礦山地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測方法及成因分析——以北京房山區(qū)史家營煤礦為例

王欽軍，陳 玉，藺啟忠，李 慧

（中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心，北京 100094）

0 引言

遙感在地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測方面具有宏觀性強(qiáng)、定位準(zhǔn)、分辨率高、周期短等特點(diǎn)。多源遙感精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)已成為礦山合理開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分：李成尊［1］應(yīng)用 QuickBird遙感數(shù)據(jù)對山西晉城煤礦開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查，分析了地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、成因；徐剛［2］通過 1∶5萬專題遙感解譯和地質(zhì)調(diào)查，劃分了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)；馮雨林［3］建立了災(zāi)害體的3D仿真模型，提取泥石流災(zāi)害體的特征信息；杜培軍［4］提出了煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測系統(tǒng)；寧樹正［5］應(yīng)用遙感圖像與數(shù)字高程模型相結(jié)合的方法進(jìn)行煤礦區(qū)沉降及監(jiān)測；濮國梁［6］采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提高了滑坡和崩塌的解譯精度；顧廣明［7］構(gòu)建了“3S”技術(shù)在煤礦區(qū)開發(fā)現(xiàn)狀及環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測中應(yīng)用；尚紅英［8］研究了利用遙感技術(shù)開展礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測的方法與技術(shù)路線；喬彥肖［9］采用AHP多層次分析法，對地質(zhì)災(zāi)害及孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)情況

研究區(qū)位于北京西南，房山區(qū)西部，面積約30km2，隸屬于北京市房山區(qū)史家營鄉(xiāng)，區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，石炭紀(jì)、侏羅紀(jì)兩個(gè)重要煤層貫穿全區(qū)，是北京市優(yōu)質(zhì)無煙煤生產(chǎn)基地。

論文使用 Geoeye數(shù)據(jù)（最高空間分辨率為0.5m，獲取時(shí)間2009年3月8日）提取地質(zhì)災(zāi)害的分布情況，利用 DEM數(shù)據(jù)（比例尺為1∶10000，獲取時(shí)間2007年10月）提取與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的成因因子。

2 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息提取方法

2.1 地質(zhì)災(zāi)害類型及影像識別特征

崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷是研究區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的主要類型。根據(jù)野外調(diào)查，建立它們的遙感影像識別特征如表1：

表1 礦山地質(zhì)災(zāi)害遙感影像識別標(biāo)志Table 1 Mining geological hazard′s identification marks on remote sensing image

2.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害信息提取與統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述識別標(biāo)志，利用支持向量機(jī)分類算法對礦山地質(zhì)災(zāi)害和其它不同地物類型進(jìn)行分類；應(yīng)用掩模方法提取地質(zhì)災(zāi)害，形成二值圖；在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件中的“位圖到矢量圖”轉(zhuǎn)換工具將二值圖轉(zhuǎn)換成矢量圖（圖1），并對它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Distribution of geological hazands in the study area

表2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of geological hazards

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型以崩塌為主。它主要分布東北部和西部，塌陷主要分布在中部，地裂縫、滑坡主要分布在東北部。因此，研究區(qū)東北部地質(zhì)災(zāi)害類型多樣，所占面積比重大，是災(zāi)害多發(fā)區(qū)。

2.3 野外驗(yàn)證

2009年11月27日～29日對災(zāi)害提取結(jié)果進(jìn)行了野外考察。結(jié)果表明，提取地質(zhì)災(zāi)害的精度為98％，證實(shí)了方法的有效性。

3 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因子建模

3.1 建模過程

結(jié)合專家知識，確定礦山資源開發(fā)等要素，礦山地質(zhì)災(zāi)害的評價(jià)指標(biāo)有：坡度、坡向、粗糙度、巖性、構(gòu)造、人工活動(dòng)和道路。本文設(shè)計(jì)了一種基于單因子災(zāi)害曲線擬合與多因子邏輯回歸的統(tǒng)計(jì)模型對各類地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行敏感性計(jì)算。步驟如下：

（1）劃分單元格。將研究區(qū)劃分為5m×5m單元格，共計(jì)1267875個(gè)單元格。

（2）對連續(xù)變量類型的評價(jià)指標(biāo)（坡度、坡向等）劃分為32個(gè)區(qū)段，并統(tǒng)計(jì)各分割段內(nèi)的單元格數(shù)量、發(fā)生災(zāi)害的單元格數(shù)量，利用二者的比值計(jì)算各個(gè)區(qū)段發(fā)生災(zāi)害的比例；對非連續(xù)類型變量（如巖性）則直接通過統(tǒng)計(jì)各變量發(fā)生災(zāi)害的比例作為該因子的易發(fā)值。

