKONOS影像圖Fig.3 IKONOS satellite images of the ground collapses in Honghui zone

圖4 紅會(huì)礦區(qū)塌陷群IKONOS三維影像圖Fig.4 3D IKONOS satellite images of the ground collapses in Honghui zone

地面塌陷是在特定的自然條件下形成的，地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等塌陷形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，然而降雨、地表水、地下水、及人類活動(dòng)對(duì)塌陷的形成發(fā)展也起了明顯的推動(dòng)作用，是致塌力超過(guò)抗塌力的結(jié)果。分析整個(gè)礦區(qū)147個(gè)塌陷坑，得出發(fā)生地表塌陷的主要成因有以下幾個(gè)方面:

3.2.1 人類活動(dòng)

紅會(huì)礦區(qū)一帶，在礦權(quán)整合之前，由于監(jiān)管力度不夠，受利益驅(qū)使，存在很多私人小煤窯濫采現(xiàn)象，其設(shè)置設(shè)備簡(jiǎn)單，采掘技術(shù)力量薄弱，地下采區(qū)布置混亂且規(guī)格不一，并且多數(shù)不進(jìn)行采空區(qū)的充填處理，也影響了地下水位的穩(wěn)定，給地面塌陷的發(fā)生埋下了隱患［5］。另外，礦區(qū)周圍大部分為農(nóng)田，不合理的開(kāi)墾使巖體的完整性進(jìn)一步遭到破壞，也容易誘發(fā)塌陷。這一因素是該礦區(qū)內(nèi)塌陷形成的重要影響因素。

3.2.2 降水

超量的地下開(kāi)采，致使地下水位下降，在雨季雨量充沛的條件下，地下采空洞內(nèi)充水又釋水，地下水重力作用產(chǎn)生負(fù)壓而形成真空吸蝕作用，使洞頂失穩(wěn)而發(fā)生塌陷現(xiàn)象。從圖3中我們可以明顯的看到，塌陷群的南部不遠(yuǎn)處有一條小青石沙河，說(shuō)明塌陷群附近地帶巖體內(nèi)可能含有較豐富的地下水，有可能降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，尤其是在雨季受到地表水的沖刷，容易發(fā)生塌陷。

3.2.3 地質(zhì)構(gòu)造

紅會(huì)礦區(qū)以第四系全新統(tǒng)覆蓋的農(nóng)業(yè)區(qū)為主，由于地下開(kāi)采煤層較淺，礦層頂板主要是碳酸巖，而且厚度較薄，受外力或降水時(shí)間一長(zhǎng)，容易形成塌陷。另外，塌陷群的巖性為志留紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)花崗巖，巖體內(nèi)部并無(wú)大的斷層，但節(jié)理發(fā)育，由于年代久遠(yuǎn)，受風(fēng)化作用影響，結(jié)構(gòu)較松散、多孔隙，巖體完整性較差，在自身重力作用下，易于發(fā)生塌陷。

3.3 塌陷分布規(guī)模及危害分析

圖1上可以看出，紅會(huì)礦區(qū)塌陷群整體上呈集群形式密集發(fā)育，就單個(gè)塌陷坑而言，規(guī)模較小(表1)，屬于中、小型塌陷，但其沿礦區(qū)煤層密集分布，就整個(gè)塌陷群來(lái)說(shuō)，其規(guī)模較大。為了進(jìn)一步分析塌陷群的分布規(guī)律，以現(xiàn)有的開(kāi)采點(diǎn)(硐口及主井)資料為基礎(chǔ)，利用MAPGIS軟件的空間分析模塊進(jìn)行緩沖區(qū)分析，并對(duì)不同緩沖帶內(nèi)塌陷的數(shù)量進(jìn)行區(qū)內(nèi)的檢索統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于跨區(qū)的塌陷坑，參考面積占優(yōu)法［6］進(jìn)行判別歸屬處理(表2)。從圖表上可以明顯看出，塌陷群幾乎全部分布在紅會(huì)煤礦的采礦權(quán)范圍內(nèi)，其發(fā)生與煤礦開(kāi)采點(diǎn)有著直接密切的聯(lián)系，也進(jìn)一步驗(yàn)證了人類活動(dòng)是重要影響因子的結(jié)論;另外，其分布沿著各個(gè)礦井的方向，塌陷群主要集中在1000～2000m和2000～2500m緩沖帶內(nèi)，分別占整個(gè)塌陷群的57.14%和 22.32%，其次是 500～1000m和小于500m的緩沖區(qū)，所占的百分比分別為15.18%、5.36%。

