基于遙感的煤層自燃災(zāi)害區(qū)信息提取研究

李 軍

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024)

基于遙感的煤層自燃災(zāi)害區(qū)信息提取研究

李 軍

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024)

以大同侏羅紀(jì)煤田開采區(qū)為研究區(qū)，以2010年7月5日Landsat TM 影像為數(shù)據(jù)源，采用單窗算法進行地溫反演，結(jié)合已知煤火位置信息提取了研究區(qū)煤層自燃災(zāi)害區(qū)，通過野外核查修正了提取成果，對研究成果及所存在的問題進行了探討，給出了煤層自燃區(qū)與遙感影像圖套合的三維顯示。研究結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)2010年煤層自燃災(zāi)害區(qū)共有12處，火區(qū)面積總計7.61km2，占研究區(qū)總面積的1.2%，信息提取準(zhǔn)確率83.33%，為遙感技術(shù)提取煤層自燃信息提供了技術(shù)參考。

遙感；煤層自燃；煤火；信息提??；大同侏羅紀(jì)煤田

煤層自燃是埋藏在地下的煤層因自燃或人為因素引燃后，隨時間的推移逐步蔓延發(fā)展形成規(guī)模較大的煤田火災(zāi)[1]。對煤層自燃災(zāi)害區(qū)的探測方法主要有磁法探測、電法探測和測氡法[2-4]。但是這些方法較為費時，所能探測的空間范圍受到了方法本身的極大限制，而在某些人類不易到達的地方，弊端顯得尤為突出[5]。近些年，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感探測煤火信息方法以其獨特的優(yōu)點彌補了常規(guī)方法的不足之處[6-15]。山西大同侏羅紀(jì)煤田位于黃土高原北部，西部及北部與內(nèi)蒙古高原相連，平均海拔1200～1400m，煤層已開采利用面積632km2。隨著煤田內(nèi)大肆的煤炭資源開采，地面裂縫、塌陷等災(zāi)害增強了采空區(qū)與地面空氣的溝通，加劇了部分地段煤層的自燃。煤層自燃不僅損失掉寶貴的煤炭資源，還會釋放出大量有害氣體，沿地裂縫外溢除污染大氣環(huán)境外，危害人類及其他動物的健康。如因煤層自燃產(chǎn)生大量有害氣體順著采煤裂縫溢出，導(dǎo)致該地區(qū)的馬脊梁村發(fā)生過多次中毒事故，使該村被迫全部搬出，直接經(jīng)損失高達500萬元。因此，掌握煤層自燃災(zāi)害區(qū)對于保障該區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文選擇山西大同侏羅紀(jì)煤田開采區(qū)為研究區(qū)，以遙感技術(shù)為手段，選擇2010年Landsat TM 影像數(shù)據(jù)，采用單窗算法進行了煤層自燃災(zāi)害區(qū)的信息提取研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

可用于煤層自燃災(zāi)害探測的遙感數(shù)據(jù)有美國陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地球觀測系統(tǒng)EOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)、高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)、雷達遙感數(shù)據(jù)、中巴資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)和微小衛(wèi)星BIRD數(shù)據(jù)。其中，Landsat系列衛(wèi)星的熱紅外第6波段數(shù)據(jù)對地下煤火區(qū)地表熱異常信息提取及火區(qū)位置確定具有定位準(zhǔn)確、費用低廉而被廣泛使用[1]。

本文選擇2010年7月5日Landsat TM 影像為本次研究工作的影像數(shù)據(jù)，以研究區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)作為信息提取的輔助數(shù)據(jù)。遙感影像處理軟件平臺選擇ENVI 4.7，輔助分析軟件選擇Arc GIS 9.1。對影像的幾何校正以研究區(qū)1∶5萬地形圖為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行，誤差控制在1個像元以內(nèi)。研究區(qū)Landsat TM 影像如圖1所示。

