采砂坑與采礦坑的高分一號影像對比分析研究

姚月+朱大明+李小華+侯至群

摘 要：為了充分利用遙感衛星影像區分采砂坑和采礦坑，減少外業實地調查的工作量，首先利用高分一號衛星影像建立研究區域的采砂坑和采礦坑解譯標志；然后列舉了幾處典型的采砂坑和采礦坑的解譯結果，本次研究重點在于研究區域主要道路兩側的采砂坑和采礦坑，結合地形地貌條件進行對比分析；最后得出基于高分一號衛星影像的研究區域采砂坑和采礦坑的直接解譯標志和間接解譯標志。由于受到影像“同譜異物，同物異譜”的影響，條件允許的需要進行野外實地驗證，以提高遙感解譯的準確率，為研究區域的防災減災提供有力的參考依據。

關鍵詞：采砂坑；采礦坑；解譯標志；高分一號數據；對比分析

DOIDOI：10.11907/rjdk.173099

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0202-03

0 引言

隨著人類對礦產資源的迫切需求，礦業活動不斷加劇，露天、地下巷道采礦對地表、地下都造成了不同程度破壞[1]，導致采礦區的地面塌陷，形成采礦坑，給人類的生產生活帶來威脅。砂石作為重要的建筑材料，需求量巨大[2]，采砂坑對土壤植被影響較大。目前大多數采砂坑處于荒廢狀態或簡單復墾狀態，植被缺失嚴重[3]。由于采砂坑和采礦坑成因不同，對人類造成的危害程度也不一致。為了準確區分采砂坑和采礦坑，本文利用高分一號衛星影像進行研究區域的采砂坑和采礦坑解譯工作。由于傳統的地質災害調查方法工作效率低下，且許多地質工作人員無法到達災害點，該方式對于提升災害治理和應急處理能力具有十分重要的意義[4]。

針對研究區域的地形地貌條件，本次研究的重點在于區域主要道路兩側的采砂坑和采礦坑。首先從地形地貌、影像特征等方面建立研究區采砂坑和采礦坑的遙感解譯標志，然后結合GF-1的影像特征和研究區背景進行采砂坑和采礦坑的解譯及對比分析，最后得出基于高分一號衛星影像的研究區域采砂坑和采礦坑的直接解譯標志和間接解譯標志，為研究區域的防災減災提供參考依據。

1 影像處理

根據本次研究內容收集以下資料：①高分一號衛星原始影像；②數字高程模型（DEM）、參考地形圖等資料。首先利用ERDAS軟件對原始影像進行預處理，然后進行正射校正[5]，采用效果最佳的融合影像[6]進行影像的鑲嵌和裁切處理。影像的詳細處理過程為：①原始影像質量檢查；②全色影像和多光譜影像的配準操作；③對全色影像和配準后的多光譜影像進行融合處理，針對研究區域的地形地貌特征，選取效果最適合的ENVI軟件的PAN sharping融合方法；④運用基礎底圖對融合后的2m影像進行校正；⑤對影像進行勻光、勻色處理，使影像紋理更加清晰，便于后續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、形狀以及地貌等多方面進行綜合解譯[1]，并且與多種非遙感信息資料組合，運用生物地學相關規律，進行由此及彼、由表及里、去偽存真的綜合分析和邏輯推理的思維過程[7]。

2.1 采砂坑遙感解譯標志

采砂坑形狀多為渾圓狀、橢圓狀和不規則形狀，較深的采砂坑有黑色陰影。隨著砂石需求量的增加，采砂坑的數量增長較快，既侵占了大量農田耕地，又壞破了河道，對地質環境造成了極大影響[8]。采砂坑影像解譯的地表顏色和周圍顏色都會有較大差別，顯著特點是在采砂坑周邊形成采砂車道。另外影像中有些能看到開采形成的近似幾何形態，自然力量難以形成這種形態。

2.2 采砂坑解譯

研究區域的采砂坑絕大多數是為公路建設而形成的，因此采砂坑基本沿道路兩側分布。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的影響不斷發生著變化，尤其是分布在公路沿線的，隨時威脅著人類的生產和生活。

圖2～圖4為研究區內不同時相影像中3種位于某道路旁不規則形狀的采砂坑。圖2中影像較周圍的低矮植被色調淺、反差大，呈高亮顯示，呈現為直徑在150～200m范圍的采砂坑，道路兩旁有明顯的高亮顯示的采砂車道；圖3影像周圍為裸地，高亮顯示的范圍內均為采砂坑，有明顯的采砂車道與主要公路相連；圖4中的采砂坑雜亂無章地分布于公路兩側，臨近公路，如果遇到大量降雨等突發情況，將嚴重威脅人們的生活，甚至生命安全。

