王海慶， 楊金中， 陳玲， 汪潔， 周英杰， 姚維嶺

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

采煤沉陷區(qū)恢復治理狀況遙感調(diào)查

王海慶， 楊金中， 陳玲， 汪潔， 周英杰， 姚維嶺

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

以山東省某采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)，利用多期光學遙感數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)研究與野外實地調(diào)查相結(jié)合的技術(shù)方法，旨在研究采煤沉陷區(qū)恢復治理狀況。研究表明： ①該研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷嚴重，到2014年采煤沉陷積水區(qū)累計面積達13.62 km2； ②區(qū)內(nèi)采煤沉陷災害發(fā)展迅速，2006—2014年間，積水面積共增加7.78 km2，相對于2006年增長了133%； ③該區(qū)沉陷恢復治理狀況良好，恢復治理面積達11.70 km2，恢復治理比例為85.90%； ④后續(xù)的采煤沉陷仍有可能破壞已恢復治理的工程，將已恢復治理的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰俅位謴椭卫淼膮^(qū)域； ⑤在遙感圖像上，恢復治理區(qū)域容易與非恢復治理區(qū)的地物相混淆，為此，有必要選用多時相遙感數(shù)據(jù)進行仔細對比。

遙感； 煤礦； 沉陷； 恢復治理

0 引言

煤礦資源是我國重要的礦產(chǎn)資源。煤礦的開采利用是國民經(jīng)濟的重要組成部分。但煤礦開采利用的同時也造成了嚴重的地面沉陷，破壞了大量的農(nóng)田、建筑和道路，嚴重影響了當?shù)厝嗣袢罕姷纳?。所以對采煤沉陷區(qū)的恢復治理顯得非常重要。

遙感技術(shù)具有宏觀和客觀的優(yōu)勢，能夠直觀地反映采煤沉陷區(qū)恢復治理的真實狀況。目前利用遙感技術(shù)開展由采礦活動引起的沉陷區(qū)、塌陷區(qū)調(diào)查及監(jiān)測的技術(shù)方法已相對成熟，相應的報道屢見不鮮[1-9]。有關礦山恢復治理的研究也取得了很多成果，王強[10]探討了采煤塌陷區(qū)的綜合治理對策； 朱思東[11]在山東省微山縣采用挖深補淺、建造耕地、取土建魚塘的模式恢復煤礦塌陷地； 黃曉娜等[12]研究了煤礦塌陷區(qū)不同復墾年限土壤顆粒組成的分形特征； 王洪丹等[13]研究了煤礦排土場土壤與地形對植被恢復的影響； 王平等[14]研究了煤礦排土場地形對土壤有機碳的影響； 陳孝楊等[15]研究了覆土厚度對復墾土壤呼吸晝夜變化的影響； 楊勤學等[16]闡述了我國北方露天煤礦區(qū)植被恢復的研究進展； 張紫昭等[17]對新疆煤礦土地復墾為草地的適宜性進行了評價； 付梅臣等[18]闡述了我國煤礦區(qū)低碳型土地復墾的現(xiàn)狀； 楊逾等[19]分析了牛心臺煤礦的土地復墾工程； 王琛等[20]研究了堆肥施用和牧草種植對復墾地土壤肥力的影響； 吳國偉等[21]研究了復墾土地類型變化對植被碳儲量的影響； 黃元仿等[22]闡述了土地復墾生物多樣性保護研究進展。但迄今利用遙感技術(shù)開展礦山恢復治理狀況調(diào)查的報道較少。呂玉鳳[23]利用遙感技術(shù)總結(jié)出福建省礦山環(huán)境恢復治理方案，但該文并沒有針對恢復治理面積進行描述，即難以有效展現(xiàn)恢復治理的成果； 姚維嶺等[24]基于遙感方法分析了山東省礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理的典型模式，但該文對恢復治理面積的描述過于簡單和籠統(tǒng)，即難以展示恢復治理的詳細狀況。