1.2 方法

1.2.1 煤層自燃災(zāi)害區(qū)遙感定量提取步驟

1)整理煤層自燃區(qū)定量提取相關(guān)資料(遙感影像、氣象資料等)，確定地溫反演算法。

2)在ENVI 4.7平臺下對Landsat TM 影像第6波段熱紅外數(shù)據(jù)進行大氣校正，以得到更具代表性的地表反射率和地表比輻射率。

3)結(jié)合以上參數(shù)進行反演運算，得出初步結(jié)果。

4)對影像進行地溫反演，結(jié)合現(xiàn)有各種資料，分析比對，去除不合理區(qū)域，確定大致煤火可能發(fā)生區(qū)。

5)野外核查驗證，修正范圍，得到研究區(qū)煤層自燃區(qū)成果。

6)成果分析，總結(jié)其適用性。

1.2.2 Landsat TM數(shù)據(jù)地溫反演算法

地表溫度反演算法可以分為單通道算法、分裂窗算法、多通道算法[16]。針對一個熱紅外通道的地表溫度算法一般稱為單通道算法，如針對TM數(shù)據(jù)提出的單窗算法[17-19]，以及普適性單通道算法[20]。對比這兩種類型的地表溫度反演算法，其優(yōu)缺點如表1所示。

本次研究工作中地表溫度反演算法選擇單窗算法[18-19]進行，其反演公式見式(1)。

(1)

式中：Ta為大氣平均作用溫度，Tb為TM數(shù)據(jù)熱紅外波段像元亮度溫度(單位K)。當(dāng)影像亮溫范圍在273～343K時，a=-67.355351，b=0.458606；當(dāng)影像亮溫范圍在273～303K時， a=-60.3263，b=0.43436；而當(dāng)影像亮溫范圍在293～323K時，a=-67.9542，b=0.45987。C和D為參數(shù)，由式(2)、式(3)表示。

(2)

(3)

式中：ε是地表比輻射率；τ是大氣透射率。

地表比輻射率ε是表面熱能轉(zhuǎn)換成輻射能量的內(nèi)在的有效度量器，是進行地表溫度反演的關(guān)鍵參量之一，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到地表溫度反演的精度。目前，常用的地表比輻射率估計方法是通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)獲得地表比輻射率，其相關(guān)方程見式(4)、式(5)。

ε=1.0094+0.047Ln(NDVI)

(4)

(5)

式中：ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

大氣透射率同樣是地表溫度反演的關(guān)鍵參量，其變化主要取決于大氣水分含量的動態(tài)變化，當(dāng)水分含量在0.4～3.0g/cm2變動區(qū)間時，大氣透射率的估計方程如表2所示。

表2 TM6的大氣透射率估計方程[21]

2 結(jié)果與探討

2.1 結(jié)果

根據(jù)單窗算法，本文基于研究區(qū)2010年TM遙感數(shù)據(jù)，反演得到了煤層自燃災(zāi)害區(qū)的地表溫度分布圖(圖2)。對于地表熱異常區(qū)，疊加研究區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)分析其溫度上升的原因，如工業(yè)區(qū)、村鎮(zhèn)、人口密集區(qū)、裸地、公路等區(qū)域地溫一般要高于其它地區(qū)，剔除這些原因引起的地溫異常區(qū)。再以搜集到的煤火分布數(shù)據(jù)所顯示的枯樹村、馬脊梁、鴉兒崖和馬林澗四個煤火區(qū)作為先驗數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合分析后得到研究區(qū)內(nèi)煤層自燃火區(qū)疑是點共10處。

為了驗證解譯成果的可靠性，對所解譯火區(qū)全部進行了野外核查，時間選擇在12月份，便于直觀的觀察因氣溫差從地裂縫、塌陷坑等冒出的煙、水氣等判斷火區(qū)存在。將提取的火區(qū)中心位置坐標(biāo)輸入到手持GPS中，利用導(dǎo)航功能在野外找到相應(yīng)點位，使用熱紅外測溫儀對驗證點進行熱異常觀測。經(jīng)野外核查驗證，核查比例100%，新增火區(qū)兩處，信息提取準(zhǔn)確率83.33%，部分野外核查照片如圖3所示。

修正原有解譯成果，研究區(qū)煤層自燃火區(qū)共12處，在Arc GIS軟件中對火區(qū)面積統(tǒng)計得：2010年煤層自燃區(qū)面積總計7.61km2，占研究區(qū)總面積的1.2%，其分布如圖4所示。

