周學(xué)珍，岳彩榮，徐天蜀，高會(huì)軍，滿 松

（1.西南林業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西安煤航衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

開(kāi)采煤炭資源能夠造福人類，但同時(shí)也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞[1，2]。特別是一些非法煤礦亂采濫挖引起環(huán)境污染、資源破壞和礦山地質(zhì)災(zāi)害等一系列問(wèn)題更為嚴(yán)重[3]。因此如何有效地進(jìn)行煤炭資源開(kāi)采秩序監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的礦山監(jiān)測(cè)是采用“逐級(jí)統(tǒng)計(jì)上報(bào)、群眾舉報(bào)”的方法進(jìn)行，不僅耗資巨大而且周期長(zhǎng)、時(shí)效性差、人為因素影響大、準(zhǔn)確度低[4]，它已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化管理的需求。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，商業(yè)化資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率越來(lái)越高。遙感圖像具有的宏觀性、真實(shí)性和全面性，為我們提供了可靠的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地物的識(shí)別分析依據(jù)[5]。遙感信息處理技術(shù)的不斷進(jìn)步以及GIS技術(shù)的不斷普及和應(yīng)用，利用RS與GIS技術(shù)，在一定范圍內(nèi)對(duì)煤炭資源開(kāi)采秩序進(jìn)行監(jiān)測(cè)已成為可能[6]。這一方法為執(zhí)法部門低成本快速高效地進(jìn)行礦山監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)執(zhí)法依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西省是一個(gè)礦產(chǎn)資源較為豐富的地區(qū)，其中陜北煤炭資源豐富。本文的監(jiān)測(cè)區(qū)——神府煤礦區(qū)位于鄂爾多斯高原東南部、毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，面積約2 800 km2，屬于陜北溫帶干旱—半干旱氣候區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造和水文條件較簡(jiǎn)單，煤層層位穩(wěn)定，以硐采為主，監(jiān)測(cè)區(qū)共設(shè)置礦權(quán)213處，但礦權(quán)之外的非法開(kāi)采仍屢見(jiàn)不鮮。

2 數(shù)據(jù)的選擇與處理

煤礦區(qū)開(kāi)采秩序監(jiān)測(cè)就是通過(guò)獲取不同時(shí)期、不同數(shù)據(jù)源的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行一些運(yùn)用前的預(yù)處理，再結(jié)合礦權(quán)信息、監(jiān)測(cè)區(qū)自然地理、地質(zhì)背景、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等資料，從中提取、分析變化信息以實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)目的。因此，遙感影像和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和處理，是煤炭資源開(kāi)采秩序監(jiān)測(cè)所要解決的基本問(wèn)題。

2.1 數(shù)據(jù)選擇

遙感數(shù)據(jù)源種類較多，各種數(shù)據(jù)的光譜分辨率、空間分辨率和價(jià)格差異都非常大，選擇時(shí)要根據(jù)監(jiān)測(cè)精度，力求做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本文選用2010年5月24日的IKONOS數(shù)據(jù)PAN波段與多光譜波段數(shù)據(jù)，PAN波段空間分辨率為1.0 m，4個(gè)多光譜波段（藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外波段）空間分辨率為4.0 m，能夠滿足監(jiān)測(cè)區(qū)需求。收集的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括：工作區(qū)自然地理、地質(zhì)背景、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等資料，1：10 000～1：50 000比例尺地形圖、1∶10 000工作區(qū)由p5影像生產(chǎn)的DEM數(shù)據(jù)，采礦權(quán)數(shù)據(jù)庫(kù)，礦產(chǎn)資源分布、規(guī)劃、礦山環(huán)境等有關(guān)圖件、文字資料、數(shù)據(jù)表格等。

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理工作采用ERDAS9.2圖像處理系統(tǒng)平臺(tái)，主要有圖像正射校正、圖像配準(zhǔn)、圖像融合、增強(qiáng)、圖像鑲嵌等幾個(gè)步驟。

IKONOS數(shù)據(jù)利用ERDAS軟件提供的有理函數(shù)模型自動(dòng)獲取待校正遙感影像的瞬時(shí)狀態(tài)參數(shù)（包括衛(wèi)星成像瞬間的高度、傾角、經(jīng)緯度等）來(lái)恢復(fù)該影像的成像模型，根據(jù)成像模型利用IRS-p5 生成的高精度DEM進(jìn)行正射校正。正射校正后采用立方卷積方法對(duì)影像進(jìn)行重采樣，采樣間隔為全色波段本身的地面分辨率。

