基于遙感的小煤礦煤層自燃區(qū)探測研究
——以寧武縣余莊鄉(xiāng)小煤礦為例

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所，山西 太原 030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

基于遙感的小煤礦煤層自燃區(qū)探測研究
——以寧武縣余莊鄉(xiāng)小煤礦為例

任紅燕1常逸云2

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所，山西 太原 030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

本論文基于遙感和地理信息系技術(shù)，對寧武縣余莊鄉(xiāng)小煤礦的熱紅外影像TM11單波段進(jìn)行密度分割得出熱異常區(qū)域增強(qiáng)效果圖，然后利用TM4、5進(jìn)行波段運算合成植被覆蓋灰度圖像，與密度分割后的熱紅外影像圖進(jìn)行疊加分析，再與DLG的地質(zhì)巖層數(shù)據(jù)以及小煤窯分布區(qū)域進(jìn)行疊加分析對寧武煤田余莊鄉(xiāng)的小煤礦煤層自燃區(qū)進(jìn)行定位和判斷，劃定煤層自燃區(qū)。

landsat8；線性拉伸；密度分割；歸一化植被指數(shù)；植被覆蓋

1 研究的意義

煤的自然燃指殘留在采空區(qū)的碎煤和煤柱，存放在地面的煤堆，以及接近露頭的煤層，由于與空氣接觸而氧化生熱，在散熱條件不暢的情況下，氧化生成的熱量大于向四周散發(fā)的熱量，致使煤的溫度逐漸升高，一旦達(dá)到煤的燃點時，就會產(chǎn)生煤的自燃[1]。煤層自燃的危害對大氣、土壤、生態(tài)環(huán)境、人類健康都會產(chǎn)生較大的危害。

山西作為全國的煤炭資源大省2014年煤炭資源查明儲量2664億噸，居全國第二位，占全國資源儲量的22.6%，山西省作為我國重要的煤化工基地大規(guī)模煤炭資源的開采，在為我國工業(yè)快速發(fā)展提供大量的工業(yè)糧食(煤炭)的同時，也給礦山及其周圍生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[2]。山西煤層自燃區(qū)主要集中在晉北煤炭基地以動力用低變質(zhì)煤炭為主的一些地區(qū)，其中河?xùn)|煤田北部、大同煤田和寧武煤田最為嚴(yán)重。由于北部地區(qū)大部分煤層為厚——特厚煤層，煤層儲存較淺，處于干旱和半干旱環(huán)境中，煤層極易氧化自燃，形成大面積煤火區(qū)和礦井火區(qū)。本文以寧武煤田中的余莊鄉(xiāng)小煤礦為例利用遙感和地理信息技術(shù)對小煤礦煤層自燃區(qū)進(jìn)行探測研究。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

余莊鄉(xiāng)煤礦屬于寧武煤田，寧武煤田位于山西北部，跨朔州市平魯、朔州，忻州市神池、寧武、原平、靜樂和太原市婁煩等縣。煤田呈南北向轉(zhuǎn)為北東—南西的“弓”型。煤田周邊均以煤層露頭線為界，為雙紀(jì)煤田，是山西重要動力煤產(chǎn)地之一。煤田東西寬約18～23km，南北長約160km，煤田總面積3442km。寧武侏羅紀(jì)大同組含煤面積520km[3]。煤田資源量700億噸，儲量390億噸，年產(chǎn)約3000萬噸。石炭二疊紀(jì)近海型煤系厚180米，包括上石炭統(tǒng)本溪組、太原組和下二疊統(tǒng)山西組，由碎屑巖、泥質(zhì)巖夾石灰?guī)r和煤層組成。含煤10余層，主要位于太原組內(nèi)，其中可采煤層5～8層，煤層總厚度20～30米，從北往南變薄。以氣煤為主，灰分20%～30%，硫分一般在1.5%～3%(山西組煤小于1%)、發(fā)熱量30～33兆焦/千克。中侏羅世內(nèi)陸型煤系厚360米，位于煤田中南部，含2層可采煤層，層厚1～2.5米。煤田為北北東向的向斜，東翼平緩，西翼較陡，正斷層發(fā)育并常成礦區(qū)、井田的邊界[4]。寧武煤田是山西最嚴(yán)重的煤層自燃區(qū)。

