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)，重點利用多時相高分辨率光學(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)計了沉陷區(qū)面積，基于GIS技術(shù)分析了煤礦沉陷區(qū)的時空演變。試驗證明，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，勞動強(qiáng)度大、費用高，不能實時監(jiān)測，并且監(jiān)測的范圍有限；GPS監(jiān)測雖然能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，但仍然需要野外觀測，并且是基于離散點的測量，很難反映區(qū)域性的沉陷信息；另外，傳統(tǒng)監(jiān)測方法無法實現(xiàn)大面積觀測，且很難進(jìn)行長時間周期的監(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，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)需要滿足幾個方面的需求：

1)可以實現(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。

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

基于以上幾個方面的特點，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，特別是采用多時相高空間分辨率光學(xué)影像，通過對多時相影像的數(shù)據(jù)處理及對比分析，提取每個時相的沉陷區(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位置信息，還可以在發(fā)現(xiàn)大面積沉陷后進(jìn)行野外實地驗證。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別，通過多時相遙感影像的對比，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)沉陷的時間跨越較長，試驗選取礦區(qū)的多時相高分辨率光學(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個時相的QuickBird高分辨率遙感影像，獲取時間分別為：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個時相的遙感影像。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個時期的圖像已經(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平臺中，將3個時期的礦區(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期的沉陷情況，從圖中可以看出該煤礦沉陷區(qū)的時空演變情況。為了進(jìn)一步統(tǒng)計分析，表2統(tǒng)計了各時期的沉陷區(qū)面積。

圖3 濟(jì)寧某煤礦沉陷區(qū)時空演變分析

表2 濟(jì)寧某煤礦沉陷區(qū)面積統(tǒng)計表 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)的自動識別將是后續(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)行分類及自動變化檢測將是下一步研究的重點。

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)工程專項以及山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊支持計劃項目(2011KYTD103)的資助，在此表示感謝!

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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實驗室開放課題(201320)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金(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，2014(7)：63-65.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0227