基于遙感和高程差異特征快速調(diào)查采煤塌陷地的方法研究
——以山東省為例

秦曉敏，王森，許霄霄，翟永波，王靖偉,李西春

(1.山東省土地調(diào)查規(guī)劃院，山東 濟南 250000；2.日照市國土資源局，山東 日照 276800；3.濟南中地時代科技有限公司，山東 濟南 250014)

技術方法

基于遙感和高程差異特征快速調(diào)查采煤塌陷地的方法研究
——以山東省為例

秦曉敏1，王森1，許霄霄1，翟永波1，王靖偉2,李西春3

(1.山東省土地調(diào)查規(guī)劃院，山東 濟南 250000；2.日照市國土資源局，山東 日照 276800；3.濟南中地時代科技有限公司，山東 濟南 250014)

煤礦開采產(chǎn)生的地表塌陷不僅造成耕地破壞，還會引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞及基礎設施建設損毀，對社會經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重的負面影響。如何快速摸清底數(shù)，進而理清責任并分類治理顯得尤為重要。該文以山東省為例，研究借助遙感技術和DEM高程差異特征形成一套快速調(diào)查采煤塌陷地的技術方法，該方法重點調(diào)查地表在一定時期高程損失0.5m以上、且損害人民生產(chǎn)生活的采煤塌陷區(qū)域。通過研究，摸清了山東省采煤塌陷地位置、規(guī)模、損毀程度及土地用途等基本情況，并建立了采煤塌陷地基礎數(shù)據(jù)庫。

采煤塌陷地；遙感；DEM；高程差異；山東省

0 引言

煤炭是我國的主體能源，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎，但煤炭的大量開采導致地表崩塌、沉降和塌陷，形成大面積采煤塌陷地。采煤塌陷地不僅使生態(tài)環(huán)境遭受嚴重破壞，而且嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。多年來，各地積極探索采煤塌陷地恢復治理的有效途徑，但因體制機制不健全、政策措施不完善、底數(shù)不清等原因，采煤塌陷地治理工作始終停留在“零打碎敲”的初級階段，全面推行大區(qū)域大規(guī)模綜合治理的新模式迫在眉睫。因此，大尺度范圍內(nèi)全面摸清采煤塌陷地的位置、面積、分布、損毀程度及土地現(xiàn)狀用途等基本情況，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

該文以山東省為例，研究快速調(diào)查采煤塌陷地底數(shù)的技術方法，利用多時相DEM數(shù)據(jù)與高清影像、采煤礦區(qū)、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查成果、土地整治項目及補償協(xié)議等資料，在內(nèi)業(yè)快速分析的基礎上，結(jié)合實地補充調(diào)查，對全省范圍內(nèi)采煤塌陷地進行了摸底調(diào)查，建立了山東省采煤塌陷地基礎數(shù)據(jù)庫，為山東省采煤塌陷地復墾利用管理、政策制定提供可靠翔實的基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山東省煤炭資源較為豐富，是我國發(fā)現(xiàn)、開采、利用煤炭最早的省份之一。據(jù)統(tǒng)計，山東省地下含煤面積約為48000km2，約占全省土地總面積的1/3[1-2]，先后開發(fā)了棗滕、濟寧等10多個礦區(qū)，形成了以國有大型礦井為主體,地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)礦井共同發(fā)展的大、中、小相結(jié)合的發(fā)展格局，為經(jīng)濟增長和社會進步發(fā)揮了巨大的作用[3-4]。與此同時，大量開采導致地表裂縫、裂隙及大面積的土地塌陷，每年因采煤塌陷土地近4000hm2，造成基礎設施受損、耕地減少、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、村莊房屋破壞、群眾被迫搬遷等，給當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展帶來較大制約[5]，亟需在省級層面全面掌握采煤塌陷地狀況，摸清具體位置、規(guī)模、分布、損毀程度及土地利用狀況等非常必要。

2 研究數(shù)據(jù)與調(diào)查對象

研究數(shù)據(jù)包括山東省煤炭礦區(qū)范圍，涉及242片礦區(qū)[6](其中正在開采的礦區(qū)198片)，礦區(qū)面積共44.07萬hm2；2008年遙感影像、2014年0.48m地面分辨率航拍影像圖；2008年、2014年兩時相5m分辨率的DEM數(shù)據(jù)(數(shù)字高程模型)；2014年土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)；土地整治項目范圍；以及其他資料如與農(nóng)民簽訂的補償協(xié)議等。