3 煤層自燃數(shù)據(jù)源及處理

3.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)選用

在數(shù)據(jù)源的選擇上，我們主要從以下兩個方面考慮：數(shù)據(jù)的光譜特性及遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)地面分辨率?？紤]到煤田火區(qū)的熱輻射特性，我們選擇的衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)考慮到其具有熱紅外波段，另外對于一些重點防火區(qū)考慮用地面分辨率較高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。根據(jù)上述原則，本論文擬選擇的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源有：LANDSAT-8 TM影像數(shù)據(jù)共有11個波段，landsat-8具有2個傳感器：Operational Land Imager(OLI)和Thermal Infrared Sensor(TIRS)，亦即Landsat-8具有單獨的紅外傳感器TIRS，不像Landsat-7那樣，將其集成于ETM+傳感器之中。新的熱紅外傳感器有2個波段，比ETM+增加了1個波段，這使得它可以用劈窗算法來進(jìn)行大氣校正。利用TM影像的多波段信息，利用熱紅外波段TM11作為輔助信息，采用多波段圖像的組合分析方法，達(dá)到識別煤火的目的。用于幫助分析煤火分布區(qū)。

3.2 DLG數(shù)據(jù)獲取

地質(zhì)隊外調(diào)地質(zhì)地層概況數(shù)據(jù)，一般煤礦區(qū)因地下采空塌陷等原因造成的地裂縫，由于地下溫度也較底標(biāo)高，故也有熱量沿這些地裂縫或裂縫向上擴(kuò)散。地下煤層正在再燃地區(qū)的地裂縫，無論是白天還是夜間，輻射溫度均高于圍巖，形成明顯的熱異常。

3.3 時相選擇

寧武煤田分布區(qū)夏季植被普遍茂盛，有利于植被信息的提??；而植被對于煤火的反應(yīng)敏感，可借助植被信息、水系分布情況及區(qū)域資料初步判斷煤火情況。夏天由于輻射較強(qiáng)，在TM圖像上產(chǎn)生一定的干擾，結(jié)合區(qū)域?qū)崪y資料，可將這種干擾排除；已燒變的區(qū)域因為地表物質(zhì)變化，也產(chǎn)生了很強(qiáng)的熱異常。綜合考慮選擇2011年8月遙感圖像[5]。

3.4 遙感影像的增強(qiáng)處理

通過傳感器獲取的11個波段圖像含有大量地物信息，在單波段圖像上這些地物信息以圖像灰度形式顯示出來，但是地物特征間灰度差很小時，目視判讀就就無法分辨，而使用圖像增強(qiáng)的辦法可以突出顯示這種微小灰度差的地物特征，增強(qiáng)感興趣區(qū)域和背景圖像間的反差。圖像增強(qiáng)處理的本質(zhì)就是采用一系列的技術(shù)方法去改善視覺效果或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適于人眼或機(jī)器進(jìn)行解譯分析的形式。

在實際工作中一般采用線性拉伸這一增強(qiáng)處理方法，進(jìn)行線性拉伸處理不但能增強(qiáng)圖像的視覺效果又不會給柵格圖像的信息造成大的損失。線性拉伸主要通過按比例擴(kuò)大原始灰度等級的范圍從而達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對比度的效果。

3.4.1 線性拉伸

在本論文中，擬采用ENVI軟件對圖像進(jìn)行線性拉伸工作。具體步驟如下：

使用envi打開TM11、5、4波段合成圖像，在Display中顯示。在主圖像窗口中，選擇Enhance然后選擇Interactive streching，可以打開交互式直方圖拉伸操作對話框。

可以看到交互式拉伸對話框，顯示一個輸入直方圖和一個輸出直方圖，他們表明當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)以及分別應(yīng)用的拉伸；兩條垂線(虛線)表明當(dāng)前拉伸說用到的最小值和最大值，其值顯示在Stretch標(biāo)簽的兩個文本框中。對于本文用到的TM11、5、4假彩色圖像來說，直方圖的顏色與所選擇的顏色一致，可以用鼠標(biāo)選擇RGB波段。

這里我們選擇R波段進(jìn)行拉伸。因為R波段式TM11熱紅外波段，可以增強(qiáng)高溫區(qū)域的顯示效果。

3.4.2 單波段假彩色密度分割

對TM11波段影像圖采用最優(yōu)二段分割，以區(qū)分在圖像灰度值上有不同表現(xiàn)的煤田熱異常和背景區(qū)。將Max～Min+1灰度級進(jìn)行兩分，共有Max-Min種分發(fā)。最優(yōu)二段是通過計算各種分發(fā)的直徑總和，從而找到最小的直徑總和。即：對任意一個i(Min

式中：(Max)表示被分割的最大灰度級；上標(biāo)(2)表示預(yù)分割段數(shù)；i表示以灰度i級為分割點的分割。

使用密度分割可以將熱異常區(qū)與背景去區(qū)分開[6]。

3.5 植被指數(shù)的提取與植被覆蓋度的計算

3.5.1 植被指數(shù)與歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI )是描述增加在近紅外波段范圍綠葉的散射與紅色波段范圍葉綠素吸收的差異的植被指數(shù)，在葉面積指數(shù)(LAI)的值很高，即植被茂密時其靈敏度會下降[7]。NDVI是植被覆蓋度的最佳指示因子，可以部分消除輻射的誤差和由于主觀原因造成的誤差。NDVI的取值范圍是-1～1，NDVI<0時，地面覆蓋有云、水、雪等；NDVI=0時，有巖石或者裸土等；NDVI>0時，有植被覆蓋，且與植被覆蓋成正比。其定義為紅外波段(NIR)與紅光波段(R)的差值與兩者和的比，即：