從IKONOS衛(wèi)星影像圖上看到，紅會(huì)礦區(qū)塌陷群規(guī)模龐大，其分布均在礦區(qū)周圍的耕地中部，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的耕種帶來(lái)很大的不便，農(nóng)作物的產(chǎn)量也勢(shì)必會(huì)收到影響，給農(nóng)戶帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。由于塌陷的發(fā)生具有突發(fā)性，同時(shí)會(huì)對(duì)人民的生命安全構(gòu)成威脅。隨著開(kāi)礦工程的進(jìn)一步進(jìn)行，如果不加以控制，塌陷群存在進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。

表1 塌陷群分布統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of ground collapses

表2 緩沖區(qū)塌陷群分布統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of ground collapses in different buffers

4 結(jié)論

(1)IKONOS衛(wèi)星影像通過(guò)正射校正及融合之后，分辨率高，很容易識(shí)別塌陷群，用于大比例尺地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯非常適合。

(2)紅會(huì)塌陷群在 IKONOS衛(wèi)星影像上的影像特征非常明顯，很容易與周圍的其他地物區(qū)分開(kāi)來(lái)，并且沿礦區(qū)煤層發(fā)育，具有群體發(fā)育特征，其分布的密集程度和規(guī)模在整個(gè)礦區(qū)來(lái)說(shuō)很罕見(jiàn)。

(3)人類活動(dòng)、降水及當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)圍巖構(gòu)造是塌陷群的形成的主要影響因素。

(4)塌陷群分布廣，危害較嚴(yán)重，并且處于發(fā)展態(tài)勢(shì)，應(yīng)規(guī)范礦業(yè)行為，采用合理的采礦技術(shù)方法，進(jìn)一步控制災(zāi)害的惡性發(fā)生，使其控制在一定范圍內(nèi)，保護(hù)耕地資源。

［1］寧寶坤，曲國(guó)勝，張寧，等.IKONOS衛(wèi)星影像在城市防震減災(zāi)及震害評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］.地震地質(zhì)，2004，26(1):160-167.

［2］趙文吉.PCI圖像處理教程［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007:5-14.

［3］陳文平，孟令革，韓小明，等.SPOT-5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在煤礦礦區(qū)地面塌陷調(diào)查中的應(yīng)用［J］.河北遙感，2009，16(4):14-16.

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［6］鄔倫.地理信息系統(tǒng)-原理、方法和應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2001:147-148.

Application of IKONOS satellite images to recognition of the ground collapses in Honghui coal mine，Gansu Province

LIU Huan1，ZHU Gu-chang1，2，LI Zhi-feng1，HU Xing-hua1，ZHENG Wei1
(1.School of Geoscience and Enviromental Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing 100012，China)

The high-resolution satellite images as one of remote Sensing techniques have been widely used to the investigation of geologic hazard.In this paper，the high-resolution IKONOS sensing images are carried out by means of orthographic correction processes and images fusion of the IKONOS satellite images.These images as the remote sensing data sources for the interpretation of geologic hazards have assisted in the rapid and accurate recognition of sizes，impact factor and risks of the ground collapse in Honghui zone，Gansu，which achieved good results.

IKONOS satellite images;ground collapses;recognition;application;Honghui Coal Mine;Gansu Province

1003-8035(2010)04-00082-04

P694

A

2010-09-01;

2010-09-28

劉 歡(1986—)，女，在讀碩士，從事遙感地質(zhì)及礦山環(huán)境方面的研究。

E-mail:lblh246@163.com