無(wú)人機(jī)遙感在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用

周文生，吳振宇，劉海燕

(1.寧夏地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏遙感測(cè)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(kāi)采均采用地下開(kāi)采，由此引發(fā)的地面塌陷、地裂縫等對(duì)地表構(gòu)筑物、公路、管線等產(chǎn)生破壞，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境的破壞［1－3］。該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害多采用實(shí)地調(diào)查的人工監(jiān)測(cè)模式，存在調(diào)查速度慢，受空間視野的限制等缺陷，對(duì)此類(lèi)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不及時(shí)［4］。

因此，需要實(shí)時(shí)、客觀的高精度信息源對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)［5］。無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率不斷提高，為礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題監(jiān)測(cè)提供了高效可靠地的技術(shù)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(shí)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(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)空間分辨率為0.2m，可提取豐富的信息，清晰度較高，對(duì)于地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題類(lèi)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(jié)構(gòu)，為礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的識(shí)別奠定了基礎(chǔ)［11］。

選擇寧夏寧東羊場(chǎng)灣礦區(qū)，在系統(tǒng)分析該礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的基礎(chǔ)上，探討了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)遙感影像解譯

1.1 調(diào)查方法

首先對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)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(chǔ)底圖，進(jìn)行地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害判讀解譯，最后在地理信息系統(tǒng)中對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行圖斑分類(lèi)與統(tǒng)計(jì)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析［12－14］。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

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

1.3 解譯標(biāo)志的建立

(1)地裂縫:裂縫兩側(cè)地形高差變化很小，地面裂開(kāi)寬度達(dá)0.1～3m。

(2)塌陷區(qū):裂縫兩側(cè)地形高差變化明顯，沉陷區(qū)具有一定的寬度，面積從數(shù)百平方米至數(shù)萬(wàn)平方米不等。

(3)堆煤場(chǎng):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(chǎng):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(guò)無(wú)人機(jī)航拍獲取影像圖后，在室內(nèi)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(nèi)解譯與野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合、遙感數(shù)據(jù)與已有相關(guān)信息相結(jié)合的方法、野外抽查驗(yàn)證和專家評(píng)判等綜合檢驗(yàn)手段進(jìn)行，確保結(jié)果的質(zhì)量和精度。

1.4.1 初步解譯與野外調(diào)查

初步解譯的工作重點(diǎn)是建立影像解譯標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查保證所建立的解譯標(biāo)志是否正確和可靠。在野外調(diào)查中，遙感影像判讀標(biāo)志根據(jù)目標(biāo)地物與影像特征之間的關(guān)系，通過(guò)影像反復(fù)判讀和野外對(duì)比檢驗(yàn)建立。

1.4.2 室內(nèi)詳細(xì)判讀

室內(nèi)詳細(xì)判讀是在建立遙感影像判讀標(biāo)志后進(jìn)行的。遙感影像直接解譯標(biāo)志是識(shí)別地物的重要依據(jù)，還可以利用遙感影像種類(lèi)和比例尺等間接解譯標(biāo)志來(lái)識(shí)別目標(biāo)地物，影像判讀時(shí)不能只使用個(gè)別判讀標(biāo)志，盡可能運(yùn)用所掌握的間接或直接的判讀標(biāo)志開(kāi)展綜合分析，提高解譯精確度。

1.4.3 野外驗(yàn)證與補(bǔ)判

為檢驗(yàn)?zāi)恳暸凶x的解譯精度和質(zhì)量，需要對(duì)室內(nèi)目視判讀的初步結(jié)果進(jìn)行野外驗(yàn)證。野外驗(yàn)證的主要內(nèi)容包括兩方面:

(1)檢驗(yàn)專題解譯中圖斑內(nèi)容的正確性。采取的方法為抽樣檢驗(yàn)。

(2)根據(jù)野外實(shí)際考察情況修正目標(biāo)地物圖斑界線是否定位準(zhǔn)確。

2 典型礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題解譯

2.1 地裂縫解譯

本次研究區(qū)內(nèi)裂縫主要特征是兩側(cè)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(jiàn)，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(xiàn)或明或暗的直線、折線狀;有時(shí)穿過(guò)農(nóng)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(nèi)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(xiàn)其蹤跡，呈折線狀分布(見(jiàn)圖1)。

圖1 呈折線狀分布的地裂縫遙感解譯示意圖及實(shí)地照片

按地裂縫形狀類(lèi)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(kāi)采礦產(chǎn)資源引起不均勻的地面沉降，在遙感圖像上呈現(xiàn)出邊界清晰的不連續(xù)線狀(見(jiàn)圖2)。

圖2 斷續(xù)型地裂縫遙感解譯示意圖及實(shí)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(jiàn)圖3)。

圖3 交叉型地裂縫遙感解譯示意圖及實(shí)地照片

2.2 地面塌陷解譯

實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn)，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(cè)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(zhǎng)排列極不協(xié)調(diào)，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(chǎn)資源開(kāi)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(shù)千平方米，大者可達(dá)數(shù)十公頃。通過(guò)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(jì)算其面積。沉陷區(qū)主要為環(huán)狀(見(jiàn)圖4)。

2.3 堆煤場(chǎng)、渣場(chǎng)解譯

堆煤場(chǎng)和渣場(chǎng)在影像圖上的界線較清晰，堆煤場(chǎng)形狀比較規(guī)則一般呈黑色，且內(nèi)部多有運(yùn)煤車(chē);渣場(chǎng)形狀不規(guī)則，一般呈灰白色(見(jiàn)圖5)。

圖4 環(huán)狀沉陷區(qū)解譯示意圖及實(shí)地照片

圖5 渣場(chǎng)遙感解譯示意圖及實(shí)地照片

3 遙感調(diào)查結(jié)果

通過(guò)對(duì)本次遙感調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題主要有地面沉陷、地裂縫和渣場(chǎng)3種類(lèi)型，其分布特征如圖6所示。根據(jù)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(gè)，總面積達(dá)96.75萬(wàn)m2，平均每個(gè)沉陷區(qū)達(dá)7.44萬(wàn)m2，最大地面沉陷區(qū)單體面積近29.6萬(wàn)m2。主要集中成片分布在羊場(chǎng)灣一號(hào)井的東北部以及羊場(chǎng)灣煤礦的南部。根據(jù)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(zhǎng)度7 733.03m。最長(zhǎng)地裂縫長(zhǎng)度1 106.5m，最短的有57.91m。最大寬度達(dá)2.1m，分布與地面沉陷區(qū)相似。根據(jù)渣場(chǎng)和堆煤場(chǎng)的遙感影像特征，共解譯出60個(gè)渣場(chǎng)和13個(gè)堆煤場(chǎng)，面積達(dá)218.88萬(wàn)m2，最大堆煤場(chǎng)單體面積達(dá)67.62萬(wàn)m2，最小渣場(chǎng)面積為233.67m2。

圖6 遙感解譯地質(zhì)災(zāi)害分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，獲取了羊場(chǎng)灣礦區(qū)高分辨率航拍影像圖，通過(guò)人工目視解譯，客觀真實(shí)的統(tǒng)計(jì)了地面塌陷、地裂縫等礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的分布特征。通過(guò)本次無(wú)人機(jī)遙感在寧東礦區(qū)的實(shí)際應(yīng)用，可以看出無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)與以往常規(guī)遙感數(shù)據(jù)獲取手段相比，具有數(shù)據(jù)獲取及時(shí)、快速、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)。隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，將在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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