IKONOS卫星影像在甘肃省红会煤矿区塌陷群识别中的应用

刘 欢，朱谷昌，2，李智峰，胡杏花，郑 纬

(1.中南大学地学与环境工程学院，湖南 长沙 410083;2有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

IKONOS卫星影像在甘肃省红会煤矿区塌陷群识别中的应用

刘 欢1，朱谷昌1，2，李智峰1，胡杏花1，郑 纬1

(1.中南大学地学与环境工程学院，湖南 长沙 410083;2有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

遥感技术在地质灾害的调查中有着广泛地应用，特别是高分辨率卫星影像。本文采用IKONOS高分辨率卫星影像，通过正射校正、影像融合后，获得高精度的遥感影像，作为解译地质灾害的遥感数据源，可以快速、准确地识别红会煤矿区的塌陷群，并能够清楚地识别塌陷及其细节特征，分析其影响因子、规模和危害程度，取得了良好的效果。

IKONOS卫星影像;塌陷群;识别;应用;甘肃省红会煤矿区

1 研究区概况

研究区位于甘肃省东北部白银市平川区，煤炭资源在甘肃省占第二位，仅次于华亭矿区。坐标范围为E104°59′～ 105°06′，N36°37′～ 36°45′，面 积 约 为163km2。区内的主要矿山为红会煤业，煤炭总储量10415×104t，开采方式为地下开采。研究区内主要是侏罗纪含煤地层，可分为上、下两部分，下部为富县组，上部为延安组，是主要的含煤层位，主要岩体为志留纪花岗闪长岩及志留纪斜长花岗岩。

2 遥感影像处理

2.1 数据源与质量评述

IKONOS卫星于1999年9月24日发射成功［1］，是世界上第一颗提供高分辨率卫星影像的商业遥感卫星，可采集1m分辨率全色和4m分辨率多光谱影像的商业卫星，同时全色和多光谱影像可融合成1m分辨率的彩色影像。目前已广泛用于城市、土地、森林、环境、灾害调查和军事目标动态监测等方面。

本次工作所采用的是IKONOS卫星影像数据，拍摄时间为2008年8月1日，云量极少、无雾，图像清晰，质量较好。

2.2 图像预处理

2.2.1 正射校正

本次工作获得的IKONOS卫星影像数据为预正射产品，带有RPC(有理多项式系数)参数。工作区为中低山区，因此必须对IKONOS原始影像进行正射校正。在PCI软件利用OrthoEngine模块对 IKONOS原始影像进行正射校正［2］，DEM由1∶1万矢量地形图MAPGIS生成，GCP通过 GPS实测获得。校正选取25个控制点，校正精度控制在0.5个像元内。校正采用高斯-克吕格投影3度分带，工作区位于第35个3度带，坐标系统采用1954北京坐标系。正射校正后的IKONOS影像满足1∶1万重点调查的精度要求。

2.2.2 数据融合

多光谱波段的彩色合成波段组合为红色XS3、绿色XS2、蓝色 XS1，这种彩色合成方式符合人眼视觉习惯，有利于地质灾害室内目视解译，然后与全色影像配准，借助 PCI软件采用 CUBIC(三次卷积)重采样模式并采用CYLINDER(圆柱体变换)的HIS模型进行自动融合，将IKONOS多光谱的1、2、3波段融合到PAN全色波段中，并对融合后的影像进行拉伸增强、对比度、亮度调整，获得分辨率为1m的彩色校正图像。

经过处理后的影像，精度满足要求、层次丰富、色调均匀、反差适中、清晰易读，可以用于地质灾害遥感解译，对比效果见图1和图2。

3 红会矿区塌陷群遥感解译

本次工作，采用以正射融合处理后的影像为遥感解译数据源，采用人机交互的方式很容易识别塌陷群［3-4］。

图1 未融合前影像Fig.1 IKONOS satellite images of no fusion

图2 融合拉伸后影像Fig.2 IKONOS satellite images of fusion and stretch

3.1 塌陷群遥感影像特征

通过解译，从IKONOS卫星影像图可以很清楚地看到，在红会矿区附近有大大小小共计112处塌陷坑(图3、图4)。塌陷发育沿矿区倾斜带，两旁山包环绕的山谷耕地地带，塌陷群的平面形态呈放射状，集中在两条平行带上，走向沿西北向东南逐渐呈增加态势，与地下煤层走向基本一致。遥感影像上，塌陷坑呈不规则的圆形或椭圆形斑斑块状，呈独立个体并成群分布，其轮廓线与周围颜色截然不同，表面粗糙不平，部分坑内有植被，呈微红色。塌陷坑属于有一定深度的负地形，在阴影作用下，从影像上看立体效果很明显，呈现“凸”状。

3.2 塌陷成因分析

图3 红会矿区塌陷群IKONOS影像图Fig.3 IKONOS satellite images of the ground collapses in Honghui zone

图4 红会矿区塌陷群IKONOS三维影像图Fig.4 3D IKONOS satellite images of the ground collapses in Honghui zone

地面塌陷是在特定的自然条件下形成的，地貌、地层岩性和地质构造等塌陷形成的物质基础，然而降雨、地表水、地下水、及人类活动对塌陷的形成发展也起了明显的推动作用，是致塌力超过抗塌力的结果。分析整个矿区147个塌陷坑，得出发生地表塌陷的主要成因有以下几个方面:

3.2.1 人类活动

红会矿区一带，在矿权整合之前，由于监管力度不够，受利益驱使，存在很多私人小煤窑滥采现象，其设置设备简单，采掘技术力量薄弱，地下采区布置混乱且规格不一，并且多数不进行采空区的充填处理，也影响了地下水位的稳定，给地面塌陷的发生埋下了隐患［5］。另外，矿区周围大部分为农田，不合理的开垦使岩体的完整性进一步遭到破坏，也容易诱发塌陷。这一因素是该矿区内塌陷形成的重要影响因素。

