蘆少春

(黑龍江科技學(xué)院 地質(zhì)工程研究所，哈爾濱 150027)

采煤塌陷區(qū)的遙感影像特征

蘆少春

(黑龍江科技學(xué)院 地質(zhì)工程研究所，哈爾濱 150027)

遙感是快速、準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測采煤塌陷的重要手段，可為塌陷區(qū)的治理提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。描述了采煤塌陷的不同類型，分析了采煤塌陷在遙感影像上的識別方法，提出了高分辨率影像的采煤塌陷影像特征，并對采煤塌陷的遙感影像進(jìn)行了系統(tǒng)分類整理，得到各類影像的表現(xiàn)特征。該研究有利于遙感技術(shù)在采煤塌陷調(diào)查與治理中的廣泛應(yīng)用。

采煤塌陷;影像特征;地裂縫;塌陷坑;塌陷盆地

隨著我國煤炭產(chǎn)量的激增，從2000年的12.5億 t增加到 2011 年的 35.2 億 t［1］，礦區(qū)采煤塌陷日愈嚴(yán)重。僅山東省一省采煤塌陷面積已累計(jì)達(dá)到70.1萬畝，并且每年將新增采煤塌陷地約5萬畝［2］。采煤塌陷嚴(yán)重威脅到礦區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，給社會經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失，采煤塌陷的治理迫在眉睫。遙感技術(shù)是采煤塌陷研究和治理的重要手段，采煤塌陷的遙感影像特征是遙感技術(shù)的理論基礎(chǔ)。因此，研究采煤塌陷的影像特征，對采煤塌陷的解譯工作具有重要的理論意義和實(shí)用價值。

1 采煤塌陷的類型

采煤塌陷是井工開采時，煤炭被采出后，形成了采空區(qū)，煤層頂板失去煤的支撐，應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破。大面積采空區(qū)的頂部巖層在重力作用下發(fā)生彎曲、斷裂和塌陷［3］。煤層頂板的上覆巖層隨著煤層頂板的塌陷發(fā)生不同程度的彎曲、斷裂和塌陷，這種巖石的破壞作用不斷向上發(fā)展，一直傳導(dǎo)到地面，在地表形成大小不同的、不均勻的沉降。

采煤塌陷有地裂縫、塌陷坑和塌陷盆地3種類型。地裂縫是煤礦采空區(qū)應(yīng)力失衡引發(fā)的煤層頂板巖石斷裂，并導(dǎo)致上覆巖層和第四紀(jì)覆蓋物出現(xiàn)裂縫，在地表形成大小不一的裂縫和縫隙。地裂縫屬張性斷裂(圖1)。

圖1 地裂縫Fig.1 Ground fissures

塌陷坑是煤礦采空區(qū)頂板斷裂后，頂板及上覆巖層發(fā)生塌落，進(jìn)而引起地表發(fā)生局部塌陷，在地表形成小面積的、不規(guī)則的坑類地形。塌陷坑主要發(fā)生在開采埋藏比較淺的煤層和煤層頂板較薄的地區(qū)［4］，呈地面垂直塌落現(xiàn)象。

塌陷盆地是煤礦開采導(dǎo)致頂板和上覆巖層塌陷，進(jìn)而引起地表大面積的、不均勻的沉降。塌陷盆地與塌陷坑的形成機(jī)理相同，塌陷盆地的面積比塌陷坑的面積大得多;塌陷幅度比塌陷坑小得多［5］。塌陷盆地主要發(fā)生在煤層較平緩、埋藏較深的地區(qū)(圖2)。

圖2 積水的塌陷盆地Fig.2 Collapse basin be diped

采煤塌陷的類型、分布和規(guī)模與采煤方法、煤層的賦存條件和煤炭采動次數(shù)等相關(guān)。隨著采動次數(shù)增加、由淺部向深部開采，采煤塌陷的規(guī)模和災(zāi)害的程度也隨之增加。

2 采煤塌陷的識別及影像特征

采煤塌陷有著獨(dú)特的判別標(biāo)志，這些判別標(biāo)志是辨別采煤塌陷的基本要素，是確定采煤塌陷遙感影像特征的基礎(chǔ)。采煤塌陷的遙感影像特征是判讀和研究采煤塌陷的基礎(chǔ)和前提。

2.1 采煤塌陷的識別方法

遙感圖像的解譯通過直接判別標(biāo)志和間接判別標(biāo)志來識別，其影像特征是判別標(biāo)志的綜合體現(xiàn)。遙感影像的直接判別標(biāo)志有色調(diào)、色彩、陰影、大小、形狀、紋理、圖型等［4］;間接判別標(biāo)志有居民地變遷、地表水系改變、植被和土地類型變化、道路改線等［5］。這些判別標(biāo)志或獨(dú)立或組合地構(gòu)成地物的遙感影像特征。

