安寧磷礦區基于3S技術的礦山地質災害隱患三維判識

杜瑞玲，趙志芳，洪友堂，南竣祥

(1.中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083;2.云南大學資源環境與地球科學學院，云南 650091)

安寧磷礦區基于3S技術的礦山地質災害隱患三維判識

杜瑞玲1，趙志芳2，洪友堂1，南竣祥1

(1.中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083;2.云南大學資源環境與地球科學學院，云南 650091)

以云南省安寧磷礦區為例，基于3S技術構建三維模型，在ArcGIS軟件中利用高分辨率遙感圖像建立礦山地質災害隱患三維判識標志，圈定并量算出地質災害隱患體及影響對象的范圍，實地了解并驗證地質災害隱患信息的可靠程度，取得的成果為礦山企業和相關管理部門提供了基礎信息和決策支持，具有一定的推廣應用價值。

3S技術;礦山地質災害隱患;三維判識

0 引言

近年來，3S(RS，GIS和GPS)技術被許多地學工作者應用于地質災害調查與研究領域，并日漸成為地質災害研究不可或缺的工具。目前，隨著全國礦山遙感調查監測工作的推進，分辨率優于4 m的高分辨率遙感數據(以下簡稱高分遙感數據)已在礦山地質災害調查中得到廣泛應用。基于二維平面的專業知識背景的目視解譯或人機交互遙感解譯技術在地質災害調查中的應用已經比較成熟，同時，3S三維可視化技術亦在地學領域有所應用，如羅真富等利用遙感三維解譯全方位觀察泥石流溝谷以及相關的地形地貌［1］;高山等通過建立三維可視化工程地質模型，勘查向莆鐵路高蓋山隧道工程［2］;戴曉愛等利用高精度DEM建模實現云南騰沖駝峰機場的遙感圖像三維可視化，快速準確地分析地形和計算土石方填挖量，取得了較好效果［3］。

分析總結以往地質災害遙感調查監測工作，筆者認為在以下方面還仍存在不足:①地質災害遙感解譯大多基于中、低分辨率遙感數據的二維平面圖像進行，這導致解譯結果圖中地質災害體(或地質災害隱患)與周圍地理(地質)環境之間的關系不符合人們視覺習慣的直觀認識，缺乏有效的結合數字高程模型(DEM)對地質災害(或地質災害隱患)微地貌進行綜合研究，尤其對地質災害的定量化研究不足［4］;②三維可視化技術應用面相對較窄，已開展的工作主要集中在對已發生地質災害及其災情的三維信息提取方面，對尚未發生的、對人民生命財產存在較大危脅的地質災害隱患信息的提取則較少涉及。

基于此，本文以安寧磷礦區為例，采用World-View2、SPOT5等高分遙感數據，將3S技術應用于地質災害隱患三維判識及定量信息提取研究，以期為礦山地質災害隱患的快速判識提供方法示范，為礦區防災減災等工作提供基礎信息及決策支持。

1 研究區與數據源概況

1.1 研究區概況

選擇云南省安寧磷礦區為研究區。該礦區地處滇中昆明盆地西南側，以中山山地、高原盆地分布為主，平均海拔2 000 m。區內交通較便捷，穿過礦區的縣級公路向多個方向延伸，可與國道及高速公路相接。

區內礦山企業眾多，且多為小型規模、集體和私營企業，以磷礦、石灰巖礦開采為主。大型國有磷礦企業對礦山開發引起的地質災害及隱患大多采取了一定防御措施;但小型磷礦與采石場由于開采難度低、規模小，個體私營企業主及相關部門對采礦引發的地質災害隱患尚未有足夠的重視［5］。

1.2 數據源

本研究涉及數據源有高分遙感數據(RS)、采礦權數據(GIS)、野外查證數據(GPS)以及地形、地理、地質等資料。

RS數據主要包括2010年12月18日獲取的WorldView2衛星數據(分辨率:全色0.46 m，多光譜1.8 m)，2010年5月5日獲取的 SPOT5衛星數據(分辨率:全色2.5 m、多光譜10 m)。為了能夠精確、充分地挖掘遙感數據中所包含的礦山地質災害隱患信息，以1973年測制的1∶5萬地形圖為基準，利用1∶5萬DEM數據對遙感數據進行正射糾正;將SPOT5全色波段數據與多光譜波段數據進行融合處理，采用B3(R)，B2(G)，B1(B)波段組合生成模擬真彩色遙感影像圖。地圖投影方式為高斯克呂格，6度分帶18帶投影。影像地圖上隨機抽取地物點的平面位置中誤差不大于0.50 mm，可滿足高精度礦山地質災害隱患信息判識的要求。數據為img格式。