影像配準(zhǔn)是影像融合的前提和基礎(chǔ)，配準(zhǔn)的精度直接影響最終影像圖制作的質(zhì)量。IKONOS數(shù)據(jù)多光譜和全色波段已經(jīng)配準(zhǔn)，可以直接融合。本監(jiān)測(cè)區(qū)經(jīng)過(guò)多種融合方法實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終采用高通濾波法進(jìn)行融合。融合前還需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理：一方面，提高全色數(shù)據(jù)的亮度，增強(qiáng)局部反差突出紋理細(xì)節(jié)，盡可能降低噪聲；另一方面，多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩增強(qiáng)，拉大不同地類之間的色彩反差，突出其多光譜彩色信息。

因?yàn)楦骶埃l帶）數(shù)據(jù)時(shí)相不完全一致、成像條件不同，單純拼接形成的圖幅色調(diào)不一，條塊明顯，這就必須進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，使得鑲嵌圖各處的色調(diào)基本一致。先分別對(duì)各塊數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，保證景內(nèi)的色調(diào)一致；然后再利用景間的重疊度，擴(kuò)散聯(lián)調(diào)，達(dá)到所有景的色調(diào)統(tǒng)一。由于圖像數(shù)據(jù)時(shí)相不可能全部一致，在對(duì)各景數(shù)據(jù)進(jìn)行色調(diào)調(diào)整無(wú)法采用直方圖均衡化、直方圖匹配等自動(dòng)處理方法時(shí)，主要應(yīng)用PhotoShop軟件，進(jìn)行手工鑲嵌調(diào)色處理。當(dāng)相鄰兩景影像時(shí)相或質(zhì)量相差不大時(shí)，保持影像紋理、色彩自然過(guò)渡；時(shí)相差距較大、地物特征差異明顯時(shí)，保持各自的紋理和色彩，但同一地塊內(nèi)光譜特征保持一致。

3 信息的提取

信息提取是以ArcGIS為平臺(tái)，將礦權(quán)信息等非遙感信息疊加在遙感影像上進(jìn)行輔助判別，采用人機(jī)交互解譯和信息自動(dòng)提取相結(jié)合的方法進(jìn)行，對(duì)比多期遙感數(shù)據(jù)，挖掘其相關(guān)規(guī)律，綜合分析和推理最終達(dá)到識(shí)別目標(biāo)或現(xiàn)象的一個(gè)過(guò)程。信息提取主要包括開(kāi)采點(diǎn)或開(kāi)采面的位置（井口、硐口、露天采場(chǎng)、活動(dòng)采區(qū)）、開(kāi)采狀態(tài)（開(kāi)采、停產(chǎn)或關(guān)閉）、開(kāi)采方式（露天、地下或聯(lián)合）。

3.1 開(kāi)采位置的判定

對(duì)于埋藏較淺，規(guī)模較大的煤礦礦山，往往采用露天開(kāi)采的方式。通常煤礦露天采場(chǎng)的解譯是綜合判定的過(guò)程，不僅需要通過(guò)色調(diào)、大小、形狀、位置、布局和紋理等直接解譯條件，還需要借助礦山開(kāi)采基地影像組合特征進(jìn)一步確定。露天采場(chǎng)位置的判斷標(biāo)準(zhǔn)主要是通過(guò)影像色彩、紋理特征、礦山輔助設(shè)施、礦區(qū)道路情況等進(jìn)行判斷。針對(duì)分辨率高于1 m的IKONOS遙感數(shù)據(jù)，其圖像紋理清晰，色彩均衡，對(duì)露天采場(chǎng)位置的易于判斷。例如露天開(kāi)采礦山通常采用階梯式向下開(kāi)采方式，邊坡顯示階梯狀弧形、環(huán)形紋理，分布密集，在陰坡反映較為醒目；在邊坡的某些地段，密集的弧形紋理旁側(cè)還伴有棄土排放的痕跡，反映該段邊坡經(jīng)過(guò)削坡治理。底層為正在進(jìn)行作業(yè)的活動(dòng)開(kāi)采面，該形跡在高分辨率遙感影像上尤為明顯，是判定露天開(kāi)采面的重要標(biāo)志之一（見(jiàn)圖1）。露天采場(chǎng)的開(kāi)采面色調(diào)基本呈現(xiàn)黑色或深灰色，這是判定露天采面位置的另一重要標(biāo)志（見(jiàn)圖2）。