2.2 采煤塌陷的識別特征

2.2.1 地裂縫

地裂縫可分為直線型、交叉型和斷續(xù)型。其兩側(cè)地形高差變化小或沒有變化，地裂縫造成地表水、地下水滲漏，使其周邊的植物種類、長勢發(fā)生變化，形成色調(diào)和紋理上的光譜差異。地裂縫一般成組出現(xiàn)或出現(xiàn)在塌陷盆地的四周;塌陷盆地邊緣的地裂縫，會穿過農(nóng)田形成一定落差的斷陷陡坎。在基巖出露區(qū)和山區(qū)，地裂縫規(guī)模較大，可長達(dá)數(shù)百米，裂縫寬度最大達(dá)1～3 m。第四系覆蓋的平原區(qū)地裂縫一般規(guī)模較大，地表塌陷區(qū)邊緣的地裂縫一般規(guī)模較小。基巖上的小地裂縫，長度為幾米至幾十米，寬度甚至不足10 cm。

2.2.2 塌陷坑

塌陷坑分布不規(guī)則，多數(shù)塌陷坑的坑壁陡直，隨著時間的推移坑壁坍塌變緩，塌陷坑因面積較小，常被人為改造，充填甚至填平，后期不宜觀察。有的塌陷雖未形成坑，但因小幅地面沉降造成土壤結(jié)構(gòu)和水分含量的變化，會顯現(xiàn)出塌陷輪廓(圖3)。一些地面沉陷區(qū)雖已填平，但其淺色環(huán)狀輪廓仍隱約可見，且排列極不協(xié)調(diào)［6］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塌陷坑一般直徑從3～30 m不等，塌陷深度一般2～3 m。

2.2.3 塌陷盆地

圖3 塌陷坑的影像Fig.3 Image of collapse hole

塌陷盆地可分為圓狀、橢圓形、帶狀和平行狀等沉陷類型。塌陷盆地周邊分布有地裂縫，地裂縫兩側(cè)地形高差變化明顯。因第四系沉積物松散，地裂縫深度很小，容易被自然或人為擾動而消失，形成舒緩波狀微型地貌，多數(shù)地裂縫已經(jīng)消失。塌陷盆地易形成積水洼地，有的被改造為耕地(由水田改為旱田)，有的形成積水盆地或被改造為魚塘。

遙感影像中的塌陷盆地呈現(xiàn)出不同大小的積水盆地。塌陷盆地邊緣形成有一定高差的不規(guī)則封閉、半封閉的環(huán)形帶或條帶影像，有時呈斷續(xù)的帶狀。塌陷區(qū)的形狀與農(nóng)田中的道路、田埂和植物行距排列極不協(xié)調(diào)，與自然地形坡度有顯著的影像差別。塌陷區(qū)具有一定的寬度，面積從數(shù)百平方米至數(shù)萬平方米不等。

除上述直接解譯標(biāo)志外，還可將塌陷區(qū)內(nèi)廢棄的人工建筑物、構(gòu)筑物，居民點(diǎn)拆遷;塌陷區(qū)的棄置地較多，土地利用率偏低;因采煤塌陷地下水位下降，導(dǎo)致土地性質(zhì)發(fā)生改變(水田變成旱田);塌陷區(qū)的地表水體形狀不規(guī)則;復(fù)墾的塌陷區(qū)，因回填土的養(yǎng)分比原耕地差，區(qū)內(nèi)植物稀少，色調(diào)為灰－淺灰色等，作為采煤塌陷解譯的間接標(biāo)志［7］。

2.3 常見遙感平臺采煤塌陷的影像特征

遙感的影像特征是地形地物特性在遙感圖像上的綜合反映，對地形地物的特性具有高度概括性和寫實(shí)性。掌握了這些影像特征，即可快速從遙感影像上解讀出相關(guān)的地形地物。

遙感影像因不同遙感平臺的圖像分辨率不同，塌陷的影像特征差別很大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在采煤塌陷的研究方面中高分辨率遙感圖像得到廣泛的應(yīng)用，與低分辨率影像相比更易識別，具有更好地識別效果。在采煤塌陷區(qū)的研究中也逐漸以高分辨率的影像為主。文中研究是基于SPOT－5和Quick bird兩平臺的遙感影像。

SPOT－5平臺可提供中高分辨率(全色2.5 m，多光譜5 m)的遙感影像。大中型的塌陷能夠識別，中型的地裂縫呈現(xiàn)為短線，小于3 m的地裂縫難以識別。大的塌陷坑表現(xiàn)為小圖斑，通過顏色色調(diào)可辨別。塌陷盆地表現(xiàn)為中小型的環(huán)形、橢圓形斑點(diǎn)和斑塊狀(圖4)。

圖4 SPOT影像上的塌陷盆地Fig.4 Land collapse in SPOT image

Quick bird平臺可提供高分辨率(全色0.61 m)的遙感影像。一般的塌陷均能識別。大中型的地裂縫呈線狀或成組出現(xiàn)，小的地裂縫呈短線或點(diǎn)。大的塌陷坑呈規(guī)則、不規(guī)則的中小圖斑。塌陷盆地呈大小不一、規(guī)則、不規(guī)則的環(huán)形、橢圓形和斑塊狀。