（3）以各分割結(jié)果中心值為自變量，發(fā)生災(zāi)害的比例為因變量進(jìn)行曲線擬合。通過考察擬合誤差，確定評價(jià)指標(biāo)。

（4）根據(jù)擬合結(jié)果得到各因子對災(zāi)害的敏感性計(jì)算公式，計(jì)算不同災(zāi)害類型對各因子的敏感性。

（5）選擇一定數(shù)量的已發(fā)生災(zāi)害單元格與未發(fā)生災(zāi)害單元格。通過災(zāi)害發(fā)生與否與這些單元格取值進(jìn)行邏輯回歸。

3.2 模型分析計(jì)算結(jié)果

利用邏輯回歸方法得到的崩塌回歸模型如公式（1）所示。式中，slope表示坡度，aspect表示坡向，fault表示構(gòu)造，rough表示粗糙度，lit表示巖性，human表示人工活動(dòng)。以下各式，符號代表的含義與本式相同。

由各因子系數(shù)可知，人工活動(dòng)對崩塌貢獻(xiàn)最大，其次為構(gòu)造、坡度、巖性，粗糙度和坡向。利用上述模型對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖2（a）所示。從圖中可以看出，危險(xiǎn)區(qū)呈條帶狀分布，明顯受構(gòu)造作用的控制，中部和東北部地區(qū)比較危險(xiǎn)。

滑坡的回歸模型如公式（2）所示。由各因子系數(shù)可知，人工活動(dòng)對滑坡貢獻(xiàn)度最大，其次為坡度、粗糙度，巖性、構(gòu)造和坡向。利用上述模型對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖2（b）所示。從圖中可以看出，危險(xiǎn)區(qū)呈條帶狀分布，中部和東北部地區(qū)危險(xiǎn)性大。

地裂縫的回歸模型如公式（3）所示。由各因子系數(shù)可知，人工活動(dòng)對地裂縫貢獻(xiàn)度最大，其次為坡度、巖性、構(gòu)造、坡向；貢獻(xiàn)較少的是粗糙度。利用上述模型對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果如圖2（c）所示。從圖中可以看出，中部地區(qū)較為危險(xiǎn)。

利用邏輯回歸方法得到的地面塌陷回歸模型如公式（4）所示。由各因子系數(shù)可知，人工活動(dòng)對地面塌陷的貢獻(xiàn)度最大，其次為巖性、構(gòu)造。利用上述模型對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖2（d）所示，從圖中可以看出，中部偏北地區(qū)較為危險(xiǎn)。

圖2 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測結(jié)果Fig.2 Results of dangerous geological hazards forecasting in the mining area

3.3 成因分析

從建模結(jié)果來看，人工活動(dòng)是導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的最主要因素，構(gòu)造和巖性是導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害的重要因素，分析原因：

（1）人工活動(dòng)因素

首先，地下礦層采出后，采空區(qū)周圍巖體失去原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力重新分布使得應(yīng)力過度集中，當(dāng)煤層頂板集中應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度時(shí)，頂板巖層產(chǎn)生變形、斷裂和垮落、最終導(dǎo)致整個(gè)上覆巖層的移動(dòng)和變形，在地表形成地質(zhì)災(zāi)害［11］。

其次，嚴(yán)重的坡腳開挖破壞了山體穩(wěn)定性：大量的堆煤區(qū)及房屋建設(shè)使坡前陷入臨空狀態(tài)，破壞了原有的穩(wěn)定性，為發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害創(chuàng)造了先決條件。

（2）構(gòu)造因素

構(gòu)造區(qū)一般為應(yīng)力拉張或擠壓區(qū)，在此過程中剛性巖石將發(fā)生斷裂，形成劈理面或剪性解理面，而柔性巖石將發(fā)生變形。從深層次上改變了巖石的性質(zhì)，對地質(zhì)災(zāi)害的形成產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。此外，構(gòu)造區(qū)在地貌上多為溝谷，降雨季節(jié)容易發(fā)生山洪、泥石流，為發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害創(chuàng)造了外營力條件。

（3）巖性因素

易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地層主要是石炭系下楊家屯組，主要為變質(zhì)砂礫巖、粉砂巖夾煤層；具有變質(zhì)程度高、脆性強(qiáng)的特點(diǎn)，為形成地質(zhì)災(zāi)害提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）建立了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害識別標(biāo)志

結(jié)合野外調(diào)查，分別從位置、色調(diào)、形態(tài)等角度出發(fā)，建立了滑坡、崩塌、地面塌陷、地裂縫四種礦山地質(zhì)災(zāi)害的遙感影像識別標(biāo)志。它們是地質(zhì)災(zāi)害遙感信息提取與參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。

（2）建立了地質(zhì)災(zāi)害信息提取流程

基于礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息提取的復(fù)雜性，建立了從掩模到彩色空間變換、信息提取位圖結(jié)果，最后將位圖轉(zhuǎn)換成矢量圖，整個(gè)過程可操作性強(qiáng)。