本文采用多期光學遙感數(shù)據(jù)，在室內(nèi)研究的基礎上，輔以野外實地調(diào)查驗證，利用ArcGIS平臺開展研究區(qū)內(nèi)多期遙感數(shù)據(jù)提取采煤沉陷積水面積與恢復治理面積的對比研究，從遙感角度反映出研究區(qū)恢復治理的實際狀況。

1 研究區(qū)概況

本文選擇山東省某采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)。選取依據(jù)為： ①地下開采煤礦集中，在較小的范圍內(nèi)有較大的煤礦開采和生產(chǎn)規(guī)模； ②采煤沉陷嚴重，已經(jīng)形成了一定的采煤沉陷災害，并且采煤沉陷持續(xù)擴展； ③恢復治理工作持續(xù)推進，并已取得一定的效果； ④有多期可供選擇利用的遙感數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

圖1中紅框范圍為研究區(qū)，面積44.39 km2。區(qū)內(nèi)地勢平坦、溝渠交錯、機井密布，為典型的平原地貌，農(nóng)田均為旱澇保收的水澆地。區(qū)內(nèi)涉及2個國有大型煤礦，都為地下開采，且開采和生產(chǎn)規(guī)模較大。根據(jù)以往的研究結(jié)果，區(qū)內(nèi)采煤沉陷嚴重，并且擴展快，危害大[5]，為典型的采煤沉陷區(qū)； 同時恢復治理工作也在持續(xù)進行，并取得了一定的效果。 另外，筆者長期在該區(qū)從事礦山環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測等工作，積累了較多可供利用的遙感數(shù)據(jù)。綜上所述，在該區(qū)開展采煤沉陷區(qū)恢復治理狀況的調(diào)查，將會對其他類似采煤沉陷區(qū)有借鑒意義。

2 遙感數(shù)據(jù)源

分別選取了2006—2014年間曾用于礦山環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測等工作的遙感數(shù)據(jù)(表1和圖2)。

表1 遙感數(shù)據(jù)基本信息

(a) SPOT5 B2(R)，B1(G)，B3(B) (b) WorldView-1全色影像(c) WorldView-2 B3(R)，B2(G)，假彩色合成影像(2006年) (2010年)B1(B)假彩色合成影像(2011年)

(d) YG-5全色影像(2013年) (e) IKONOS B3(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成影像(2014年)

圖2不同時期遙感數(shù)據(jù)快視圖

Fig.2Quick-lookmapofremotesensingdataindifferentperiods

3 遙感識別標志

3.1 采煤沉陷積水區(qū)

采煤沉陷積水區(qū)具有獨特的影像特征，在高空間分辨率遙感圖像中易于識別，完全可以與露天的采沙坑和采土坑區(qū)別開[3-6]。在此不再贅述其識別標志。

3.2 恢復治理區(qū)

研究區(qū)采煤沉陷恢復治理的措施主要包括： 將其建造成耕地、魚塘、工業(yè)用地以及景觀用地。在遙感影像上，可根據(jù)恢復治理措施實施前后變化來識別恢復治理區(qū)，并通過野外現(xiàn)場調(diào)查驗證遙感圖像解譯結(jié)果。

圖3中列出了幾種常見的恢復治理措施實施前后對比示意圖。

(a) 建造成耕地前(2006年)(b) 建造成耕地后(2011年)

(c) 改造成魚塘前(2006年)(d) 改造成魚塘后(2011年)

(e) 改為工業(yè)用地前(2006年) (f) 改為工業(yè)用地后(2011年)

圖3恢復治理前后對比示意圖

Fig.3Sketchmapaboutbeforeandafterrestorationandmanagementareas

從圖3中可以看出，采煤沉陷區(qū)恢復治理前后的遙感特征差異明顯，完全可以根據(jù)其紋理、色調(diào)、邊界及地物的變化區(qū)分出未恢復治理和已經(jīng)恢復治理的沉陷區(qū)域。但若僅從單景遙感圖像入手，還是難以識別恢復治理后的區(qū)域，尤其容易與非恢復治理的地物相混淆。為此，有必要選用多時相遙感數(shù)據(jù)，至少要涵蓋恢復治理前后2個時相的遙感數(shù)據(jù)，才能夠更準確地識別出采煤沉陷恢復治理區(qū)。