3.2.2 降水

超量的地下开采，致使地下水位下降，在雨季雨量充沛的条件下，地下采空洞内充水又释水，地下水重力作用产生负压而形成真空吸蚀作用，使洞顶失稳而发生塌陷现象。从图3中我们可以明显的看到，塌陷群的南部不远处有一条小青石沙河，说明塌陷群附近地带岩体内可能含有较丰富的地下水，有可能降低结构面的抗剪强度和抗拉强度，尤其是在雨季受到地表水的冲刷，容易发生塌陷。

3.2.3 地质构造

红会矿区以第四系全新统覆盖的农业区为主，由于地下开采煤层较浅，矿层顶板主要是碳酸岩，而且厚度较薄，受外力或降水时间一长，容易形成塌陷。另外，塌陷群的岩性为志留纪花岗闪长岩、斜长花岗岩，岩体内部并无大的断层，但节理发育，由于年代久远，受风化作用影响，结构较松散、多孔隙，岩体完整性较差，在自身重力作用下，易于发生塌陷。

3.3 塌陷分布规模及危害分析

图1上可以看出，红会矿区塌陷群整体上呈集群形式密集发育，就单个塌陷坑而言，规模较小(表1)，属于中、小型塌陷，但其沿矿区煤层密集分布，就整个塌陷群来说，其规模较大。为了进一步分析塌陷群的分布规律，以现有的开采点(硐口及主井)资料为基础，利用MAPGIS软件的空间分析模块进行缓冲区分析，并对不同缓冲带内塌陷的数量进行区内的检索统计分析，对于跨区的塌陷坑，参考面积占优法［6］进行判别归属处理(表2)。从图表上可以明显看出，塌陷群几乎全部分布在红会煤矿的采矿权范围内，其发生与煤矿开采点有着直接密切的联系，也进一步验证了人类活动是重要影响因子的结论;另外，其分布沿着各个矿井的方向，塌陷群主要集中在1000～2000m和2000～2500m缓冲带内，分别占整个塌陷群的57.14%和 22.32%，其次是 500～1000m和小于500m的缓冲区，所占的百分比分别为15.18%、5.36%。

从IKONOS卫星影像图上看到，红会矿区塌陷群规模庞大，其分布均在矿区周围的耕地中部，给当地农作物的耕种带来很大的不便，农作物的产量也势必会收到影响，给农户带来很大的经济损失。由于塌陷的发生具有突发性，同时会对人民的生命安全构成威胁。随着开矿工程的进一步进行，如果不加以控制，塌陷群存在进一步发展的趋势。

表1 塌陷群分布统计表Table 1 Statistics of ground collapses

表2 缓冲区塌陷群分布统计表Table 2 Statistics of ground collapses in different buffers

4 结论

(1)IKONOS卫星影像通过正射校正及融合之后，分辨率高，很容易识别塌陷群，用于大比例尺地质灾害遥感解译非常适合。

(2)红会塌陷群在 IKONOS卫星影像上的影像特征非常明显，很容易与周围的其他地物区分开来，并且沿矿区煤层发育，具有群体发育特征，其分布的密集程度和规模在整个矿区来说很罕见。

(3)人类活动、降水及当地的地质围岩构造是塌陷群的形成的主要影响因素。

(4)塌陷群分布广，危害较严重，并且处于发展态势，应规范矿业行为，采用合理的采矿技术方法，进一步控制灾害的恶性发生，使其控制在一定范围内，保护耕地资源。

［1］宁宝坤，曲国胜，张宁，等.IKONOS卫星影像在城市防震减灾及震害评价中的应用研究［J］.地震地质，2004，26(1):160-167.

［2］赵文吉.PCI图像处理教程［M］.北京:中国环境科学出版社，2007:5-14.

［3］陈文平，孟令革，韩小明，等.SPOT-5卫星影像数据在煤矿矿区地面塌陷调查中的应用［J］.河北遥感，2009，16(4):14-16.

［4］李成尊，聂洪峰，汪劲，等.矿山地质灾害特征遥感研究［J］.国土资源遥感，2005，63(1):46-50.

［5］张森林，杨书民，张大志，等.焦作市典型煤矿塌陷区地质灾害危险性分析及防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2010，21(1):57-59.

［6］邬伦.地理信息系统-原理、方法和应用［M］.北京:科学出版社，2001:147-148.

Application of IKONOS satellite images to recognition of the ground collapses in Honghui coal mine，Gansu Province

LIU Huan1，ZHU Gu-chang1，2，LI Zhi-feng1，HU Xing-hua1，ZHENG Wei1
(1.School of Geoscience and Enviromental Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing 100012，China)

The high-resolution satellite images as one of remote Sensing techniques have been widely used to the investigation of geologic hazard.In this paper，the high-resolution IKONOS sensing images are carried out by means of orthographic correction processes and images fusion of the IKONOS satellite images.These images as the remote sensing data sources for the interpretation of geologic hazards have assisted in the rapid and accurate recognition of sizes，impact factor and risks of the ground collapse in Honghui zone，Gansu，which achieved good results.

IKONOS satellite images;ground collapses;recognition;application;Honghui Coal Mine;Gansu Province

1003-8035(2010)04-00082-04

P694

A

2010-09-01;

2010-09-28

刘 欢(1986—)，女，在读硕士，从事遥感地质及矿山环境方面的研究。

E-mail:lblh246@163.com