GIS數據主要為地形、地理及采礦權數據資料，地形、地理數據以1973年測制的1∶5萬地形圖為基準，生成1∶5萬DEM高程數據，并獲取居民地、道路、交通等數據;采礦權數據則主要來自云南省國土資源廳，截止時間為2010年5月，其中包括礦山名稱、開采礦種等屬性。數據為shp格式。

GPS數據主要為野外查證資料，為2010年7月及2011年1月采用手持式GPS(誤差小于5 m)所測定的野外觀察點位置等數據，另外還包括觀察點地理、地形地貌、災害隱患及險情的野外照片、野外記錄表等。數據為shp格式。

2 實驗與分析

2.1 研究流程

本次研究采用ArcGIS平臺，利用RS和DEM等資料，疊加礦權數據，基于3S技術建立三維礦山地質災害隱患判識標志，綜合分析研究礦山地質災害隱患，并采用GPS進行野外實地測量驗證地質災害隱患判識的可靠程度。主要研究內容包括:

1)利用ArcGIS軟件，從研究區礦山主要為磷礦、鐵礦及砂石料露天開采方式的特點出發，建立礦山開發地物解譯標志，提取研究區與礦山開發相關的地物類型(活動開采面、中轉場地、固體廢棄物等)及其分布位置、面積范圍等信息;

2)利用ArcGIS軟件中的空間分析工具，基于DEM數據生成坡度、坡向圖，為后續三維判識地質災害隱患時粗略查詢隱患體發育部位的坡度、坡向奠定基礎;

3)在ArcGlobal平臺上，依次疊加遙感影像、地理、DEM、坡度、坡向、地質及礦權等基礎資料，利用三維可視化技術生成三維遙感影像圖，根據遙感影像上地質災害孕災背景條件(包括礦山地質災害隱患賦存的條件，物源－堆積物厚度與分布，孕災地質體的地貌部位、植被發育狀態、地形坡度、地質構造、巖性、周邊相關地物等)的形態、色調、影紋結構特征，結合人類工程活動即礦山開發狀況，建立礦山地質災害隱患三維解譯標志;綜合分析判識地質災害隱患物源及可能的隱患類型、影響對象;圈定并精確量算出地質災害隱患體的長度、寬度和面積，通過DEM估算出其高度;圈定災害可能影響范圍(公路掩埋長度、村莊損毀面積、建筑損壞數量等);

4)選取典型地區進行GPS野外查證，了解地質災害隱患發育的位置、類型是否正確，進一步目估隱患體的平均高度，完善地質災害隱患體的規模信息;了解該區的交通、社會、經濟等狀況，驗證并估算地質災害隱患可能造成的損失狀況，如公路掩埋長度、建筑中容納人數等，評估地質災害隱患險情。

研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖Fig.1 Study flow chart

2.2 礦山地質災害隱患三維判識

本次研究的對象不涉及自然發生的地質災害隱患，均為由礦山開發引起的地質災害隱患，即指那些具備了災害發生所需要的一些條件但尚未達到臨界狀態，在二維遙感圖像上與礦山特定地物(采場、固體廢棄物等)密切相關，但其組成要素不能清晰判識，需要通過三維技術構建一系列孕災背景條件等的間接解譯標志，進行判識、推斷的礦山地質災害隱患體。下文分述研究區幾種主要地質災害隱患類型的三維判識標志。

2.2.1 崩塌隱患

研究區內的建筑石材類礦山主要是以爆破的方式進行開挖，這往往會造成坡體巖石破碎，坡體內積存的彈性應變能釋放，巖體內應力場重新分布，產生卸荷裂隙。此類裂隙大多呈張開特征，且平行于邊坡面，坡度一般大于60°，并會進一步加劇巖體原有裂隙的擴展和張開，從而導致巖體可能會在重力作用下失穩而急劇坍塌形成崩塌災害。此類潛在的崩塌災害險情稱之為崩塌隱患。

在三維模擬真彩色高分遙感圖像上，結合采礦權分布情況，可清晰識別出開采面。該類開采面多位于采礦權包含的山體邊坡，上無植被覆蓋，呈灰色色調;巖石破碎，紋理粗糙;開挖破碎巖石下方懸空，無擋護設備。在高分遙感數據如WorldView2圖像上可清晰看到，開挖面前后方都存在爆破開挖形成且沿山坡坡體分布的卸載裂隙。因衛星數據獲取時太陽光入射角度的關系，陡坡開挖面往往存在陰影，而且陰影越深表明開采面越陡峻。結合利用地質資料及前期制作的DEM坡度、坡向圖進一步判斷，凡開挖面處地質構造發育，開挖面坡度大于60°時，在重力作用下開挖面上的巖石易失穩塌落。此類開采面則視為崩塌隱患［6］(圖2)。