不同傳感器的遙感數(shù)據(jù)，NDVI的計算公式也不同，本文選用的是Landsat TM/ETM+的影像數(shù)據(jù)，與近紅外波段相對應(yīng)的是5波段，與可見光波段相對應(yīng)的是4波段，所以，對于Landsat 8的遙感影像來說，計算公式應(yīng)為：

3.5.2 運用歸一化植被指數(shù)NDVI估算植被覆蓋度

根據(jù)像元二分模型，將一個像元的NDVI值表示為兩部分，植被覆蓋部分和土壤覆蓋部分，把它帶入到公式可以表示為：

其中，NDVIveg是完全被植被覆蓋的NDVI值，NDVIsoil是完全被土壤覆蓋的NDVI值。該方法經(jīng)過多種研究檢驗，是一種比較方便、簡單的估算植被覆蓋度的方法。

4 數(shù)據(jù)分析和區(qū)域圈定

4.1 熱紅外影像與植被覆蓋影像疊加分析

可以看到清晰的熱異常區(qū)域的顯示，與植被覆蓋一起顯示，此處白色為植被覆蓋區(qū)域，紅色為熱異常區(qū)與，因為煤層自燃區(qū)域溫度較高，并且干燥還有大量有害氣體不利于植被生長，所以一般不會有植被覆蓋，有植被覆蓋的區(qū)域是干擾區(qū)域可以排除。

導(dǎo)入現(xiàn)有的小煤窯區(qū)域數(shù)據(jù)，將植被覆蓋處改為綠色，其他地方無色，與小煤窯區(qū)域數(shù)據(jù)和熱異常區(qū)域影像圖疊加，目視解譯出煤田自燃火區(qū)，建立火區(qū)shapfile面文件，如圖1。

圖1 通過人工解譯出熱異常區(qū)圖

4.2 DLG數(shù)據(jù)

添加余莊鄉(xiāng)外調(diào)地質(zhì)底圖，建立shapfile線文件，通過人工解譯得出以下結(jié)果，在按地圖的方位加上指北

針，可以看出，此時的地圖用的是西安1980 GK CM111E坐標(biāo)系。

根據(jù)當(dāng)?shù)赝鈽I(yè)調(diào)繪資料和遙感影像圖將余莊鄉(xiāng)的底層分類繪制，建立地質(zhì)要素，火點，注記，小煤窯，火區(qū)，基礎(chǔ)地理要素和底層分類要素這幾個要素文件，分別進(jìn)行解譯繪制成圖。

4.3 余莊鄉(xiāng)煤層自燃區(qū)判定結(jié)果

該區(qū)塊煤系地層為奧陶系上馬家組，石炭系本溪組、太原組和二疊系山西組，本溪組平行整合于奧陶系馬家溝組灰?guī)r之上，以灰白色，灰色及黑色的泥巖，砂巖組成，夾薄層灰?guī)r及煤層，地步為鐵鋁巖，一般厚約30m；太原組由灰白色砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖和灰?guī)r組成，本組厚約106m；山西組由深灰、黑色泥巖、砂巖泥巖，灰白色砂巖及煤層組成，本組厚約45m。整個區(qū)塊位于寧武向斜的西翼，寧武向斜方向呈北東向，東西兩翼分別受云中山及管涔抬升的影響，煤層淺部地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜[8]。山西組和太原組共含煤5～6層，其中4號煤和9號煤較厚，為主要可采煤層，其余煤層為局部可采[9]。其他組是不含煤層的，就不存在煤層自燃，故將山西組和太原組以外地層上的煤層自燃區(qū)排除，就剩下下圖2顯示的區(qū)塊，暗色區(qū)是判定煤層自燃區(qū)的最后結(jié)果，表1是煤層自燃區(qū)概況。

圖2 排除干擾后劃定的煤層自燃區(qū)圖

火區(qū)名稱理位置煤火類型火區(qū)面積(m2)周長(m)薛家溝煤礦火區(qū)忻州市寧武縣薛家溝煤礦明火141731.191695.10西棧溝煤礦火區(qū)忻州市寧武縣西棧溝煤礦明火64723.601086.85薛家溝煤礦2#火區(qū)忻州市寧武縣薛家溝煤礦明火62602.931005.68正溝煤礦1#火區(qū)忻州市寧武縣正溝煤礦明火29261.93746.86正溝煤礦2#火區(qū)忻州市寧武縣正溝煤礦明火8870.70407.42寺溝村西北2#火區(qū)忻州市寧武縣寺溝村西北300米明火81300.941515.17