2.3 地面塌陷解譯標志

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）的一種動力地質現象。地面塌陷分為巖溶型地面塌陷和采空區地面塌陷，本文主要針對研究區的老君廟煤礦進行采礦坑的遙感解譯工作。礦山開采破壞了巖體內部原有的力學平衡狀態，從而使巖層發生位移、變形，使巖體的完整性受到破壞。當礦區的開采面積達到一定范圍后，起始于采場附近的移動和破壞將擴展到地表，產生移動盆地、地表裂縫、地表塌陷盆地和地表塌陷坑，從而影響到位于開采影響范圍內的建筑物、河流、道路、草場和耕地等，并造成地表自然生態環境的破壞。因此，本文利用高分一號衛星影像進行研究區采礦坑的解譯工作。

2.4 采礦坑遙感解譯標志

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，規模較大的寬數十米，長幾百米[9]。通過不同時相遙感資料的對比，計算新增水域或原有水體變化，這是采礦坑變化的重要依據[10]。地下煤炭資源開采可能引發地面沉陷、塌陷、地裂縫等一系列環境地質災害[11]。

2.5 采礦坑遙感解譯

研究區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年高分一號影像的對比來看，在2013年的影像中塌陷坑是一個個分離的塌陷坑，而2014年的影像在3.3km的一個地面塌陷帶上斷續的采礦坑已基本連成一片，難以數清到底是多少個。在圖5和圖6中間位置，2014年影像中較2013年明顯新增了幾個規模較小的采礦坑，可見老君廟煤礦塌陷發展的速度較快。另外2014年的影像中可以看出礦區周圍多了很多渣土堆。采礦坑集中分布在南北0.6km、東西約0.5km的范圍內，采礦坑的直徑在80～200m之間，色調不一致，從影像上能明顯看見采礦坑形成的陰影。而且采礦坑位于道路兩側，與周圍其它地物反差較強。endprint

3 采砂坑與采礦坑對比分析

通過對研究區域內的采砂坑和采礦坑進行遙感解譯分析，得到以下結論：①研究區域的絕大多數采砂坑基本沿道路兩側分布。采砂坑雖然不是典型的地質災害，但是隨著采砂坑的逐漸擴張，其隨著降雨和人為活動的影響不斷發生變化，對周邊的地質環境、公路以及人們的生產生活都會造成威脅；②直接解譯標志：采砂坑與采礦坑最明顯的直接解譯標志是采砂坑周邊通常會存在明顯高亮顯示的采砂車道痕跡；③間接解譯標志：研究區域的采礦坑主要集中在老君廟煤礦采空后地面發生的塌陷，該采礦坑內部有道路存在，但和采砂坑沿道路兩側的影像紋理不一致。而且采礦坑周邊會有渣土堆，渣土堆在遙感影像中色調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，內業基于遙感影像提取的采砂坑和采礦坑，需要進行外業實地驗證，以提高遙感解譯的準確率。本次研究受實際情況限制，未能進行野外實地驗證，如果條件允許，會進行研究區的采砂坑和采礦坑提取結果的驗證工作，為研究區域的防災減災提供有力的參考依據。

參考文獻：

[1] 周正武，孟淑英，張志峰.應用高分辨率遙感影像監測采礦誘發的地質災害體[C].神華科技大會，2009.

[2] 司鵬飛，牛小靜，余錫平.跨/穿河建筑物上游河道采砂安全距離[J].南水北調與水利科技，2017，15（2）：143-148.

[3] 馬廣杰.天津薊縣山前地區采砂坑對生態環境影響調查研究[D].北京：中國地質大學（北京），2007.

[4] 叢曉明，鄭永虎.基于無人機遙感技術的青藏高原地質災害遙感解譯研究——以青海省大通煤礦區為例[J].青海師范大學學報：自科版，2016（2）：42-46.

[5] 周亦.利用高分一號衛星數據制作數字正射影像[D].長春：吉林大學，2014.

[6] XU Y， YANG M. A comparative study of image fusion algorithms for GF-2 satellite[J]. Land & Resources Herald，2016.

[7] 陳寧強，戴錦芳.人機交互式土地資源遙感解譯方法研究[J].遙感技術與應用，1998，13（2）：15-20.

[8] 陳文平，韓小明，趙良軍.烏魯木齊市周邊采砂場環境調查遙感解譯研究[C].天山地質礦產資源學術討論會，2008.

[9] 陳文平，孟令革，韓小明，等.SPOT-5衛星影像數據在煤礦礦區地面塌陷調查中的應用[J].河北遙感，2009（4）：14-16.

[10] 陳文平，范英霞，韓小明，等.中巴資源衛星影像HR數據在煤礦礦區地面塌陷調查中的應用[J].測繪與空間地理信息，2012，35（2）：80-83.

[11] 黎來福，王秀麗.SPOT-5衛星遙感數據在煤礦塌陷區監測中的應用[J].礦山測量，2008（2）：45-47.endprint