采砂坑與采礦坑的高分一號(hào)影像對(duì)比分析研究

姚月+朱大明+李小華+侯至群

摘 要：為了充分利用遙感衛(wèi)星影像區(qū)分采砂坑和采礦坑，減少外業(yè)實(shí)地調(diào)查的工作量，首先利用高分一號(hào)衛(wèi)星影像建立研究區(qū)域的采砂坑和采礦坑解譯標(biāo)志；然后列舉了幾處典型的采砂坑和采礦坑的解譯結(jié)果，本次研究重點(diǎn)在于研究區(qū)域主要道路兩側(cè)的采砂坑和采礦坑，結(jié)合地形地貌條件進(jìn)行對(duì)比分析；最后得出基于高分一號(hào)衛(wèi)星影像的研究區(qū)域采砂坑和采礦坑的直接解譯標(biāo)志和間接解譯標(biāo)志。由于受到影像“同譜異物，同物異譜”的影響，條件允許的需要進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證，以提高遙感解譯的準(zhǔn)確率，為研究區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)提供有力的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：采砂坑；采礦坑；解譯標(biāo)志；高分一號(hào)數(shù)據(jù)；對(duì)比分析

DOIDOI：10.11907/rjdk.173099

中圖分類(lèi)號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0202-03

0 引言

隨著人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的迫切需求，礦業(yè)活動(dòng)不斷加劇，露天、地下巷道采礦對(duì)地表、地下都造成了不同程度破壞[1]，導(dǎo)致采礦區(qū)的地面塌陷，形成采礦坑，給人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)威脅。砂石作為重要的建筑材料，需求量巨大[2]，采砂坑對(duì)土壤植被影響較大。目前大多數(shù)采砂坑處于荒廢狀態(tài)或簡(jiǎn)單復(fù)墾狀態(tài)，植被缺失嚴(yán)重[3]。由于采砂坑和采礦坑成因不同，對(duì)人類(lèi)造成的危害程度也不一致。為了準(zhǔn)確區(qū)分采砂坑和采礦坑，本文利用高分一號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行研究區(qū)域的采砂坑和采礦坑解譯工作。由于傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法工作效率低下，且許多地質(zhì)工作人員無(wú)法到達(dá)災(zāi)害點(diǎn)，該方式對(duì)于提升災(zāi)害治理和應(yīng)急處理能力具有十分重要的意義[4]。

針對(duì)研究區(qū)域的地形地貌條件，本次研究的重點(diǎn)在于區(qū)域主要道路兩側(cè)的采砂坑和采礦坑。首先從地形地貌、影像特征等方面建立研究區(qū)采砂坑和采礦坑的遙感解譯標(biāo)志，然后結(jié)合GF-1的影像特征和研究區(qū)背景進(jìn)行采砂坑和采礦坑的解譯及對(duì)比分析，最后得出基于高分一號(hào)衛(wèi)星影像的研究區(qū)域采砂坑和采礦坑的直接解譯標(biāo)志和間接解譯標(biāo)志，為研究區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 影像處理

根據(jù)本次研究?jī)?nèi)容收集以下資料：①高分一號(hào)衛(wèi)星原始影像；②數(shù)字高程模型（DEM）、參考地形圖等資料。首先利用ERDAS軟件對(duì)原始影像進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行正射校正[5]，采用效果最佳的融合影像[6]進(jìn)行影像的鑲嵌和裁切處理。影像的詳細(xì)處理過(guò)程為：①原始影像質(zhì)量檢查；②全色影像和多光譜影像的配準(zhǔn)操作；③對(duì)全色影像和配準(zhǔn)后的多光譜影像進(jìn)行融合處理，針對(duì)研究區(qū)域的地形地貌特征，選取效果最適合的ENVI軟件的PAN sharping融合方法；④運(yùn)用基礎(chǔ)底圖對(duì)融合后的2m影像進(jìn)行校正；⑤對(duì)影像進(jìn)行勻光、勻色處理，使影像紋理更加清晰，便于后續(xù)的采砂坑和采礦坑解譯工作。

2 遙感解譯

遙感解譯是利用影像的波譜特征和空間特征，從陰影、紋理、色調(diào)、形狀以及地貌等多方面進(jìn)行綜合解譯[1]，并且與多種非遙感信息資料組合，運(yùn)用生物地學(xué)相關(guān)規(guī)律，進(jìn)行由此及彼、由表及里、去偽存真的綜合分析和邏輯推理的思維過(guò)程[7]。

2.1 采砂坑遙感解譯標(biāo)志

采砂坑形狀多為渾圓狀、橢圓狀和不規(guī)則形狀，較深的采砂坑有黑色陰影。隨著砂石需求量的增加，采砂坑的數(shù)量增長(zhǎng)較快，既侵占了大量農(nóng)田耕地，又壞破了河道，對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成了極大影響[8]。采砂坑影像解譯的地表顏色和周?chē)伾紩?huì)有較大差別，顯著特點(diǎn)是在采砂坑周邊形成采砂車(chē)道。另外影像中有些能看到開(kāi)采形成的近似幾何形態(tài)，自然力量難以形成這種形態(tài)。

2.2 采砂坑解譯

研究區(qū)域的采砂坑絕大多數(shù)是為公路建設(shè)而形成的，因此采砂坑基本沿道路兩側(cè)分布。省道228、320、303路邊都有密集的采砂坑，一些縣道邊也有較密集的采砂坑。圖1中的黑色矢量圖斑為研究區(qū)主要兩條道路沿線的采砂坑分布情況。采砂坑隨著降雨和人為活動(dòng)的影響不斷發(fā)生著變化，尤其是分布在公路沿線的，隨時(shí)威脅著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活。