圖1 階梯式向下的露天采場(chǎng)

圖2 露天采場(chǎng)呈現(xiàn)黑、深灰色調(diào)

針對(duì)煤礦礦體埋藏較深，在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上不適合于露天開(kāi)采的礦床，通過(guò)開(kāi)掘井巷進(jìn)行地下開(kāi)采，地下開(kāi)采硐口水平投影面積通常小于10 m2，且與地表呈近水平或小角度相交，因此即便是高分辨率遙感影像，也難以直接解譯硐口位置，通常通過(guò)地下開(kāi)采煤礦的特點(diǎn)根據(jù)間接要素（如礦山建筑、礦山公路、采礦廢渣等）判定硐口位置。例如較大型的煤礦礦山硐口較容易解讀，采取就地建選礦廠，就地選礦的模式，選礦廠與硐口之間有小的運(yùn)礦用鐵軌或傳送帶相連，可根據(jù)軌道、運(yùn)礦車、選礦廠等確定采礦硐口的位置（見(jiàn)圖3）。開(kāi)采規(guī)模小的煤礦硐口多分布在溝谷上方道路盡頭，遙感影像上的道路表現(xiàn)為連通性差的“盲腸路”、“斷頭路”（見(jiàn)圖4）。

圖3 大型煤礦通過(guò)傳送帶判斷煤礦硐口

圖4 通過(guò)“盲腸路”、“斷頭路”判斷煤礦硐口

3.2 開(kāi)采狀態(tài)的判定

露天采場(chǎng)的開(kāi)采狀態(tài)主要為正在開(kāi)采礦山和關(guān)停礦山2種，正在開(kāi)采露天煤礦指采礦設(shè)備齊全，正在進(jìn)行采礦作業(yè)的礦山；關(guān)停的露天煤礦指采場(chǎng)已經(jīng)廢棄，無(wú)任何采礦設(shè)備的礦山。開(kāi)采狀態(tài)的判斷主要根據(jù)煤礦采場(chǎng)的直接判讀影像特征（如色調(diào)、色彩、大小、形狀、陰影、紋理、圖案等）以及間接判讀特征（如采礦權(quán)信息、煤礦附屬設(shè)施、礦山道路情況等）進(jìn)行綜合分析判斷。例如根據(jù)遙感影像紋理特征判斷，一般停止開(kāi)采的露天煤礦在形狀上與正在開(kāi)采類似，但關(guān)停礦山色調(diào)由灰至灰白不等，停產(chǎn)越久的礦山色調(diào)越淺，與周圍環(huán)境過(guò)渡地帶色調(diào)反差比較低；正在開(kāi)采狀態(tài)的露天煤礦在色調(diào)方面比停采的礦山暗，與周圍環(huán)境過(guò)渡地帶色調(diào)反差較大（如圖5所示）。

圖5 通過(guò)影像色彩判斷露天開(kāi)采的狀態(tài)

地下硐口開(kāi)采狀態(tài)根據(jù)遙感影像紋理特征判斷，處于開(kāi)采狀態(tài)的煤礦硐口附近一般為礦山的中轉(zhuǎn)場(chǎng)地，存放或堆積有較多新鮮煤堆，形態(tài)呈錐形或梯形，色彩為黑色或深灰色，與周邊地表環(huán)境色彩差異明顯；關(guān)閉煤礦硐口周邊一般無(wú)煤堆堆放，中轉(zhuǎn)場(chǎng)地色彩為灰白色，部分場(chǎng)地內(nèi)有廢渣堆放，廢棄時(shí)間較長(zhǎng)礦山的中轉(zhuǎn)場(chǎng)地與周邊環(huán)境差異較?。ㄒ?jiàn)圖6）。

圖6 通過(guò)影像紋理判斷硐采煤礦的開(kāi)采狀態(tài)

3.3 開(kāi)采方式的判定

開(kāi)采方式分為露天開(kāi)采、地下開(kāi)采和聯(lián)合開(kāi)采。通過(guò)遙感影像的目視解譯，在對(duì)煤礦區(qū)開(kāi)采位置和開(kāi)采狀態(tài)判斷的同時(shí)，就可以判斷出為何種開(kāi)采方式。