圖2 研究區(qū)地表溫度反演分布圖

2.2 問題探討

1)對研究區(qū)地表溫度反演值的最高、最低和平均值進行統(tǒng)計，見表3。

表3 研究區(qū)地表溫度反演值統(tǒng)計表

從表3可知，研究區(qū)2010年7月5日地溫反演的最低溫度10.8℃，最高溫度35.5℃，平均溫度23.15℃，而大同市當(dāng)日實際氣溫為16～28℃。通常情況下，地表溫度略高于大氣溫度，而地表溫度又受所處緯度、海拔高差、人口密度、工業(yè)發(fā)展程度和森林覆蓋度等影響。影像獲取時間為當(dāng)日上午10點56分，氣溫尚不到最高氣溫，再考慮地溫略高于氣溫，我們以最高氣溫代替地溫，則研究區(qū)提取的最高地溫比大同市其它地區(qū)約高7.5℃左右。由此可見煤火的燃燒導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)部分區(qū)域溫度增高，通過圖2可以看出這種影響在熱紅外影像上比較明顯。

圖3 煤火區(qū)野外核查照片

圖4 煤層自燃區(qū)遙感提取分布成果圖

2)北方冬季地表大多會有積雪與殘冰存在，煤層自燃釋放的熱量會使地表的積雪與冰融化?；蚴敲簩幼匀妓a(chǎn)生的水蒸氣到達地表時遭遇低溫后轉(zhuǎn)化為冰附著于出口的雜草或裂縫處，這些特征對野外核查目視識別火區(qū)位置具有特殊的幫助作用。因此，在北方對煤層自燃災(zāi)害區(qū)野外核查工作選擇冬季較好。本次工作采用的是Landsat TM 影像熱紅外波段進行地溫反演提取煤火信息，影像時相為夏季，但野外核查選擇為冬季，對成果的可靠性提供了支持。從圖3中鴉兒崖火區(qū)地裂縫地表出露處的水蒸氣與附冰存在可以看出季節(jié)對煤層自燃野外識別的特殊幫助作用。

3)本文經(jīng)資料收集，以研究區(qū)內(nèi)的枯樹村、馬脊梁、鴉兒崖和馬林澗四個煤火區(qū)作為先驗數(shù)據(jù)，提取了其他6處煤層自燃區(qū)。但是，經(jīng)野外核查發(fā)現(xiàn)有兩處火區(qū)未能被提取，經(jīng)對比其影像熱度值不在原有的經(jīng)驗閾值范圍之內(nèi)，這是由于煤層自燃區(qū)所處發(fā)展時期不同而地表溫度不同所致，有些煤層自燃區(qū)尚處于發(fā)展期，而有些已進入衰退期。因此，今后的工作中應(yīng)特別注意對煤層自燃地溫反演數(shù)據(jù)的閾值范圍劃分。

4)本次研究受限于影像分辨率較低，一些范圍較小的火區(qū)不能被提取，今后應(yīng)采用更高分辨率的熱紅外影像進行探測。同時，對煤層自燃區(qū)的準(zhǔn)確面積劃定存在誤差，今后應(yīng)采用物探技術(shù)手段精確探測火區(qū)范圍。只有將遙感與物探技術(shù)充分結(jié)合,才能精確測量出煤田地表與地下火區(qū)的范圍[12]。

3 結(jié)論

煤層自燃不僅大面積吞噬煤炭這一寶貴的不可再生資源，同時產(chǎn)生大量的有害氣體，給土地資源、大氣環(huán)境、森林植被、水資源、周圍生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重的破壞和影響，也容易誘發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害，對人民的生命財產(chǎn)和生存環(huán)境造成危害。本次煤層自燃區(qū)信息提取采用了遙感定量反演技術(shù)，影像數(shù)據(jù)選擇了免費的Landsat TM數(shù)據(jù)，所得到的探測結(jié)果經(jīng)野外核查做了修正。研究結(jié)果表明，煤層自燃遙感定量反演技術(shù)對煤火災(zāi)害探測具有較好的有效性。因此，今后應(yīng)繼續(xù)開展該技術(shù)的應(yīng)用研究和推廣，為煤火探測技術(shù)提供更高效、更可靠，更低成本的技術(shù)體系。

[1] 熊盛青，陳斌，于長春，等.地下煤層自燃遙感與地球物理探測技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

[2] 邵振魯，王德明，王雁鳴.煤田火災(zāi)探測方法研究進展[J].煤礦安全，2012，43(8)：189-192.

[3] 余傳濤，劉鴻福，張新軍.雙頻激電法在圈定煤礦火區(qū)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2011，35(2)：223-225.

