周文生，吳振宇，劉海燕

(1.寧夏地質調查院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏遙感測繪勘查院，寧夏 銀川 750021)

寧東地區(qū)目前為寧夏重要的能源基地，其煤炭資源的開采均采用地下開采，由此引發(fā)的地面塌陷、地裂縫等對地表構筑物、公路、管線等產生破壞，同時會產生生態(tài)環(huán)境的破壞［1－3］。該地區(qū)地質災害多采用實地調查的人工監(jiān)測模式，存在調查速度慢，受空間視野的限制等缺陷，對此類災害的預測預報不及時［4］。

因此，需要實時、客觀的高精度信息源對礦產資源開采引發(fā)的地質災害進行監(jiān)測［5］。無人機遙感數據空間分辨率不斷提高，為礦產資源開發(fā)引發(fā)的地質環(huán)境問題監(jiān)測提供了高效可靠地的技術方法［6－8］。地表沉降幅度較小的沉陷區(qū)、發(fā)育規(guī)模較窄的地裂縫的識別精度，取決于遙感信息的空間分辨率和光譜分辨率［9－10］。無人機航拍影像數據空間分辨率為0.2m，可提取豐富的信息，清晰度較高，對于地質環(huán)境問題類型及發(fā)育邊界反映清晰，能較好地區(qū)分地表變形特征結構，為礦區(qū)地質災害的識別奠定了基礎［11］。

選擇寧夏寧東羊場灣礦區(qū)，在系統分析該礦區(qū)地質環(huán)境問題的基礎上，探討了無人機遙感技術在礦山地質環(huán)境調查監(jiān)測中的具體應用。

1 無人機遙感影像解譯

1.1 調查方法

首先對調查區(qū)進行無人機拍攝，將拍攝圖像制作成高分辨率的影像圖，再以影像圖為目視判讀基礎底圖，進行地面塌陷等地質災害判讀解譯，最后在地理信息系統中對解譯結果進行圖斑分類與統計，并對統計結果進行分析［12－14］。

1.2 數據獲取

2011年4月20日上午，在羊場灣礦區(qū)確定了航拍區(qū)域的準確位置，擬定了無人機的飛行高度、航點和航跡。無人機起飛后在地面控制人員指令下執(zhí)行航拍任務，順利完成羊場灣礦區(qū)航拍影像圖的獲取工作［15］。

1.3 解譯標志的建立

(1)地裂縫:裂縫兩側地形高差變化很小，地面裂開寬度達0.1～3m。

(2)塌陷區(qū):裂縫兩側地形高差變化明顯，沉陷區(qū)具有一定的寬度，面積從數百平方米至數萬平方米不等。

(3)堆煤場:形狀比較規(guī)則，在影像圖上邊界清晰，顏色為深黑色。

(4)灰渣場:形狀不規(guī)則，在影像圖上邊界清晰，顏色以灰白色為主。

1.4 遙感影像解譯

通過無人機航拍獲取影像圖后，在室內采用人工目視解譯提取地裂縫、地面塌陷、渣堆等信息。采用室內解譯與野外實地調查相結合、遙感數據與已有相關信息相結合的方法、野外抽查驗證和專家評判等綜合檢驗手段進行，確保結果的質量和精度。

1.4.1 初步解譯與野外調查

初步解譯的工作重點是建立影像解譯標準，通過野外實地調查保證所建立的解譯標志是否正確和可靠。在野外調查中，遙感影像判讀標志根據目標地物與影像特征之間的關系，通過影像反復判讀和野外對比檢驗建立。

1.4.2 室內詳細判讀

室內詳細判讀是在建立遙感影像判讀標志后進行的。遙感影像直接解譯標志是識別地物的重要依據，還可以利用遙感影像種類和比例尺等間接解譯標志來識別目標地物，影像判讀時不能只使用個別判讀標志，盡可能運用所掌握的間接或直接的判讀標志開展綜合分析，提高解譯精確度。

1.4.3 野外驗證與補判

為檢驗目視判讀的解譯精度和質量，需要對室內目視判讀的初步結果進行野外驗證。野外驗證的主要內容包括兩方面:

(1)檢驗專題解譯中圖斑內容的正確性。采取的方法為抽樣檢驗。

(2)根據野外實際考察情況修正目標地物圖斑界線是否定位準確。

2 典型礦山地質環(huán)境問題解譯

2.1 地裂縫解譯

本次研究區(qū)內裂縫主要特征是兩側地形高差變化小，未形成沉陷區(qū)。研究區(qū)部分裂縫規(guī)模較大，在影像圖上呈線狀特征。部分規(guī)模小的地裂縫在圖像中隱約可見，具有地面沉陷地裂縫的影像特征。有的則呈交叉或平行排列格局;有的沿已有老地裂縫向前延伸，呈現或明或暗的直線、折線狀;有時穿過農田形成一定落差的陡坎，在遙感影像上具有不同的影像特征。規(guī)模較大的地裂縫呈條帶狀，裂縫內有植被呈暗紅色。缺乏表土覆蓋的小地裂縫，寬度10～30 cm，但從放大的遙感圖像可以發(fā)現其蹤跡，呈折線狀分布(見圖1)。

圖1 呈折線狀分布的地裂縫遙感解譯示意圖及實地照片

按地裂縫形狀類型可將地裂縫劃分為斷續(xù)型和交叉型兩種，斷續(xù)型地裂縫是由于開采礦產資源引起不均勻的地面沉降，在遙感圖像上呈現出邊界清晰的不連續(xù)線狀(見圖2)。

圖2 斷續(xù)型地裂縫遙感解譯示意圖及實地照片

交叉型地裂縫一般呈簇狀分布，在遙感圖像上是由邊界清晰的多條比較雜亂的小裂縫組成(見圖3)。

圖3 交叉型地裂縫遙感解譯示意圖及實地照片

2.2 地面塌陷解譯

實地觀察發(fā)現，地面沉陷面積較大，沉降幅度較大，一般在2～15m之間。地裂縫在采空塌陷區(qū)周界邊緣分布，部分地段多條地裂縫呈平行排列，發(fā)育方向基本一致。塌陷區(qū)邊界裂縫兩側地形存在一定的高差，引起原始地形坡度、坡向突變，從而改變了光線入射角使局部光譜反射能量改變。地面塌陷區(qū)的形狀與地面道路分布、植被生長排列極不協調，與自然地形坡度有顯著的影像差別，是非人為因素跡象。受地下礦產資源開采方式及采空區(qū)范圍影響，地面塌陷區(qū)發(fā)育規(guī)模大小不一，塌陷面積小者只有數千平方米，大者可達數十公頃。通過影像圖中微地貌的變化可以推斷塌陷伴生地裂縫的位置，從而圈定塌陷區(qū)范圍，并計算其面積。沉陷區(qū)主要為環(huán)狀(見圖4)。

2.3 堆煤場、渣場解譯

堆煤場和渣場在影像圖上的界線較清晰，堆煤場形狀比較規(guī)則一般呈黑色，且內部多有運煤車;渣場形狀不規(guī)則，一般呈灰白色(見圖5)。

圖4 環(huán)狀沉陷區(qū)解譯示意圖及實地照片

圖5 渣場遙感解譯示意圖及實地照片

3 遙感調查結果

通過對本次遙感調查結果的統計分析，研究區(qū)內礦山地質環(huán)境問題主要有地面沉陷、地裂縫和渣場3種類型，其分布特征如圖6所示。根據地面沉陷的遙感影像特征，共解譯圈定出地表沉陷區(qū)13個，總面積達96.75萬m2，平均每個沉陷區(qū)達7.44萬m2，最大地面沉陷區(qū)單體面積近29.6萬m2。主要集中成片分布在羊場灣一號井的東北部以及羊場灣煤礦的南部。根據地裂縫的遙感影像特征，共解譯出地裂縫(未包括沉陷型地裂縫)20條，總長度7 733.03m。最長地裂縫長度1 106.5m，最短的有57.91m。最大寬度達2.1m，分布與地面沉陷區(qū)相似。根據渣場和堆煤場的遙感影像特征，共解譯出60個渣場和13個堆煤場，面積達218.88萬m2，最大堆煤場單體面積達67.62萬m2，最小渣場面積為233.67m2。

圖6 遙感解譯地質災害分布圖

4 結語

采用先進的無人機遙感技術，獲取了羊場灣礦區(qū)高分辨率航拍影像圖，通過人工目視解譯，客觀真實的統計了地面塌陷、地裂縫等礦山地質環(huán)境問題的分布特征。通過本次無人機遙感在寧東礦區(qū)的實際應用，可以看出無人機遙感技術與以往常規(guī)遙感數據獲取手段相比，具有數據獲取及時、快速、現實性強、空間分辨率高等優(yōu)勢。隨著無人機遙感技術的不斷發(fā)展，將在礦山地質環(huán)境調查監(jiān)測領域得到越來越廣泛的應用。

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