理論上，2個時期DEM的高程變化可以反映出地表塌陷的空間分布特征，但引起高程變化有多種因素[7]，如兩期DEM生產(chǎn)方式不同，數(shù)據(jù)本身存在噪聲，均導致由DEM計算出來的高程變化信息存在系統(tǒng)性的誤差。從消除誤差增強結(jié)果可靠性、重點關注產(chǎn)生損害的塌陷區(qū)以及遙感技術的適用性三方面考慮，通過反復測試，最終確定高程損失0.5m以內(nèi)的區(qū)域視為系統(tǒng)誤差，不提取為塌陷區(qū)。

因此，該次調(diào)查采煤塌陷地主要為采煤礦區(qū)范圍內(nèi)或周圍連片區(qū)域，因煤礦開采導致地表在一定時期高程損失0.5m以上、且損害人民生產(chǎn)生活的區(qū)域，已治理恢復利用的塌陷區(qū)域不作為調(diào)查重點。根據(jù)損害程度，可分為嚴重塌陷區(qū)和一般塌陷區(qū)。嚴重塌陷區(qū)為嚴重塌陷難以開展生產(chǎn)生活利用的區(qū)域，如積水區(qū)或嚴重損毀而無法耕種的區(qū)域等；一般塌陷區(qū)為其他因采煤塌陷造成負面影響的區(qū)域。

3 研究方法

該文內(nèi)業(yè)分析采用基于遙感和高程差異特征快速定位采煤塌陷地，即以采煤礦區(qū)為調(diào)查子區(qū)，利用兩期DEM高差信息和兩時相高清航拍影像特征，綜合判斷采煤塌陷地范圍；對內(nèi)業(yè)獲取有疑問的圖斑進行實地核實補充調(diào)查，如對DEM高程信息變化與影像特征表現(xiàn)不一致、塌陷范圍界線不明顯的圖斑開展外業(yè)核實，對有關采煤礦區(qū)、土地整治項目及與農(nóng)民簽訂的補償協(xié)議等資料的分析結(jié)果開展補充調(diào)查，同時拍攝具有定位定向信息的實地照片；通過對內(nèi)外業(yè)綜合分析，最終形成采煤塌陷地矢量數(shù)據(jù)；然后結(jié)合土地利用變更調(diào)查成果，得到采煤塌陷地的土地利用現(xiàn)狀地類；最終建立圖、數(shù)、實地照片一致的數(shù)據(jù)庫進行科學管理，具體技術流程如圖1所示。

圖1 采煤塌陷地調(diào)查技術流程圖

3.1 制作地表高程變化分布圖

首先對2008年、2014年兩期的DEM數(shù)據(jù)進行差值分析，將2008年DEM高程減去2014年DEM高程，計算出2期DEM數(shù)據(jù)的高程差值并進行配色，制作地表高程變化分布圖。高程差值大于0.5m，表示地表有沉降，疑似塌陷；高程差值在-0.5m～0.5m之間，表示地表無明顯變化；高程差值小于-0.5m，表示地表有所上升。

3.2 內(nèi)業(yè)綜合判讀提取采煤塌陷地

內(nèi)業(yè)主要將遙感影像、DEM數(shù)據(jù)與山東省煤炭礦區(qū)范圍進行套合分析并矢量化。根據(jù)2008—2014年間地表高程損失信息，快速發(fā)現(xiàn)采煤塌陷區(qū)，然后套合遙感影像與煤炭礦區(qū)范圍，以各礦區(qū)為調(diào)查子區(qū)，對照2008年和2014年高分辨率遙感影像紋理、色調(diào)等反映的塌陷特征進行綜合比較、分析判斷，提取采煤塌陷區(qū)信息[8-14]。

在判讀過程中掌握以下幾個原則：一是影像數(shù)據(jù)有塌陷特征，且DEM數(shù)據(jù)顯示明顯高程損失，此類型提取為采煤塌陷區(qū)(圖2)；二是影像數(shù)據(jù)顯示有積水，DEM高程損失不明顯，也提取為采煤塌陷區(qū)(圖3)；三是疑似已治理區(qū)域，一般不提取為采煤塌陷區(qū)(圖4)。

a—2014年影像；b—兩期DEM高程差異圖2 影像與高程差異均顯示塌陷特征示例圖

a—2014年影像；b—兩期DEM高程差異圖3 影像有明顯塌陷特征而高程差異不明顯示例圖

a—2014年影像；b—兩期DEM高程差異圖4 影像與高程差異顯示已治理示例圖

3.3 外業(yè)核實補充調(diào)查

外業(yè)主要是對內(nèi)業(yè)提取的采煤塌陷區(qū)(嚴重塌陷區(qū)和一般塌陷區(qū))進行核實、補充調(diào)查。利用具有定位定向采集功能的先進外業(yè)核查設備，對需要外業(yè)核查的圖斑進行精確定位，逐一實地核實測量損毀圖斑的相關信息。對不符合調(diào)查要求的圖斑，現(xiàn)場調(diào)查確認后予以刪除；屬于采煤塌陷區(qū)的，補充相關資料并采集多角度的實地照片，修正采煤塌陷區(qū)的范圍。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，外業(yè)調(diào)查還采取了農(nóng)村入戶調(diào)查方法，根據(jù)村民提供的相關資料，如礦企與村民簽訂的補償協(xié)議、實地照片等，確定采煤塌陷區(qū)的范圍和類型。