3.4 煤炭開(kāi)采的秩序判定

根據(jù)上述開(kāi)采信息的判定結(jié)果，結(jié)合礦權(quán)信息進(jìn)行煤炭開(kāi)采秩序的判斷分析。煤礦開(kāi)采秩序是指開(kāi)采煤礦生產(chǎn)的合法性，包括合法開(kāi)采與違規(guī)開(kāi)采2個(gè)方面，判斷的主要依據(jù)為采礦信息。合法開(kāi)采的煤礦指有礦權(quán)設(shè)置，且礦權(quán)尚未過(guò)期，開(kāi)采面在礦權(quán)設(shè)置的范圍之內(nèi)，目前正在生產(chǎn)；違規(guī)開(kāi)采煤礦指無(wú)有效礦權(quán)設(shè)置或開(kāi)采方式與礦權(quán)要求不一致的生產(chǎn)礦井。違規(guī)形式為6種類型：無(wú)證開(kāi)采、越界開(kāi)采、過(guò)期開(kāi)采、擅自改變開(kāi)采方式、擅自改變開(kāi)采礦種和一證多井。本監(jiān)測(cè)區(qū)初步解譯疑似違法圖斑有300個(gè)。

4 野外驗(yàn)證與結(jié)果分析

野外實(shí)地驗(yàn)證工作是在室內(nèi)信息提取完成后開(kāi)展的，其目的是：①驗(yàn)證室內(nèi)建立的專題信息解譯標(biāo)志是否準(zhǔn)確，是否具有代表性；②核查有疑問(wèn)的信息、補(bǔ)充遺漏信息、修改誤提信息[7]。驗(yàn)證工作采用GPS定位、面積量測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)拍照、環(huán)境描述、圖斑定性等調(diào)查觀測(cè)手段。本監(jiān)測(cè)區(qū)共驗(yàn)證圖斑90余個(gè)，圖斑驗(yàn)證比例達(dá)30%，經(jīng)驗(yàn)證解譯精度達(dá)到了99%。

神府煤礦區(qū)共發(fā)現(xiàn)煤礦300處，其中，硐采292處，合法開(kāi)采92處，暫停72處，關(guān)閉112處，新建9處，無(wú)證開(kāi)采7處；露天開(kāi)采8處，其中開(kāi)采3處為井工變露采，關(guān)閉5處。

5 結(jié) 語(yǔ)

研究結(jié)果表明：基于RS和GIS的煤炭資源開(kāi)采秩序監(jiān)測(cè)研究，在技術(shù)上是可行的。利用遙感圖像不斷提高的光譜分辨率、空間分辨率和時(shí)間分辨率，可以快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地識(shí)別煤炭資源開(kāi)采狀況，為執(zhí)法部門行使政府職能、整頓煤礦開(kāi)采秩序、合理開(kāi)發(fā)煤炭資源，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]，相對(duì)于傳統(tǒng)管理模式大大提高了工作效率。

[1]Rouse JW, Hass RH and Sehell JA，et al.1973.Monitoring Vegetation Systems in Great Plains with ERTS[C].Third ERTS Symposium, NASA SP 351,309-317

[2]Duncan J, Stow D and Franklin J, et al.Assessing the Relationship between Spectral Vegetation Indices and Shrub Cover in Jomada Basin, New Mexico[J].International Journal Remote Sensing, 1993,14(18):3 395-3 416

[3]王永剛.基于遙感和GIS技術(shù)的北京市礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)狀況監(jiān)測(cè)研究[J].國(guó)土資源信息化,2008,6(6):6-11

[4]康高峰,盧中正,李社,等.遙感技術(shù)在煤炭資源開(kāi)發(fā)狀況監(jiān)督管理中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2008(1):13-16

[5]尚紅英,陳建平,李成尊,等.RS在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以新疆稀有金屬礦集區(qū)為例[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2008,4(2):189-194

[6]況順達(dá),趙震海.SPOT5在礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探,2005,5(3):79-82

[7]丁麗,朱谷昌,王娟,等.IKONOS影像在礦山環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以白銀煤礦區(qū)為例[J].測(cè)繪與空間地理信息,2010,2(1):37-41

[8]褚進(jìn)海,彭鵬,李鄭,等.遙感技術(shù)在礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].安徽地質(zhì),2009,9(3):194-199