倪 衡,李效順,2①,鹿 瑤,閆慶武,卞正富

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)土地問(wèn)題研究中心,江蘇 南京 210095)

煤炭資源是國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和基本保障。我國(guó)是一個(gè)多煤少油的國(guó)家,國(guó)家關(guān)于煤炭行業(yè)發(fā)展的“十三五”規(guī)劃中指出,煤炭仍將長(zhǎng)期是我國(guó)的主體能源[1]。目前,由于東中部地區(qū)煤炭資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益尖銳,煤炭資源的開發(fā)重心不斷向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移[1]。煤炭在保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),不可避免地會(huì)造成礦區(qū)內(nèi)土地退化,植被破壞,大氣、水體、土壤污染,尤其是西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱,大規(guī)模的采礦活動(dòng)會(huì)引起一系列諸如生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性喪失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2-6],會(huì)對(duì)西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。這些生產(chǎn)-生活-生態(tài)之間的矛盾嚴(yán)重制約著礦區(qū)資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,因此,需要及時(shí)、準(zhǔn)確、高效的監(jiān)測(cè)方法來(lái)確保長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的可行性及對(duì)突發(fā)事件的及時(shí)處理,為煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)方法和決策參考。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式以人工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研為主,需要在礦區(qū)內(nèi)建立固定的觀測(cè)站并派專人定期觀測(cè),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,成本高,難度大,獲取數(shù)據(jù)量有限且更新速度慢,無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)期精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的目的,很難滿足地方政府和相關(guān)部門的實(shí)際監(jiān)測(cè)需求。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式已逐漸被遙感監(jiān)測(cè)方式所替代。遙感技術(shù)因其具有的宏觀性、時(shí)效性、客觀性、數(shù)據(jù)穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于煤礦區(qū)開采活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[7-14]。

彭蘇萍等[9]利用多時(shí)相TM影像數(shù)據(jù),采用主成分分析法,較好地提取煤礦區(qū)積水塌陷動(dòng)態(tài)變化信息;王曉紅等[15]系統(tǒng)對(duì)比了多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況及其引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題的監(jiān)測(cè)效果與性能,最終發(fā)現(xiàn)高分辨率影像在監(jiān)測(cè)硐采礦區(qū)時(shí)的性價(jià)比最高;蔡博峰等[16]以霍林河一號(hào)露天礦為例,基于遙感方法,結(jié)合地面實(shí)地踏勘和樣方調(diào)查及室內(nèi)GIS分析,針對(duì)礦區(qū)生態(tài)變化特征構(gòu)建生態(tài)變化監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方法;于頌等[4]利用決策樹分類對(duì)平朔露天煤礦的土地利用變化情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),取得了較好的效果;湯傲[17]利用多光譜及雷達(dá)影像數(shù)據(jù),測(cè)度了烏海礦區(qū)的生態(tài)受損情況,并提出了相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)策略。

盡管目前已有以上多種遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究,但仍缺少有關(guān)界定露天礦區(qū)覆煤地表范圍的研究,筆者以云南開遠(yuǎn)小龍?zhí)堵短烀旱V為研究區(qū),基于礦區(qū)典型地物水體、植被、裸地和煤堆的光譜特征以及Landsat 8遙感數(shù)據(jù)的波段特性,提出了歸一化差異煤礦指數(shù)(normalized difference coal mine index, NDCMI),并結(jié)合地物樣本NDCMI值設(shè)定閾值區(qū)分煤堆與背景地物信息。根據(jù)礦山開采和堆積方式,采用實(shí)地調(diào)研、遙感解譯、統(tǒng)計(jì)分析和歷史對(duì)比相結(jié)合的方法,提高識(shí)別精度,以期為有關(guān)部門的監(jiān)測(cè)工作提供方法上的借鑒。

1 研究區(qū)概況

小龍?zhí)兜V區(qū)位于云南省紅河哈尼族彝族自治州開遠(yuǎn)市小龍?zhí)舵?zhèn)轄區(qū)內(nèi),是目前云南省最大的現(xiàn)代化露天煤礦,同時(shí)也是國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)的13個(gè)大型煤炭基地——云貴基地的重點(diǎn)礦區(qū)之一,是云南省重要的能源生產(chǎn)基地。小龍?zhí)兜V區(qū)下轄小龍?zhí)逗筒颊訅?個(gè)露天礦,分布在南盤江兩側(cè)。小龍?zhí)兜V區(qū)所處地區(qū)為典型的山間盆地。該盆地是一個(gè)東北—西南向的壩子,東西寬約3 km,南北長(zhǎng)7 km,其中,含煤面積大約為9 km2。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

