利用3S集成技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)沉陷精確調(diào)查與分析

李 勇，王志勇，馬全明

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

利用3S集成技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)沉陷精確調(diào)查與分析

李 勇1，王志勇1，馬全明2

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

地下煤礦資源開采引起的地面沉陷越來越嚴(yán)重，已成為制約礦區(qū)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。本文構(gòu)建了基于3S(RS＋GPS＋GIS)集成技術(shù)的礦區(qū)沉陷精確調(diào)查技術(shù)，重點(diǎn)利用多時(shí)相高分辨率光學(xué)遙感影像，通過數(shù)據(jù)處理及信息提取，獲取了山東省濟(jì)寧某煤礦的2003—2011年的地面沉陷位置、分布，統(tǒng)計(jì)了沉陷區(qū)面積，基于GIS技術(shù)分析了煤礦沉陷區(qū)的時(shí)空演變。試驗(yàn)證明，3S集成技術(shù)是進(jìn)行礦山沉陷調(diào)查的最佳技術(shù)方法之一，可實(shí)現(xiàn)礦山沉陷的大面積、低成本、準(zhǔn)確調(diào)查。

3S集成；礦區(qū)沉陷；遙感；監(jiān)測

一、引 言

礦山開采引起的地面，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民生命安全等造成巨大危害，成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1-2]，已成為制約礦區(qū)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。目前應(yīng)用于礦區(qū)災(zāi)害監(jiān)測的主要技術(shù)方法有：水準(zhǔn)測量、全站儀測量、GPS測量[3]、RS、無人機(jī)低空攝影測量[4]、雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)等[2，5-6]。

傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量、全站儀測量等需要進(jìn)行野外觀測，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且監(jiān)測的范圍有限；GPS監(jiān)測雖然能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，但仍然需要野外觀測，并且是基于離散點(diǎn)的測量，很難反映區(qū)域性的沉陷信息；另外，傳統(tǒng)監(jiān)測方法無法實(shí)現(xiàn)大面積觀測，且很難進(jìn)行長時(shí)間周期的監(jiān)測。由于遙感對地觀測具有快速、覆蓋范圍廣、周期性等特點(diǎn)，使其成為最重要的地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取手段之一。目前，遙感技術(shù)在礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與調(diào)查方面已得到了初步應(yīng)用[7-11]。

本文針對采煤區(qū)引起的地面沉陷監(jiān)測問題，探討適合于礦區(qū)沉陷精確調(diào)查的技術(shù)與方法，特別是將3S技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用，發(fā)揮每種監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)沉陷區(qū)的精確調(diào)查與分析。

二、基于3S集成的礦區(qū)沉陷監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)礦區(qū)沉陷監(jiān)測的需求，礦山開采引起的地面沉陷監(jiān)測技術(shù)需要滿足幾個(gè)方面的需求：

1)可以實(shí)現(xiàn)大面積的沉陷監(jiān)測，盡可能地減少外業(yè)觀測的工作量及成本，特別是可以快速地進(jìn)行監(jiān)測。

2)盡量減少野外觀測，可以不需要測量人員到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)。

3)監(jiān)測可以連續(xù)、長期進(jìn)行，以反映礦區(qū)地表環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)分布及時(shí)空特征，特別是可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

基于以上幾個(gè)方面的特點(diǎn)，單一的監(jiān)測技術(shù)手段很難滿足，多種觀測技術(shù)的集成應(yīng)用是礦區(qū)沉陷災(zāi)害調(diào)查的最佳途徑，如丁安民等[12]提出了一種基于分布式CCD/GPS的礦區(qū)沉陷災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法，但該方法還需要進(jìn)行現(xiàn)場的觀測。

分析現(xiàn)有的技術(shù)方法，可以采用3S集成應(yīng)用的方法來進(jìn)行礦區(qū)沉陷的監(jiān)測與分析，即采用RS技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)沉陷區(qū)的精確調(diào)查，特別是采用多時(shí)相高空間分辨率光學(xué)影像，通過對多時(shí)相影像的數(shù)據(jù)處理及對比分析，提取每個(gè)時(shí)相的沉陷區(qū)的分布及準(zhǔn)確范圍；然后基于GIS技術(shù)，分析礦區(qū)沉陷區(qū)的時(shí)空變化情況；GPS技術(shù)為遙感影像的幾何糾正提供高精度的控制點(diǎn)位置信息，還可以在發(fā)現(xiàn)大面積沉陷后進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證。表1列出了3S技術(shù)中每種技術(shù)在礦區(qū)災(zāi)害監(jiān)測中的主要作用。