圖2～圖4為研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)相影像中3種位于某道路旁不規(guī)則形狀的采砂坑。圖2中影像較周?chē)牡桶脖簧{(diào)淺、反差大，呈高亮顯示，呈現(xiàn)為直徑在150～200m范圍的采砂坑，道路兩旁有明顯的高亮顯示的采砂車(chē)道；圖3影像周?chē)鸀槁愕?，高亮顯示的范圍內(nèi)均為采砂坑，有明顯的采砂車(chē)道與主要公路相連；圖4中的采砂坑雜亂無(wú)章地分布于公路兩側(cè)，臨近公路，如果遇到大量降雨等突發(fā)情況，將嚴(yán)重威脅人們的生活，甚至生命安全。

2.3 地面塌陷解譯標(biāo)志

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。地面塌陷分為巖溶型地面塌陷和采空區(qū)地面塌陷，本文主要針對(duì)研究區(qū)的老君廟煤礦進(jìn)行采礦坑的遙感解譯工作。礦山開(kāi)采破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，從而使巖層發(fā)生位移、變形，使巖體的完整性受到破壞。當(dāng)?shù)V區(qū)的開(kāi)采面積達(dá)到一定范圍后，起始于采場(chǎng)附近的移動(dòng)和破壞將擴(kuò)展到地表，產(chǎn)生移動(dòng)盆地、地表裂縫、地表塌陷盆地和地表塌陷坑，從而影響到位于開(kāi)采影響范圍內(nèi)的建筑物、河流、道路、草場(chǎng)和耕地等，并造成地表自然生態(tài)環(huán)境的破壞。因此，本文利用高分一號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行研究區(qū)采礦坑的解譯工作。

2.4 采礦坑遙感解譯標(biāo)志

在遙感圖像上能找到采礦坑的一些明顯特征，一般以帶狀、線狀或槽狀展布，呈直線或舒緩的波狀延伸。暗色槽狀地物為采空沉陷造成的，是地形突變引起光譜差異所致，規(guī)模較大的寬數(shù)十米，長(zhǎng)幾百米[9]。通過(guò)不同時(shí)相遙感資料的對(duì)比，計(jì)算新增水域或原有水體變化，這是采礦坑變化的重要依據(jù)[10]。地下煤炭資源開(kāi)采可能引發(fā)地面沉陷、塌陷、地裂縫等一系列環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[11]。

2.5 采礦坑遙感解譯

研究區(qū)域的采礦塌陷主要集中在老君廟煤礦附近，該煤礦采空后地面發(fā)生了塌陷。由于塌陷一般較深，因而形成的地表陰影清楚。如圖5所示，從該煤礦2013年影像和2014年高分一號(hào)影像的對(duì)比來(lái)看，在2013年的影像中塌陷坑是一個(gè)個(gè)分離的塌陷坑，而2014年的影像在3.3km的一個(gè)地面塌陷帶上斷續(xù)的采礦坑已基本連成一片，難以數(shù)清到底是多少個(gè)。在圖5和圖6中間位置，2014年影像中較2013年明顯新增了幾個(gè)規(guī)模較小的采礦坑，可見(jiàn)老君廟煤礦塌陷發(fā)展的速度較快。另外2014年的影像中可以看出礦區(qū)周?chē)嗔撕芏嘣炼?。采礦坑集中分布在南北0.6km、東西約0.5km的范圍內(nèi)，采礦坑的直徑在80～200m之間，色調(diào)不一致，從影像上能明顯看見(jiàn)采礦坑形成的陰影。而且采礦坑位于道路兩側(cè)，與周?chē)渌匚锓床钶^強(qiáng)。endprint

3 采砂坑與采礦坑對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的采砂坑和采礦坑進(jìn)行遙感解譯分析，得到以下結(jié)論：①研究區(qū)域的絕大多數(shù)采砂坑基本沿道路兩側(cè)分布。采砂坑雖然不是典型的地質(zhì)災(zāi)害，但是隨著采砂坑的逐漸擴(kuò)張，其隨著降雨和人為活動(dòng)的影響不斷發(fā)生變化，對(duì)周邊的地質(zhì)環(huán)境、公路以及人們的生產(chǎn)生活都會(huì)造成威脅；②直接解譯標(biāo)志：采砂坑與采礦坑最明顯的直接解譯標(biāo)志是采砂坑周邊通常會(huì)存在明顯高亮顯示的采砂車(chē)道痕跡；③間接解譯標(biāo)志：研究區(qū)域的采礦坑主要集中在老君廟煤礦采空后地面發(fā)生的塌陷，該采礦坑內(nèi)部有道路存在，但和采砂坑沿道路兩側(cè)的影像紋理不一致。而且采礦坑周邊會(huì)有渣土堆，渣土堆在遙感影像中色調(diào)和紋理均明顯異于采砂坑的影像信息。

4 展望

由于受到“同譜異物，同物異譜”的影響，內(nèi)業(yè)基于遙感影像提取的采砂坑和采礦坑，需要進(jìn)行外業(yè)實(shí)地驗(yàn)證，以提高遙感解譯的準(zhǔn)確率。本次研究受實(shí)際情況限制，未能進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證，如果條件允許，會(huì)進(jìn)行研究區(qū)的采砂坑和采礦坑提取結(jié)果的驗(yàn)證工作，為研究區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)提供有力的參考依據(jù)。

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