4.4 與實地外業(yè)調(diào)查加內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果對比

實地外業(yè)調(diào)查加內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果顯示，在遙感解譯圖上、煤層自燃整體呈長條狀。在野外核查工作中，煤層自燃的明火區(qū)遠(yuǎn)處可見到濃煙。實地可見火苗、燒變巖。明火區(qū)面積較小，一般發(fā)生在煤礦洞口附近和裂縫中。整體沿煤層走向呈不連續(xù)的長條狀、團(tuán)塊狀展布具有煤層厚度大，出露于地表，附近人工露頭開采或小煤礦過去存在的痕跡。根據(jù)火點的位置和巖層的產(chǎn)狀可以得出一個相對準(zhǔn)確的結(jié)果。如圖3，表2是煤層自燃區(qū)概況。

表2 高精度的內(nèi)外結(jié)合劃定煤層自燃區(qū)域概況

圖3 高精度的內(nèi)外結(jié)合劃定煤層自燃區(qū)

通過與實地外業(yè)調(diào)查加內(nèi)業(yè)結(jié)果對比，上述分析煤層自燃區(qū)位置基本準(zhǔn)確，但火區(qū)面積與周長有一定誤差。

5 結(jié)束語

本文劃定煤層自燃區(qū)的研究方法依然存在許多的誤差和不足，熱紅外遙感波段可以用來反演區(qū)域的溫度，但是由于是白天的影像，熱紅外探測存在較夜晚更多的干擾項，此次只排除了植被覆蓋的干擾，由TM7、5、4合成影像圖可以看出，陰面的溫度較陽面低，太陽輻射的強(qiáng)度在各個區(qū)域不相同，再加上地面輻射和大氣的散射的影響等因素都制約著紅外波段的數(shù)據(jù)構(gòu)成，另外從植被覆蓋指數(shù)灰度圖看出，火區(qū)周圍存在著燒變區(qū)和臨界區(qū)域，因為煤層自燃那破壞了植被結(jié)構(gòu)，所以燒變區(qū)

的植被與自然生長區(qū)域的植被還是存在著差異，但是由于差異并不能明顯的反應(yīng)出整個燒變區(qū)的輪廓，無法精確劃定燒變區(qū)。所以想要真正的探測煤層自燃的區(qū)域還需要外業(yè)調(diào)查。因此要對火區(qū)的地表指示性特征及煤田火區(qū)遙感動態(tài)監(jiān)測指標(biāo)體系充分研究，還要利用高分辨率衛(wèi)星遙感圖像，通過對火區(qū)熱異常范圍、地表裂縫、植被、小窯、燒變巖、煤層露頭、煤系、斷裂構(gòu)造、剝離邊界和滅火堆積物等與火區(qū)相關(guān)的信息的地表比對和解譯，結(jié)合地質(zhì)、鉆孔、物探資料和野外地質(zhì)調(diào)查資料對煤田火區(qū)進(jìn)行遙感監(jiān)測[10]。

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TheResearchProbingCoalfieldFiresAreaofSmallCoalMinesBasedonRemoteSensing：AcaseStudyofNingwuCountyYuzhuangTownshipSmallCoalMines

REN Hongyan1CHANG Yiyun2

(1.Agricultural Resource and Economy Institute，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan Shanxi 030006，China； 2.College of resources and environment，Shanxi Agricultural University，Taigu Shanxi 030801，China)

Based on remote sensing technique and geographic information technology，this paper firstly obtained enhancement effect image of thermal anomaly area by density slicing thermal infrared image TM11 single band of Yu Zhuang Township，Ningwu County，Shanxi Province. Then overlay analysing density sliced thermal infrared image and synthesized gray image of vegetation cover by TM4、5 band operation，and then positioning and judging coalfield fires of Yu Zhuang Township，Ningwu Coalfield by overlay analysing DLG geological formations information based on arcgis10.2 interpretation and small coal mine distribution area，delimiting spontaneous combustion area of coal seam.

Landsat8；Linear stretch；Density separation；The normalized difference vegetation index；vegetation cover

項目資助：山西省財政支農(nóng)項目《山西農(nóng)村經(jīng)濟(jì)重大問題跟蹤研究》(項目編號：2015ZZCX-10)

任紅燕，研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃

文獻(xiàn)格式：任紅燕 等.基于遙感的小煤礦煤層自燃區(qū)探測研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：170-173.

X21

A

1673-288X(2017)06-0170-04