表1 各種監(jiān)測技術(shù)在礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的作用

三、基于多時(shí)相高分辨率遙感影像的礦區(qū)沉陷區(qū)數(shù)據(jù)獲取

在3S集成應(yīng)用中，基于多時(shí)相高空間分辨率的遙感影像是獲取礦區(qū)沉陷數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。礦山開采引起的地面沉陷具有獨(dú)特的特征，特別是由于地面沉陷形成的積水坑，在高分辨率遙感影像上很容易識(shí)別，通過多時(shí)相遙感影像的對比，可以將湖泊、河流等地表自然水體與礦山開采沉陷形成的積水坑區(qū)別開。

考慮到礦區(qū)沉陷的時(shí)間跨越較長，試驗(yàn)選取礦區(qū)的多時(shí)相高分辨率光學(xué)影像為QuickBird影像。Quickbird衛(wèi)星是美國發(fā)射的一顆高分辨率光學(xué)商業(yè)遙感衛(wèi)星，2001年發(fā)射升空，目前在國內(nèi)外擁有廣泛的用戶，其全色影像的空間分辨率為0.61 m，多光譜影像(有4個(gè)多光譜波段)的空間分辨率為2.44 m、成像幅寬約16.5 km。

圖1給出了采用多時(shí)相高空間分辨率光學(xué)影像進(jìn)行沉陷區(qū)精確調(diào)查與分析的數(shù)據(jù)處理流程，主要包括圖像融合、幾何校正、高精度配準(zhǔn)、沉陷區(qū)信息提取等。

圖1 高分辨率光學(xué)影像礦區(qū)沉陷區(qū)分析數(shù)據(jù)處理流程

四、礦山沉陷區(qū)精確調(diào)查與分析

為了驗(yàn)證技術(shù)方法的可行性，獲取了山東省濟(jì)寧某煤礦的3個(gè)時(shí)相的QuickBird高分辨率遙感影像，獲取時(shí)間分別為：2003-12-07、2009-06-20、2011-09-25。通過對原始遙感影像進(jìn)行預(yù)處理、幾何糾正等，可以得到配準(zhǔn)的3個(gè)時(shí)相的遙感影像。為了進(jìn)一步分析該煤礦的沉陷區(qū)分布及面積，僅裁剪了包含煤礦沉陷區(qū)的部分影像，如圖2所示，3個(gè)時(shí)期的圖像已經(jīng)精確配準(zhǔn)，在圖中已經(jīng)將由于礦區(qū)沉降造成的地表沉陷區(qū)分別用不同的顏色勾繪出來，從圖2可以明顯地看到由于地下采煤，在地表形成了兩個(gè)比較大的沉陷區(qū)。

圖2 濟(jì)寧某煤礦沉陷區(qū)分布

從圖2中可以看到，由于該煤礦開采較早(投產(chǎn)時(shí)間為1999年5月)，在2003年12月份就在地表開始形成明顯沉陷區(qū)，沉陷面積約為0.16 km2，隨后沉陷區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，到2009年6月，在地表已形成了一個(gè)較大的沉陷區(qū)，其沉陷面積約為0.746 km2，并且沉陷區(qū)已被積水覆蓋形成水塘，截止到2011年9月，沉陷區(qū)的面積已經(jīng)達(dá)到了0.98 km2。

在GIS平臺(tái)中，將3個(gè)時(shí)期的礦區(qū)沉陷區(qū)邊緣線矢量疊加到一起(如圖3所示)，分別用不同的顏色表示不同時(shí)期的沉陷情況，從圖中可以看出該煤礦沉陷區(qū)的時(shí)空演變情況。為了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，表2統(tǒng)計(jì)了各時(shí)期的沉陷區(qū)面積。

圖3 濟(jì)寧某煤礦沉陷區(qū)時(shí)空演變分析

表2 濟(jì)寧某煤礦沉陷區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表 m2

五、結(jié) 論

針對礦山沉陷監(jiān)測，本文構(gòu)建了基于3S集成技術(shù)的監(jiān)測方法，通過試驗(yàn)可以得出：

1)3S集成技術(shù)是進(jìn)行礦山沉陷調(diào)查的最佳技術(shù)方法之一，可以發(fā)揮每種技術(shù)的優(yōu)勢與特長，可實(shí)現(xiàn)礦山沉陷的大面積、低成本、準(zhǔn)確調(diào)查，為礦區(qū)土地復(fù)墾、數(shù)字礦山建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