（3）建立了地質(zhì)災(zāi)害建模與評價(jià)方法

人工活動(dòng)是導(dǎo)致發(fā)生礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的最主要因素，構(gòu)造、巖性和坡度是影響礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。因此，加強(qiáng)礦區(qū)監(jiān)測，為制定相應(yīng)的管理預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)；重視管理、遏制非法采礦是預(yù)防礦難、重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的根本保證。

［1］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，2005，1：45-49.LIChengzun，NIE Hongfeng，WANG Jin，et al.A remote sensing study of characteristics of geological disasters in a mine［J］.Remote sensing for land ＆ resources，2005，1：45-49.

［2］徐剛，鄭達(dá)興，李述靖，等.黃土高原西南部隴縣—千陽一帶崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害的遙感影像特征及分布規(guī)律［J］.地質(zhì)通報(bào)，2008，27（11）：1837-1845.XU Gang，ZHENG Daxing，LI Shujin，et al.Remote sensing images and distribution characteristics of avalanche and landslide geohazards in the western part of the Weibei Plateau， Shaanxi Province， China［J］.Geological Bulletin of China，2008，27（11）：1837-1845.

［3］馮雨林，陳江，姜琦剛，等.3D遙感影像模型在古鄉(xiāng)溝泥石流地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009，20（3）：114-119.FENG Yulin，CHEN Jiang，JING Qigang，et al.The application of 3D remote sensing image model of debris flow disaster warning in Gu-xiang gully ，tibet［J］.Journal of geological hazards and environment preservation.2009，20（3）：114-119.

［4］杜培軍，陳云浩，曹金亮，等.煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害遙感集成監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.地理信息世界，2008，10（5）：14-20.DU Peijun，CHEN Yunhao，CAO Jinliang，et al.Key Techniques for the integrated monitoring of geological environment and geohazards in mining areas based on remote sensing［J］.Geomatics world，2008，10（5）：14-20.

［5］寧樹正，萬余慶，孫順新.煤礦區(qū)沉降與遙感監(jiān)測方法探討［J］. 中國煤炭地質(zhì)，2008，20（1）：10-12.NING Shuzheng， WANG Yuqing， SUN Shunxin.A discussion of coal mining area subsidence and remote sensing monitoring［J］.Coal geology of china，2008，20（1）：10-12.

［6］濮國梁，楊武年，劉漢超.正射遙感影像地圖制作技術(shù)在岷江上游滑坡研究中的應(yīng)用［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，27（3）：312-317.PU Guoliang，YANG Wunian，LIU Hanchao.Applications of orthophotomap of landsat TM to the study of cracks and landslides on upper reaches of the Minjiang river［J］.Journal of chengdu university of technology，2000，27（3）：312-317.

［7］顧廣明，王麗，蔣德林，等.3S技術(shù)在煤礦區(qū)開發(fā)現(xiàn)狀及環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2006，34（5）：51-55.GU Guangming， WANG Li， JIANG Delin， et al.Application of 3S technology to monitoring development and environment conditions in coal mine area［J］.Coal geology ＆ exploration，2006，34（5）：51-55.

［8］尚紅英，陳建平，李成尊，等.RS在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(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，2008，23（2）：189-195.SHANG Hongying，CHEN Jianping，LIChengzun，et al.Application of remote sensing in the dynamic inspection of the mining——an example in the rare metal ore concent ration area of Xinjiang［J］.Remote sensing technology and app lication，2008，23（2）：189-195.

［9］喬彥肖，李密文，張維宸.基于遙感技術(shù)支持的地質(zhì)災(zāi)害及孕災(zāi)環(huán)境綜合評價(jià)［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002，13（4）：83-87.QIAO Yanxiao，LI Miwen，ZHANG Weichen.Comprehensive evaluation on geological hazards and the environment of developing geological hazards in the northwest Hebei on the basis of RS［J］.The Chinese journal of geological hazard and control，2002，13（4）：83-87.

［10］丁輝，張茂省，李林.滑坡災(zāi)害遙感解譯不確定性研究［J］. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009，18（6）：93-96.DING Hui，ZHANG Maosheng， LI Lin.Research on uncertainty of remote sensing image landslides interpretation［J］.Journal of natural disasters，2009，18（6）：93-96.

［11］謝立民，王長青，王文武，等.地面塌陷及地裂縫的成因及防治［J］.化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2007，29（2）：101-106.XIE Limin，WANG Changqing，WANG Wenwu，et al.The genesis and control of ground subside and ground fissure geological hazard caused by mining in nanpiao and lianshan area［J］.Geology of chemical minerals，2007，29（2）：101-106.