采煤沉陷區(qū)恢復治理前后的具體遙感識別標志如表2所示。

表2 沉陷區(qū)恢復治理前后遙感識別標志

4 調(diào)查結(jié)果與分析

根據(jù)遙感識別標志進行綜合判斷分析，在每一期遙感圖像中圈定出采煤沉陷積水區(qū)和恢復治理區(qū)，并通過進一步野外調(diào)查驗證、修改、完善室內(nèi)研究結(jié)果，形成遙感調(diào)查成果。

4.1 采煤沉陷積水區(qū)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷積水區(qū)分布廣、面積大、危害嚴重。研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷積水區(qū)的分布情況如圖4所示。

圖4 采煤沉陷積水區(qū)分布

采煤沉陷積水區(qū)面積統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 采煤沉陷積水區(qū)面積統(tǒng)計

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，2006—2014年間采煤沉陷積水區(qū)的面積逐期擴大，在2006年，采煤沉陷積水面積為5.84 km2； 到2010年采煤沉陷積水面積為9.42 km2，比2006年增長了3.58 km2； 在2011年采煤沉陷積水面積為11.13 km2，比2010年增長了1.71 km2； 到2013年采煤沉陷積水面積為12.37 km2，比2011年增長了1.24 km2； 在2014年采煤沉陷積水面積為13.62 km2，比2013年又增長了1.25 km2，而比2006年共增加了7.78 km2，相對增長了133%。采煤沉陷恢復治理面積變化如圖5所示。

圖5 采煤沉陷區(qū)治理面積變化

4.2 恢復治理區(qū)

從表3及圖5可以看出，研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷恢復治理面積呈逐期增加趨勢。在2006年，恢復治理面積為0.36 km2，恢復治理比例為6.16%； 到2010年，恢復治理面積為6.77 km2，比2006年增長了6.41 km2，恢復治理比例為71.87%； 在2011年，恢復治理面積為10.35 km2，比2010年增長了3.58 km2，恢復治理比例為92.99%； 到2013年，恢復治理面積為11.81 km2，比2011年增長了1.46 km2，恢復治理比例為95.47%； 在2014年，恢復治理面積為11.70 km2，比2013年減少0.11 km2，但仍比2006年增長了11.34 km2，恢復治理比例達到85.90%。其中，2014年恢復治理面積有所下降的原因是： 在后續(xù)的采煤沉陷作用下，原恢復治理工程遭到再次破壞，使得已恢復治理的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰俅位謴椭卫淼膮^(qū)域，如圖6所示。

(a) SPOT5(2006年) (b) WorldView-1(2010年)(c) YG-5(2013年)(d) IKONOS(2014年)

圖6恢復治理區(qū)遭受破壞

Fig.6Destroyedrestorationandmanagementarea

在2006年的遙感圖像中，該區(qū)域為農(nóng)田，未遭受采煤沉陷破壞； 到2010年該區(qū)域遭受采煤沉陷破壞，淪為采煤沉陷積水區(qū)； 到2013年該區(qū)域已經(jīng)被恢復治理，東部被建造成耕地、西部被改造成魚塘； 但在2014年該區(qū)域的恢復治理工程遭到再次破壞，使得東部改造好的農(nóng)田重新淪為采煤沉陷積水區(qū)，需要再次恢復治理(圖6(d))。

5 結(jié)論

1)所選擇的研究區(qū)內(nèi)采煤沉陷嚴重，截止到2014年，在44.39 km2的研究區(qū)內(nèi)，采煤沉陷積水區(qū)累計面積達13.62 km2，約占研究區(qū)總面積的31%。