圖2 崩塌隱患Fig.2 Hidden danger of landslip hazard

另外，建筑石材開發利用的開采設備和礦山建筑多位于開采面下方，紋理比較清晰，形狀規則，容易直接判識，這也是輔助識別上方開采面的重要間接標志。同時，通過地物所處的方位關系分析，判斷上方崩塌隱患將對下方的開采設備、礦山建筑造成危脅。通過三維圖像上定量提取的礦山設備、礦山建筑物數量，并結合礦山開采規模估算礦山建筑中可能居住的工人數量，并通過野外查證補充調查數據等，最終評估出崩塌隱患可能導致的災情。

2.2.2 泥石流隱患

泥石流是在斜坡上或溝谷中由急速地表徑流激發的飽含泥砂、石塊等固體碎屑物質，并具有強大破壞力的特殊洪流所造成的災害，是山區最常見的地質災害之一。按溝谷地貌形態可分為溝谷型泥石流和坡面型泥石流兩大類［7］。研究區磷礦及部分砂石料的開發多沿溝谷兩側山坡開挖，部分礦山經營者為追求利益的最大化，將剝離的表土和產生的廢石等就地堆存于所在溝谷的上游，而不運往排土場，如遇特大暴雨、洪水時，這些堆存的廢土、廢石將與水體混合并沿溝谷、山坡流動形成泥石流［8］，給溝口的道路、居民點、耕地、建筑物、礦山生產設備及人員帶來嚴重損失。此類潛在的泥石流災害險情稱為泥石流隱患。

研究區內磷礦及部分砂石料礦山在溝谷上方就地堆存的大量廢土、廢石為泥石流形成提供了充足的物源。通常這些堆放在溝谷上游的堆積物呈漏斗狀、勺狀或橢圓狀，環山谷分布，結構松散，紋理較為細膩，表面幾無植被覆蓋;堆積體的下方一般無擋護措施，并有次級溝槽發育。從三維影像圖上目估以及從坡度坡向圖上可知，這些溝谷坡度大多大于25°，可為泥石流形成和傾瀉提供流通通道。溝口出山處則由于地形變緩，泥石流攜帶的物質開始堆積，形成泥石流堆積扇。如礦山開發地的溝谷具備以上所述的“物源、流通通道、堆積區”3個條件，泥石流便有可能形成，即可判識存在泥石流隱患。

顯然，在三維遙感圖像(圖3)及DEM圖上可以量測出泥石流隱患的長度、寬度、高度，進而推測出其規模。假如一旦發生泥石流，溝口的礦山道路、農田、礦山建筑等將受到危害，而這些地物有其自身的形態、色調、影紋等特征可被識別，其分布位置、面積、規模等定量數據亦可從三維影圖像上量算;再結合野外查證，核實農田作物生長態勢、礦山建筑可容納人數等資料，最終可估算出泥石流隱患對農田、道路、礦山建筑、人員等可能造成的損失情況。

圖3 泥石流隱患Fig.3 Hidden danger of debris flow hazard

2.2.3 滑坡隱患

斜坡上的部分巖、土質，在重力作用下，沿著斜坡內的一個或多個較弱面產生整體向下滑移的現象稱為滑坡［9］。滑坡是山區最重要的地質災害之一。礦山開發所形成的大量堆積物的下方如具備一定的滑動斜面，又無任何擋護設備時，在重力作用下極易失穩，可能形成滑坡災害，稱之為滑坡隱患。這種隱患對其下方的居民點、建筑物、道路、生產設施等具有重大威脅。

研究區內鐵礦開采過程中產生的大量松散固體廢棄物，如碎石、礦渣等，常常就地沿山坡堆放，為滑坡災害的形成提供了物源。在三維遙感圖像上這些堆積物多呈為紫色色調(圖4)，結構疏松，紋理較較周圍地物細膩而連續，多呈上陡、中緩、下陡形態，上部邊緣常顯上凸的弧形，表面上幾無植被覆蓋，下方多無擋護設備。結合DEM資料、坡度坡向圖及地質資料可知，固體廢棄物的堆放坡度多在10°～45°范圍，而且部分地段下墊地層的產狀亦向下方傾斜，具有較好的滑動面條件，在強降雨等誘發下易于形成滑坡。另外，在三維遙感圖像上可通過滑坡形態等預測和估算出可能發生的滑坡的影響范圍;根據影響范圍內各類地物的形態、色調、影紋、結構等影像特征識別出可能受災地物的類型，獲得其位置、長度、面積等量化信息;進一步結合野外查證資料，最終完成對滑坡隱患險情的評估。