3.4 GIS空間分析與數(shù)據(jù)庫建設

根據(jù)內(nèi)外業(yè)綜合調(diào)查確定的成果，采用GIS空間疊加分析等方法[15-17]，進行成果的匯總分析。將2014年土地利用現(xiàn)狀圖與最終確定的采煤塌陷區(qū)進行疊加分析，獲取采煤塌陷地的現(xiàn)狀地類屬性信息。最后將調(diào)查的最終成果，按照山東省采煤塌陷地數(shù)據(jù)庫相關規(guī)則，逐一對照入庫，形成山東省采煤塌陷地基礎數(shù)據(jù)庫，包括2014年遙感影像圖、2014年土地利用現(xiàn)狀圖、兩期DEM數(shù)據(jù)、DEM高程損失數(shù)據(jù)等基礎圖層，以及采煤礦區(qū)分布圖、采煤塌陷區(qū)分布圖、采煤塌陷地土地利用現(xiàn)狀圖層等專題圖層。

4 調(diào)查結(jié)果

(1)從總量上看，截至2014年底，山東省已形成采煤塌陷地面積約為39698.79hm2，其中嚴重塌陷區(qū)面積27048.36hm2，一般塌陷區(qū)面積12650.43hm2，涉及11市。

(2)從塌陷規(guī)模、分布來看，情況最嚴重的為濟寧市，其次為泰安市、棗莊市、菏澤市，德州、煙臺、臨沂等7市采煤塌陷地規(guī)模均較小。重點4市采煤塌陷地面積38377.24hm2，占全省采煤塌陷地的96.67%；其中嚴重塌陷區(qū)面積25910.20hm2，占全省嚴重塌陷區(qū)的95.79%；一般塌陷區(qū)面積12467.04hm2，占全省一般塌陷區(qū)的98.55%。

(3)從采煤塌陷地土地利用現(xiàn)狀上看，全省采煤塌陷地現(xiàn)狀為農(nóng)用地共35068.31hm2，占全省采煤塌陷地總量的88.34%,其中耕地23078.92hm2，占采煤塌陷地總面積的58.14%；園地570.42hm2，占總面積的1.44%；林地2516.46hm2，占總面積的6.34%。現(xiàn)狀為建設用地共3306.94hm2，占全省采煤塌陷地總量的8.33%，其中村莊、建制鎮(zhèn)、城市合計1777.27hm2，占總面積的4.48%?，F(xiàn)狀為未利用地共1323.54hm2，占全省采煤塌陷地總量的3.33%。

濟寧、泰安、棗莊、菏澤重點4市采煤塌陷地中現(xiàn)狀為農(nóng)用地34171.10hm2，占4市塌陷總面積的89.04%，其中涉及耕地22701.47hm2，占4市塌陷總面積的59.15%；園地464.13hm2，占4市塌陷總面積的1.17%；林地2395.17hm2，占4市塌陷總面積的6.24%。建設用地2977.96hm2，占4市塌陷總面積的7.76%；其中村莊、建制鎮(zhèn)、城市合計1660.39hm2，占4市塌陷總面積的4.33%。未利用地1228.18hm2，占4市塌陷總面積的3.2%。重點區(qū)域采煤塌陷地分類與土地利用基本情況如圖5所示。

圖5 重點區(qū)域采煤塌陷地分類與土地利用基本情況

(4)從損毀基本農(nóng)田的情況看：全省采煤塌陷損毀基本農(nóng)田20283.17hm2，占采煤塌陷地總面積的51.09%，其中濟寧、泰安、棗莊、菏澤4市損毀基本農(nóng)田20029.95hm2，占全省采煤塌陷地總面積的50.45%。

(5)嚴重塌陷區(qū)內(nèi)損毀耕地與基本農(nóng)田情況：全省采煤塌陷地嚴重塌陷區(qū)損毀耕地面積13686.11hm2，占采煤塌陷地總面積的34.47%，其中濟寧、泰安、棗莊、菏澤4市嚴重塌陷區(qū)損毀耕地面積13382.45hm2，占采煤塌陷地總面積的33.71%。全省采煤塌陷地嚴重塌陷區(qū)損毀基本農(nóng)田面積11840.26hm2，占全省采煤塌陷地總面積的29.83%，其中濟寧、泰安、棗莊、菏澤4市嚴重塌陷區(qū)損毀基本農(nóng)田面積11651.89hm2，占全省采煤塌陷地總面積的29.35%。