由于小龍?zhí)兜V區(qū)位于亞熱帶地區(qū)的山間盆地,理想數(shù)據(jù)的獲取較為困難?？紤]到云量和季節(jié)的影響,采用Landsat 8遙感影像(https:∥www.usgs.gov)作為數(shù)據(jù)源,其空間分辨率為30 m,并選取2013—2018年的6期遙感影像,具體信息見(jiàn)表1。

表1Landsat8OLI遙感影像數(shù)據(jù)信息

Table1RemotesensingimagedatafromLandsat8OLI

行列號(hào)采集時(shí)間 129/442013-09-11 129/432014-04-23 129/432015-02-21 129/432016-03-11 129/432017-05-01 129/432018-03-01

在獲取多期遙感影像之后,首先對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正等預(yù)處理工作[18],然后根據(jù)目視解譯結(jié)果與實(shí)地調(diào)研情況將預(yù)處理后的影像進(jìn)一步裁剪得到研究區(qū)影像(圖1)。

2.2 煤礦指數(shù)的構(gòu)建

地物的反射率隨著波長(zhǎng)變化而變化,構(gòu)成了地物自身獨(dú)特的波譜,從而為遙感影像的判斷提供依據(jù),這也是比值型遙感指數(shù)的構(gòu)建原理。目前利用比值運(yùn)算創(chuàng)建的指數(shù)很多,常見(jiàn)的有歸一化植被指數(shù)(NDVI)和歸一化水體指數(shù)(NDWI)等[19-20]。比值型指數(shù)創(chuàng)建的基本原理是在多光譜波段內(nèi),找出目標(biāo)物與其他地物之間的波譜差異,并利用比值算法拉大其差距,使目標(biāo)地物在經(jīng)過(guò)指數(shù)處理后所得到的影像上實(shí)現(xiàn)亮度的增強(qiáng),而其他地物則作為背景,亮度被削弱,從而達(dá)到突出目標(biāo)地物的目的。

通過(guò)目視解譯與實(shí)地調(diào)研,將露天煤礦常見(jiàn)的地物分為水體、植被、裸地和煤堆4類。在遙感影像上分別選取地物樣本并分析其光譜特征,可以發(fā)現(xiàn)在可見(jiàn)光波段和紅外波段上4類地物具有較大差異,具體特征見(jiàn)圖2。

顏色較深部分主要為煤堆以及部分水體,白色及灰色部分為裸地及工棚,綠色部分為植被。圖1 小龍?zhí)兜V區(qū)2013—2018年5、4、3波段合成的Landsat 8影像

水體的反射主要發(fā)生在藍(lán)綠光波段,在其他波段范圍內(nèi)吸收都較強(qiáng),所以水體在可見(jiàn)光波段和紅外波段上整體反射率不高。植被的光譜特征有較為明顯的規(guī)律,主要分為3個(gè)部分:可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)反射率較低;近紅外波段反射率明顯升高;中紅外波段范圍內(nèi)反射率呈降低趨勢(shì)。通過(guò)目視解譯與實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),小龍?zhí)兜V區(qū)裸地屬于裸巖石礫地,其反射率在可見(jiàn)光波段到近紅外波段范圍內(nèi)一直呈上升趨勢(shì),在中紅外波段上有一個(gè)峰值,隨后下降。在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)煤堆整體反射率較低,與水體較為接近;在紅外波段呈上升趨勢(shì),且在中紅外波段處有一個(gè)峰值,隨后下降,與裸地的特征較為相似。

在露天煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中,巖石、土塊等與煤堆可能會(huì)摻雜在同一片地域范圍內(nèi)。因此,為了識(shí)別礦區(qū)內(nèi)煤塊的分布,首先需要將其與水體、植被區(qū)分開來(lái)。在Landsat 8遙感影像的樣本地物光譜中,可以發(fā)現(xiàn)水體和植被的波段5反射率(Rb5)高于波段6(Rb6),而煤塊和裸地則相反;同時(shí),水體、植被和煤塊的反射率在波段1到波段4范圍內(nèi),增幅不明顯,而裸地在此范圍內(nèi)則有較大增幅?；谝陨?個(gè)特性,為了區(qū)分煤塊與水體、植被和裸地的光譜差異,構(gòu)建了歸一化差異煤礦指數(shù)(INDCM):