圖4 滑坡隱患Fig.4 Hidden danger of landslide hazard

2.3 調查結果

依據以上災害隱患三維判識標志，獲知研究區由礦山開發引起的地質災害隱患共計6處。其中4處崩塌隱患，2處滑坡隱患。各處地質災害隱患可造成的險情如表1所示。

表1 礦山地質災害隱患統計Tab.1 Statistics of mine geological disaster hazard

3 結論

1)利用GIS軟件疊加高分辨率遙感影像和DEM的三維可視化技術，可較好地彌補二維技術中不能實現的三維立體再現，彌補了二維技術不能獲取地質災害隱患發育高度等定量信息以及無法直觀厘定隱患危脅對象的方位關系等不足，能夠快速直觀地獲取研究區內地質災害隱患相關屬性及其威脅對象的定量信息，在山高谷深、交通不便的礦山開發集中地區的地質災害隱患調查、減災防災中有著良好應用效果及應用前景。

2)本次工作以安寧磷礦區為研究區，針對區內主要開發的建筑石料用灰巖、石灰巖、頁巖和鐵礦，建立了三維遙感圖像解譯標志，對區內6處可能發生的崩塌和滑坡災害點的三維遙感圖像特征及其險情進行了綜合分析，取得了良好效果，不僅為礦山管理部門提供了詳實的遙感信息，有助于礦山企業準確、快速地進行地質災害隱患的預防和治理，也為其他地區各類礦山地質災害隱患的遙感判識提供了可資借鑒的方法思路。

3)本次研究所建立的三維遙感圖像解譯標志受諸多因素的影響尚有一定的局限性。建議不同地區、不同礦種的礦山在運用基于3S的三維可視化技術研究地質災害隱患時，需針對礦山的區域地質背景、礦種特點、地形地貌條件、開發方式、固體廢棄物處理狀態等具體情況，系統地建立最適宜的圖像解譯標志。

志謝:感謝王鋒德、毛雨景同學在數據處理及圖版制作方面給予的幫助。

［1］羅真富，齊 信，易 靜.遙感三維可視化在南溝泥石流調查中的運用［J］.環境科學與管理，2010，35(1):144 －146.

［2］高 山，馮光勝.三維遙感鐵路工程地質勘察技術應用研究［J］.鐵道勘察，2009(1):36 －39.

［3］戴曉愛.遙感圖像三維可視化及在騰沖機場建設中的應用研究［D］.四川:成都理工大學，2005.

［4］唐小明，馮杭建，趙建康.基于虛擬GIS和空間分析的小流域泥石流地質災害遙感解譯——以嵊州市為例［J］.地質科技情報，2008，27(2):12 －13.

［5］袁忠玉.云南省礦山地質災害及防治［J］.中國地質，2000(8):36－37.

［6］李成尊，聶洪峰，汪 勁，等.礦山地質災害特征遙感研究［J］.國土資源遙感，2005(1):45－49.

［7］張紅兵.云南省東川區泥石流災害SPOT5遙感影像特征［J］.災害學，2010，25(4):60 －67.

［8］呂戰鋒，毛延兵.淺談小型露天開采礦山地質災害分析與防治［J］.工程技術，2010(12):169.

［9］王治華.遙感技術在地質災害調查、監測和防治中的應用［J］.環境遙感，1992，7(3):190 －195.

Three－dimensional Discriminate of Mine Hidden Geological Disaster Based on 3S Technology of Anning Phosphate Area

DU Rui－ling1，ZHAO Zhi－fang2，HONG You－tang1，NAN Jun－xiang1
(1.School of Land Science and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.School of Resource Environment and Earth Science，Yunnan University，Kunming 650091，China)

With the Anning phosphate mine as the study area and on the basis of the existing interpretation of signs，the high resolution remote sensing images and ArcGIS software were used to delineate and calculate the areas of geological disaster and affected objects and verify the correctness or incorrectness of the information in field.This method is highly feasible and has effective visualization，and the results achieved can provide basic information and decision support for mining business owners and relevant authorities.

3S technology;mine hidden geological disaster;three－dimensional identificotion

TP 79

A

1001－070X(2012)02－0138－05

杜瑞玲(1985－)，女，碩士研究生，漢族。主要從事3S技術應用研究方向。E－mail:342895874@qq.com。

趙志芳(1971－)，女，博士，教授，白族。主要從事云南遙感地質應用研究方向。E－mail:zzf_1002@163.com。

(責任編輯:李 瑜)

10.6046/gtzyyg.2012.02.25

2011－08－20;

2011－11－25

中國地質調查局“云南安寧、南溫河、富源等礦集區礦山開發遙感調查與監測”項目(編號:1212010911066)。