(6)一般塌陷區(qū)內(nèi)損毀耕地與基本農(nóng)田情況：全省采煤塌陷地一般塌陷區(qū)損毀耕地面積9392.81hm2，占采煤塌陷地總面積的23.66%，其中濟寧、泰安、棗莊、菏澤4市一般塌陷區(qū)損毀耕地面積9319.01hm2，占采煤塌陷地總面積的23.47%。全省采煤塌陷地一般塌陷區(qū)損毀基本農(nóng)田面積8442.91hm2，占全省采煤塌陷地總面積的21.27%，其中濟寧、泰安、棗莊、菏澤4市一般塌陷區(qū)損毀基本農(nóng)田面積8378.06hm2，占全省采煤塌陷地總面積的21.10%。

5 結(jié)論

(1)研究了大尺度范圍內(nèi)根據(jù)高清影像、一定時期高程變化特征以及礦區(qū)分布等快速提取采煤塌陷地的技術方法，同時采用了具有位置及多角度拍攝信息的外業(yè)調(diào)查方法，實現(xiàn)了圖、數(shù)、實地照片的統(tǒng)一管理。

(2)首次運用遙感技術對山東省全域的采煤塌陷地進行了比較系統(tǒng)的現(xiàn)狀調(diào)查，并建立了采煤塌陷地基礎數(shù)據(jù)庫。研究成果的推廣應用具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益，可為政府部門開展采煤塌陷地調(diào)查和科學管理提供技術借鑒，并為及時給予農(nóng)民補償、精準扶貧等提供依據(jù)。

(3)在利用兩期DEM高程數(shù)據(jù)進行差值分析來快速發(fā)現(xiàn)采煤塌陷區(qū)方面有一定的優(yōu)勢，提高了調(diào)查的工作效率。但DEM數(shù)據(jù)的使用具有一定的局限性，一方面DEM高差變化的影響因素有很多，不僅是煤炭開采導致的，所以兩期DEM高差有偽變化；另一方面兩期DEM相差時間較短，有些塌陷區(qū)沉降不明顯，難以反映出來，所以有關DEM高程損失在采煤塌陷地調(diào)查中的研究還需要進一步的深入。

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StudyonRapidInvestigationofCoalMiningSubsidenceBasedonRemoteSensingandElevationDifferenceCharacteristics——Taking Shandong Province as an Example

QIN Xiaomin1，WANG Sen1，XU Xiaoxiao1，ZHAI Yongbo1, WANG Jingwei2, LI Xichun3

(1.Shandong Land Surveying and Planning Institute, Shandong Jinan 250014,China；2.Rizhao Bureau of Land and Resources, Shandong Rizhao 276800,China; 3.Jinan Zhongdishidai Science Limited Corporation, Shandong Jinan 250014, China)

Surface subsidence caused by coal mining will not only destroy the cultivated land, but also can cause damage to ecological environment and infrastructure construction, and cause negative effect seriously for the social and economic development. How to quickly survey the base number of coal mining subsidence, and clarify responsibilities and classification management is particularly important. In this paper, taking Shandong province as an example, rapid investigation method of coal mining subsidence has been formed based on remote sensing and elevation difference characteristics. This method focuses on surveying the areas of coal mining collapse that the surface has lost more than 0.5m in a certain period and damages the people's production and life .Through study, the location, scale, damage degree, land use and other basic situations of coal mining subsidence have been identified, and the foundation database of coal mining subsidence in Shandong province has been established.

Coal mining subsidence; remote sensing;DEM; elevation difference;Shandong province

2017-05-08；

2017-06-22；

陶衛(wèi)衛(wèi)

科研項目：山東省損毀土地現(xiàn)狀調(diào)查及研究

秦曉敏(1981—)，女，山東聊城人，高級工程師，主要從事土地調(diào)查、耕地保護與信息化建設的研究；E-mail：53830936@qq.com

P237;TD325

B

秦曉敏，王森，許霄霄，等.基于遙感和高程差異特征快速調(diào)查采煤塌陷地的方法研究——以山東省為例[J].山東國土資源，2018,34(1)：56-60.QIN Xiaomin, WANG Sen, XU Xiaoxiao, etc.Study on Rapid Investigation of Coal Mining Subsidence Based on Remote Sensing and Elevation Difference Characteristics——Taking Shandong Province as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2018,34(1)：56-60.