2)總體來說，該區(qū)內(nèi)采煤沉陷災害發(fā)展迅速，2006—2014年間，根據(jù)獲取的遙感圖像分析，采煤沉陷積水面積共增加了7.78 km2，2014年相對于2006年增長了133%。

3)該區(qū)采煤沉陷恢復治理狀況良好，截止到2014年，在累計13.62 km2中，恢復治理面積達到11.70 km2，恢復治理比例達到85.90%。

4)通過恢復治理，可將沉陷積水區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌愋陀玫?耕地、魚塘、景觀用地和工業(yè)用地等)，但后續(xù)采煤沉陷仍可能破壞已恢復治理的工程，將已恢復治理的區(qū)域再次轉(zhuǎn)變?yōu)槿孕枰謴椭卫淼膮^(qū)域。

5)研究表明，在遙感圖像中，采煤沉陷積水區(qū)域易于識別，甚至利用單景遙感圖像即可開展采煤沉陷積水區(qū)域的遙感解譯； 但其恢復治理區(qū)域不易識別，尤其容易與非恢復治理區(qū)的地物相混淆。為此，有必要選用多時相的遙感數(shù)據(jù)，至少要涵蓋恢復治理前后2個時相的遙感數(shù)據(jù)，才能夠更準確地識別出采煤沉陷恢復治理區(qū)。

本文采用的光學遙感技術(shù)以其宏觀、廉價、快速、高效的優(yōu)勢，較好地彌補了地面調(diào)查的不足。然而，關于采煤沉陷恢復治理的研究仍有一些重要問題需要深入開展。比如： 恢復治理的效益應如何評價？在多種恢復治理措施可供選擇時，應如何決策？在采煤沉陷災害嚴重的區(qū)域是應邊開采邊治理，還是應停止開采？限于筆者收集資料有限，未能在這些方面展開探討，有待后續(xù)開展進一步深入研究。

志謝： 本文研究過程中得到了聶洪峰、王曉紅、荊青青、王斌、李飛、李夢薇和李曉陽等同仁的幫助，在此表示衷心的感謝！

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(責任編輯：陳理)

Remotesensinginvestigationofrestorationandmanagementsituationincoalminesubsidenceareas

WANG Haiqing， YANG Jinzhong， CHEN Ling， WANG Jie， ZHOU Yingjie， YAO Weiling

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083，China)

In this paper, the authors studied restoration and management situation in coal mine subsidence areas using remote sensing images. According to the research objective, the coal mine subsidence area in Shandong Province was chosen as the study area. Multi-stage optical remote sensing images and the technical method which included indoor research and field survey were used. Some conclusions have been reached: ① Coal mine subsidence in this area was very serious, by 2014, water area had reached 13.62 km2; ② Coal mine subsidence was developed rapidly in this area, from 2006 to 2014, coal mine subsidence water area increased by 7.78 km2totally, and the growth rate was 133%; ③ Restoration and management situation was good in study area, its area reached 11.70 km2, and its rate was 85.90%; ④ Original restoration and management project could be destroyed by flow up coal mine subsidence, and the area needs restoration and management again; ⑤ In remote sensing images, restoration and management area is easily confused with other features, and hence it is necessary to use multi-temporal remote sensing data for careful comparison.

remote sensing； coal mine； subsidence； restoration and management

10.6046/gtzyyg.2017.03.23

王海慶,楊金中,陳玲,等.采煤沉陷區(qū)恢復治理狀況遙感調(diào)查[J].國土資源遙感,2017,29(3)：156-162.(Wang H Q,Yang J Z,Chen L,et al.Remote sensing investigation of restoration and management situation in coal mine subsidence areas[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：156-162.)

2016-02-03；

2016-03-17

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“全國礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測”(編號： 121201203000160009)、“礦山環(huán)境綜合調(diào)查與評價”(編號： 1212011120027)和“山東省礦山環(huán)境調(diào)查與評價”(編號： 1212011220073)共同資助。

王海慶(1980-),男,博士,高級工程師,主要從事遙感地質(zhì)應用方面的研究。Email: whq0705@126.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0156-07