通過對兩種平臺的不同地區(qū)、大量影像的對比、分析，結(jié)合前文的采煤塌陷的識別特征，得出采煤塌陷影像的普遍特征和規(guī)律:

(1)地裂縫。在遙感影像上形狀呈現(xiàn)出短至長的蠕蟲狀、折線狀，多條地裂縫呈交叉、平行或不規(guī)則排列，大規(guī)模的地裂縫在高分辨率的影像上呈斷線狀。顏色為黑色、灰黑色，或明或暗，部分裂縫兩側(cè)顏色有差異。間接標(biāo)志是居民房屋破損，居住區(qū)新舊程度不一。

(2)塌陷坑。因面積小在遙感影像上形狀呈現(xiàn)出斑點(diǎn)狀、斑塊狀、小圓狀，形狀不規(guī)則，呈獨(dú)立個體成群分布，色調(diào)明暗不同;顏色為綠色、墨綠;紋理雜;陰影方向與正地形相反。間接標(biāo)志是植被的顏色不同，呈現(xiàn)部分的斑點(diǎn);居住區(qū)有房屋遺跡。

(3)塌陷盆地。在遙感影像上形狀呈現(xiàn)出圓形、橢圓形斑點(diǎn)和斑塊狀，或獨(dú)立或成群分布，色調(diào)明暗不同［8］。塌陷區(qū)邊緣形成不規(guī)則封閉、半封閉的環(huán)形帶或條帶影像，有時呈斷續(xù)的帶狀。常積水;顏色呈藍(lán)色、深藍(lán);紋理粗;與周邊植被顏色不同、有明顯邊界。間接標(biāo)志有邊界有陰影、植被顏色與外界顏色不一;魚塘邊緣規(guī)則，非人工所為。

3 結(jié)束語

筆者在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，分析SPOT－5和Quick bird平臺下采煤塌陷的遙感影像特征，進(jìn)而對其進(jìn)行了歸類。采煤塌陷地裂縫的影像特征主要有:線狀或斷線狀，或短或長，或規(guī)則或不規(guī)則排列。塌陷坑的影像特征主要有:斑點(diǎn)狀、小圓狀，排列不規(guī)則。塌陷盆地影像特征主要有:圓形、橢圓形或條帶狀，部分常年積水，藍(lán)色、深藍(lán)色，有明顯邊界。掌握這些采煤塌陷的影像特征，可在遙感影像上快速識別采煤塌陷并計(jì)算出其面積，為采煤塌陷的治理提供可靠的依據(jù)。

［1］中國煤炭網(wǎng).2000－2011年全國煤炭產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)圖［EB/OL］.(2012－03－26) ［2012－07－09］.http://www.ccoalnews.com/zt/shierwuguihua/179994.html.

［2］崔艷紅.山東省每年新增采煤塌陷地5萬畝現(xiàn)有70.1萬畝［N/OL］.山東商報(bào)，(2012－05－30)［2012－07－09］.http://www.envir.gov.cn/info/2012/5/530247.htm.

［3］鹿獻(xiàn)章，楊義忠，喻 根，等.淮北市北區(qū)地表水體集采空塌陷遙感調(diào)查［J］.安徽地質(zhì)，1997，7(01):79－87.

［4］梅安新，彭望琭，秦其明，等.遙感導(dǎo)論［M］.北京:高等教育出版社，2001:145.

［5］李成尊，聶洪峰，汪 勁，等.礦山地質(zhì)災(zāi)害特征遙感研究［J］.國土資源遙感，2005(1):45－48.

［6］張敦虎，盧中正，強(qiáng)建華，等.地面塌陷特征及其遙感識別方法研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009(03):8－12.

［7］李成尊，聶洪峰，汪 勁，等.SPOT－5衛(wèi)星圖像在采煤塌陷區(qū)及邊界圈定中的應(yīng)用［J］.［2012 －07 －09］.http://water.cgs.gov.cn/web/UploadFiles-9892/200705/20070531105956111.pdf.

Study remote sense image feature of coal mining collapse

LU Shaochun
(Institute of Geology Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Remote sense，functioning as an important method for fast，accurate，and effective observation of the coal mining collapse，provides reliable basis for the management of collapse area.This paper describes different types of coal mining collapse，offers an analysis of the identification method of coal mining collapse in remote sense image，and highlights the image feature of high resolution remote sense of coal mining collapse，along with the development of all kinds of the remote sense image feature of coal mining collapse by summing up coal mining collapse of the remote sense image.The research makes for a wide use of remote sense in technology in investigation into and control of coal mining collapse.

coal mining collapse;image feature of remote sense;ground fissures;collapse hole;collapse basin

P642.26

A

1671－0118(2012)05－0466－03

2012－08－01

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(10551268)

蘆少春(1965－)，男，黑龍江省牡丹江人，副教授，碩士，研究方向:遙感應(yīng)用，E-mail:lsc130@163.com。

(編輯 王 冬)