INDCM=(Rb1-Rb4)/(Rb1+Rb4)+(Rb5-Rb6)/(Rb5+Rb6)。

(1)

式(1)中,Rb1、Rb4、Rb5和Rb6分別為L(zhǎng)andsat 8數(shù)據(jù)藍(lán)光波段、紅光波段、近紅外波段和中紅外波段反射率。

3 結(jié)果與分析

3.1 閾值提取

在所選取的Landsat 8影像中分別取波段1、波段4、波段5和波段6,計(jì)算小龍?zhí)兜V區(qū)2013—2018年NDCMI,得到小龍?zhí)兜V區(qū)近6 a來(lái)的NDCMI灰度圖像(圖3)。

圖3 小龍?zhí)兜V區(qū)2013—2018年NDCMI灰度圖

NDCMI值分布在-1～1之間,煤堆所處的像元,NDCMI值較高,呈現(xiàn)高亮色調(diào),樣本最高值可達(dá)0.62;而水體、植被和裸地3類地物分布的區(qū)域,NDCMI值較低,呈現(xiàn)低暗色調(diào),在河流附近和森林中間沒(méi)有煤堆分布,樣本最小值可達(dá)-0.50。綜合分析所選取4類地物樣本像元的NDCMI值,其頻率分布直方圖大體呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)(圖4)。根據(jù)各地物樣本的NDCMI值,并參考其頻率分布直方圖的特征值,將圖4變化為正態(tài)分布形式,結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知,煤堆與非煤堆地物的分界線位于NDCMI值為0.36處,因此,將NDCMI值為0.36作為煤塊覆蓋區(qū)與非煤覆蓋區(qū)分布的區(qū)分界限,將礦區(qū)分為煤塊覆蓋區(qū)和非煤覆蓋區(qū)2個(gè)部分。通過(guò)目視解譯與實(shí)地調(diào)研可知,小龍?zhí)兜V區(qū)煤塊覆蓋區(qū)即為采煤作業(yè)區(qū),因此,NDCMI值為0.36也是采煤作業(yè)區(qū)與周圍地物的區(qū)分界限。

3.2 時(shí)間變化特征分析

經(jīng)NDCMI計(jì)算處理之后的遙感影像為單波段灰度影像,通過(guò)密度分割將煤堆從影像上的背景地物中分離出來(lái),單獨(dú)分析,而分界標(biāo)志就是前文所述的NDCMI值為0.36處。提取NDCMI值大于0.36的采煤區(qū)之后的影像見(jiàn)圖6。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果來(lái)看,煤堆覆蓋范圍大體就是礦區(qū)開采范圍,所以將煤堆覆蓋范圍默認(rèn)為開采范圍,根據(jù)以上得到的6期影像的煤堆覆蓋范圍變化和現(xiàn)狀,并結(jié)合表2可知，2013—2018年小龍?zhí)兜V區(qū)開采面積變化大體分為3個(gè)階段:(1)2013—2014年,開采面積大幅上升,由88.65萬(wàn)m2增至137.43萬(wàn)m2;(2)2014—2016年,開采面積小幅下降;(3)2016年至今,開采面積緩慢上升,目前已達(dá)138.51萬(wàn)m2。但是,小龍?zhí)兜V區(qū)下轄小龍?zhí)堵短斓V和布沼壩露天礦,兩者的變化趨勢(shì)與整體變化趨勢(shì)存在差異。

圖4 小龍?zhí)兜V區(qū)各地物樣本NDCMI頻率分布直方圖

圖5 小龍?zhí)兜V區(qū)地物樣本正態(tài)分布曲線圖

橙色部分為煤堆。圖6 小龍?zhí)兜V區(qū)2013—2018年煤堆覆蓋范圍變化

表22013—2018年小龍?zhí)兜V區(qū)開采面積變化

Table2ChangeofminingareaintheXiaolongtanminingareafrom2013to2018

年份開采面積/m2小龍?zhí)堵短斓V布沼壩露天礦總計(jì) 2013286 200600 300886 500 2014424 800949 5001 374 300 2015424 800906 3001 331 100 2016315 900822 6001 138 500 2017165 600980 1001 145 700 2018166 5001 218 6001 385 100