2)以山東省濟(jì)寧某煤礦為例，通過監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域由于地下采煤引起的地面沉陷非常嚴(yán)重，截止到2011年9月，該煤礦的沉陷區(qū)的面積已經(jīng)達(dá)到了0.98 km2。

3)由于礦區(qū)沉陷區(qū)的特征不是很明顯，目前沉陷區(qū)的識(shí)別還主要依靠目視解譯，如何根據(jù)沉陷區(qū)的特征建立解譯標(biāo)志，進(jìn)行沉陷區(qū)的自動(dòng)識(shí)別將是后續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

4)由于獲取的3期高分辨率遙感影像是不同季節(jié)獲取的，如何對高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類及自動(dòng)變化檢測將是下一步研究的重點(diǎn)。

綜上所述，基于3S集成的礦區(qū)沉陷調(diào)查與分析技術(shù)可以為礦區(qū)土地利用、礦區(qū)沉陷環(huán)境的綜合整治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為數(shù)字礦山、智慧礦山的建設(shè)提供技術(shù)支持。

致謝:本研究還得到了山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)以及山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(2011KYTD103)的資助，在此表示感謝!

[1] 劉國林，張連蓬，成樞，等.合成孔徑雷達(dá)干涉測量與全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合監(jiān)測礦區(qū)地表沉降的可行性分析[J].測繪通報(bào)，2005(11)：10-13.

[2] 王志勇，張繼賢，黃國滿.基于InSAR技術(shù)的濟(jì)寧礦區(qū)沉降精細(xì)化監(jiān)測與分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，43(1)：169-174.

[3] 梁濤.基于GPS技術(shù)的礦區(qū)變形監(jiān)測研究[J].測繪通報(bào)，2013(S0)：26-28.

[4] 劉廣盛，呂軍超.基于無人機(jī)的礦區(qū)變化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪通報(bào)，2013(S0)：95-98.

[5] 張繼超，宋偉東，張繼賢，等.PS-DInSAR技術(shù)在礦區(qū)地表形變測量中的應(yīng)用探討[J].測繪通報(bào)，2008 (8)：45-47.

[6] WANG Zhiyong，ZHANG Jinzhi.Use of D-InSAR Technique for Monitoring Ground Subsidence in the Yanzhou Coal Mining Area(China)[J].Applied Mechanics and Materials Journal，2010(33)：756-760.

[7] 王海慶，陳玲.山東省濟(jì)寧市煤礦礦集區(qū)地面沉陷現(xiàn)狀遙感調(diào)查[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22 (1)：87-93.

[8] 王欽軍，陳玉，藺啟忠.礦山地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測方法及成因分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22 (1)：75-79.

[9] 趙銀娣，杜會(huì)建，吳波，等.基于CBERS CCD數(shù)據(jù)的鹿洼煤礦塌陷區(qū)LUCC檢測[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2011(41)：128-139.

[10] 谷延群，郭慶十.利用遙感技術(shù)開展河北省遷安鐵礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)研究[J].測繪通報(bào)，2012(10)：306-310.

[11] 楊光華，胡振琪，楊耀淇.采煤塌陷積水耕地信息提取方法研究_以山東省濟(jì)寧市為例[J].金屬礦山，2013(9)：152-157.

[12] 丁安民，田八林，李克昭，等.礦區(qū)沉陷災(zāi)害監(jiān)測方法綜述[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32(2)：165-169.

[13] 郭達(dá)志，盛業(yè)華，金學(xué)林，等.礦區(qū)巖溶陷落柱探測中遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].1994，23 (2)：113-119.

Precisely Investigating and Analyzing the Mining Subsidence Based on 3S Integrated Technology

LI Yong，WANG Zhiyong，MA Quanming

P237

B

0494-0911(2014)07-0063-03

2014-05-15

山東省自然科學(xué)基金(ZR2010DQ020)；地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(201320)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2013SF013)

李 勇(1978—)，男，山東德州人，博士生，主要從事礦區(qū)變形監(jiān)測、土地復(fù)墾等方面的研究。

李勇，王志勇，馬全明.利用3S集成技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)沉陷精確調(diào)查與分析[J].測繪通報(bào)，2014(7)：63-65.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0227