[4] 金永飛，鄧軍，許延輝，等.測氡法探測地下煤火技術(shù)研究與應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2010，30(6)：647-650.

[5] 武建軍，蔣衛(wèi)國，劉曉晨，等.地下煤火探測、 監(jiān)測與滅火技術(shù)研究進展[J].煤炭學(xué)報，2009，35(12)：1669-1674.

[6] PRASHANTHI S K，KULKARNI S.Coal-fire detection and monitoring in Raniganj coalfield，India-A remote sensing approach[J].Current Science，2005，88(1)：21-24.

[7] Saraf A K，Prakash A，Sengupta S，et al.Landsat - TM data for estimating ground temperature and depth of subsurface coal fire in the Jharia coal field，India[J].Int.J.Remote Sensing，1995，16 (12)：2111-2124.

[8] Künzer C.Demarcating coal fire risk areas based on spectral test sequences and partial unmixing using multi-sensor remote sensing data[D].Vienna，Austria:Vienna University of Technology，2005.

[9] Zhang J，Wagner W，Prakash A，et al.Detecting coal fires using remote sensing techniques[J].Int.J.Remote Sensing，2003，25(16):3193-3220.

[10] Zhang J M，Guan H Y.Study on four-level remote sensing detection system for underground coal fire monitoring[J].RemoteSensing for Land and Resources，2004，62 (4)：50-53.

[11] 肖海紅，陳虎維，李霞.衛(wèi)星遙感技術(shù)在煤田火區(qū)探測與監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].煤炭工程，2009 (2)：117-119.

[12] 蔣衛(wèi)國，武建軍，顧磊，等.基于遙感技術(shù)的烏達煤田火區(qū)變化監(jiān)測[J].煤炭學(xué)報，2010，35(6)：964-968.

[13] 蔣衛(wèi)國，武建軍，顧磊，等.基于夜間熱紅外光譜的地下煤火監(jiān)測方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011，31(2)：357-361.

[14] 姬洪亮.基于TM數(shù)據(jù)的地下煤火區(qū)地表溫度反演與驗證[J].國土資源遙感，2012，24(4)：101-106.

[15] 邱程錦，王堅，劉立聰，等.遙感技術(shù)在烏達煤田火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2012 (8)：130-133.

[16] 柳欽火，辛?xí)灾?，唐聘，?定量遙感模型、 應(yīng)用及不確定性研究[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[17] Qin Z，Karnieli A，Berliner P.A mono-window algorithm for retrieving land surface temperature from Landsat TM data and its application to the Israel-Egypt border region[J].International Journal of Remote Sensing，2001，22(18)：3719-3746.

[18] 覃志豪，Zhang Minghua，Arnon Karnieli etc.用陸地衛(wèi)星TM6熱波段數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法[J]，地理學(xué)報，2001，56(4)：456-466.

[19] 覃志豪，Li Wenjuan，Zhang Minghua etc.單窗算法的大氣參數(shù)估計方法[J].國土資源遙感，2003，56(2)：37-43.

Research of information extraction in the hazard area of coal spontaneous combustion based on remote sensing

LI Jun

(Geological Environmental Center of Shanxi Province，Taiyuan 030024，China)

In this research，taking Jurassic Datong coal mining area as an experiment area，Landsat TM images on July 5，2010 as a data source，and the mono-window algorithm was chosen to retrieve Land Surface Temperature (LST).Combined with the known coal fire location information to extract the coal spontaneous combustion hazard zone in the study area.By correcting the extraction field verification results of research results and the problems were discussed.Result of the extraction was revised by field check and also discussed the problems about the research achievements in this paper.At the same time，given a combined three-dimensional display of coal spontaneous combustion zone and remote sensing image.The results showed that the number of coal spontaneous combustion hazard zone in the study area was 12 in 2010，and the fire area totaled 7.61km2，accounting for 1.2% of the total area.Simultaneously，the accuracy for information extraction was 83.33%.To a certain degree，it provided a technical reference for the extracting coal spontaneous combustion by remote sensing.

remote sensing；coal spontaneous combustion；coal-fire；information extraction；Jurassic Datong coal mining area

2014-11-05

李軍(1968-)，男，高級工程師，目前主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)工作。

P237

A

1004-4051(2015)06-0138-04