其中,小龍?zhí)堵短斓V開采面積除2013—2014年呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)外,其后至今都呈遞減趨勢(shì),已從28.62萬(wàn)m2減少至16.65萬(wàn)m2;而布沼壩露天礦開采面積則除了在2016年略微減少外,總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),由60.03萬(wàn)m2猛增至121.86萬(wàn)m2。

3.3 空間變化特征分析

選取小龍?zhí)兜V區(qū)2013和2018年兩期的開采情況進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),小龍?zhí)堵短斓V開采面積減少42%,而布沼壩露天礦開采面積則增加1.03倍。將小龍?zhí)兜V區(qū)開采活動(dòng)狀態(tài)變化分為停止開采、新增開采和繼續(xù)開采3類,其面積分別為346 292、845 325 和539 991 m2,其空間分布見(jiàn)圖7。

根據(jù)2013和2018年小龍?zhí)兜V區(qū)開采范圍在空間上的對(duì)比情況(圖7),結(jié)合表3所列的3類開采狀態(tài)面積變化,可以看出2013—2018年小龍?zhí)兜V區(qū)的煤炭開采活動(dòng)整體呈現(xiàn)自東北向西南、從小龍?zhí)堵短斓V向布沼壩露天礦轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),其中,小龍?zhí)堵短斓V東南部開采活動(dòng)大幅減少,而西北部開采面積變化不明顯;同時(shí),布沼壩露天礦北部開采活動(dòng)略微減少,而在中部和東南部開采活動(dòng)大幅增加,加大了布沼壩露天礦周圍的環(huán)境壓力。

圖7 小龍?zhí)兜V區(qū)2013和2018年開采情況變化

表3小龍?zhí)兜V區(qū)2013和2018年開采面積變化

Table3ChangingofminingareaintheXiaolongtanminingareabetween2013and2018

開采狀態(tài)開采面積/m2小龍?zhí)堵短斓V布沼壩露天礦總計(jì) 2013年開采286 200600 300886 500 2018年開采166 5001 218 6001 385 100 停止開采191 660154 632346 292 新增開采72 036773 289845 325 繼續(xù)開采94 572445 419539 991

4 結(jié)論

鑒于露天煤礦區(qū)煤堆與其他地物難以區(qū)分的問(wèn)題,提出了利用Landsat 8的藍(lán)光波段、紅光波段、近紅外波段和中紅外波段構(gòu)建歸一化差異煤礦指數(shù)(NDCMI)的露天煤礦區(qū)煤堆與其他地物的分類方法,并在云南開遠(yuǎn)的小龍?zhí)兜V區(qū)加以應(yīng)用,得到以下結(jié)論:

(1)在理論上,煤堆的光譜特征在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi),整體反射率較低,與水體較為接近;在紅外波段處呈上升趨勢(shì),且在中紅外波段處有一個(gè)峰值,隨后下降,與裸地特征較為相似。據(jù)此提出利用地物反射光譜曲線特征區(qū)分露天煤礦區(qū)煤堆與其他地物的指標(biāo)。

(2)在方法上,基于煤礦區(qū)典型地物水體、植被、裸地和煤堆的光譜特征以及Landsat 8遙感數(shù)據(jù)的波段特性,提出了NDCMI,并結(jié)合地物樣本NDCMI值設(shè)定閾值區(qū)分煤堆與背景地物信息,實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)的識(shí)別和監(jiān)測(cè)。

(3)在實(shí)踐上,該方法在小龍?zhí)兜V區(qū)煤堆的識(shí)別與提取方面具有較強(qiáng)的適用性。小龍?zhí)兜V區(qū)開采面積在5 a之內(nèi)增長(zhǎng)56%,尤其是布沼壩露天礦開采面積增加1.03倍,而小龍?zhí)堵短斓V開采面積卻減少42%,大大增加了布沼壩露天礦周圍生態(tài)環(huán)境的壓力。

同時(shí),也要認(rèn)識(shí)到NDCMI的不足,不能僅僅滿足于實(shí)現(xiàn)煤堆與其他地物的區(qū)分,還需要進(jìn)一步研究有效提取礦區(qū)各類地物的新方法,探索NDCMI能否有效識(shí)別井工煤礦地物信息。