采煤塌陷区的遥感影像特征

芦少春

(黑龙江科技学院 地质工程研究所，哈尔滨 150027)

采煤塌陷区的遥感影像特征

芦少春

(黑龙江科技学院 地质工程研究所，哈尔滨 150027)

遥感是快速、准确、有效地监测采煤塌陷的重要手段，可为塌陷区的治理提供准确可靠的依据。描述了采煤塌陷的不同类型，分析了采煤塌陷在遥感影像上的识别方法，提出了高分辨率影像的采煤塌陷影像特征，并对采煤塌陷的遥感影像进行了系统分类整理，得到各类影像的表现特征。该研究有利于遥感技术在采煤塌陷调查与治理中的广泛应用。

采煤塌陷;影像特征;地裂缝;塌陷坑;塌陷盆地

随着我国煤炭产量的激增，从2000年的12.5亿 t增加到 2011 年的 35.2 亿 t［1］，矿区采煤塌陷日愈严重。仅山东省一省采煤塌陷面积已累计达到70.1万亩，并且每年将新增采煤塌陷地约5万亩［2］。采煤塌陷严重威胁到矿区人民的生命和财产安全，破坏了矿区的生态环境，给社会经济造成了巨大的损失，采煤塌陷的治理迫在眉睫。遥感技术是采煤塌陷研究和治理的重要手段，采煤塌陷的遥感影像特征是遥感技术的理论基础。因此，研究采煤塌陷的影像特征，对采煤塌陷的解译工作具有重要的理论意义和实用价值。

1 采煤塌陷的类型

采煤塌陷是井工开采时，煤炭被采出后，形成了采空区，煤层顶板失去煤的支撑，应力平衡状态被打破。大面积采空区的顶部岩层在重力作用下发生弯曲、断裂和塌陷［3］。煤层顶板的上覆岩层随着煤层顶板的塌陷发生不同程度的弯曲、断裂和塌陷，这种岩石的破坏作用不断向上发展，一直传导到地面，在地表形成大小不同的、不均匀的沉降。

采煤塌陷有地裂缝、塌陷坑和塌陷盆地3种类型。地裂缝是煤矿采空区应力失衡引发的煤层顶板岩石断裂，并导致上覆岩层和第四纪覆盖物出现裂缝，在地表形成大小不一的裂缝和缝隙。地裂缝属张性断裂(图1)。

图1 地裂缝Fig.1 Ground fissures

塌陷坑是煤矿采空区顶板断裂后，顶板及上覆岩层发生塌落，进而引起地表发生局部塌陷，在地表形成小面积的、不规则的坑类地形。塌陷坑主要发生在开采埋藏比较浅的煤层和煤层顶板较薄的地区［4］，呈地面垂直塌落现象。

塌陷盆地是煤矿开采导致顶板和上覆岩层塌陷，进而引起地表大面积的、不均匀的沉降。塌陷盆地与塌陷坑的形成机理相同，塌陷盆地的面积比塌陷坑的面积大得多;塌陷幅度比塌陷坑小得多［5］。塌陷盆地主要发生在煤层较平缓、埋藏较深的地区(图2)。

图2 积水的塌陷盆地Fig.2 Collapse basin be diped

采煤塌陷的类型、分布和规模与采煤方法、煤层的赋存条件和煤炭采动次数等相关。随着采动次数增加、由浅部向深部开采，采煤塌陷的规模和灾害的程度也随之增加。

2 采煤塌陷的识别及影像特征

采煤塌陷有着独特的判别标志，这些判别标志是辨别采煤塌陷的基本要素，是确定采煤塌陷遥感影像特征的基础。采煤塌陷的遥感影像特征是判读和研究采煤塌陷的基础和前提。

2.1 采煤塌陷的识别方法

遥感图像的解译通过直接判别标志和间接判别标志来识别，其影像特征是判别标志的综合体现。遥感影像的直接判别标志有色调、色彩、阴影、大小、形状、纹理、图型等［4］;间接判别标志有居民地变迁、地表水系改变、植被和土地类型变化、道路改线等［5］。这些判别标志或独立或组合地构成地物的遥感影像特征。

2.2 采煤塌陷的识别特征

2.2.1 地裂缝

地裂缝可分为直线型、交叉型和断续型。其两侧地形高差变化小或没有变化，地裂缝造成地表水、地下水渗漏，使其周边的植物种类、长势发生变化，形成色调和纹理上的光谱差异。地裂缝一般成组出现或出现在塌陷盆地的四周;塌陷盆地边缘的地裂缝，会穿过农田形成一定落差的断陷陡坎。在基岩出露区和山区，地裂缝规模较大，可长达数百米，裂缝宽度最大达1～3 m。第四系覆盖的平原区地裂缝一般规模较大，地表塌陷区边缘的地裂缝一般规模较小。基岩上的小地裂缝，长度为几米至几十米，宽度甚至不足10 cm。

2.2.2 塌陷坑

塌陷坑分布不规则，多数塌陷坑的坑壁陡直，随着时间的推移坑壁坍塌变缓，塌陷坑因面积较小，常被人为改造，充填甚至填平，后期不宜观察。有的塌陷虽未形成坑，但因小幅地面沉降造成土壤结构和水分含量的变化，会显现出塌陷轮廓(图3)。一些地面沉陷区虽已填平，但其浅色环状轮廓仍隐约可见，且排列极不协调［6］。据统计，塌陷坑一般直径从3～30 m不等，塌陷深度一般2～3 m。

2.2.3 塌陷盆地

图3 塌陷坑的影像Fig.3 Image of collapse hole

塌陷盆地可分为圆状、椭圆形、带状和平行状等沉陷类型。塌陷盆地周边分布有地裂缝，地裂缝两侧地形高差变化明显。因第四系沉积物松散，地裂缝深度很小，容易被自然或人为扰动而消失，形成舒缓波状微型地貌，多数地裂缝已经消失。塌陷盆地易形成积水洼地，有的被改造为耕地(由水田改为旱田)，有的形成积水盆地或被改造为鱼塘。

遥感影像中的塌陷盆地呈现出不同大小的积水盆地。塌陷盆地边缘形成有一定高差的不规则封闭、半封闭的环形带或条带影像，有时呈断续的带状。塌陷区的形状与农田中的道路、田埂和植物行距排列极不协调，与自然地形坡度有显著的影像差别。塌陷区具有一定的宽度，面积从数百平方米至数万平方米不等。

除上述直接解译标志外，还可将塌陷区内废弃的人工建筑物、构筑物，居民点拆迁;塌陷区的弃置地较多，土地利用率偏低;因采煤塌陷地下水位下降，导致土地性质发生改变(水田变成旱田);塌陷区的地表水体形状不规则;复垦的塌陷区，因回填土的养分比原耕地差，区内植物稀少，色调为灰－浅灰色等，作为采煤塌陷解译的间接标志［7］。

2.3 常见遥感平台采煤塌陷的影像特征

遥感的影像特征是地形地物特性在遥感图像上的综合反映，对地形地物的特性具有高度概括性和写实性。掌握了这些影像特征，即可快速从遥感影像上解读出相关的地形地物。

遥感影像因不同遥感平台的图像分辨率不同，塌陷的影像特征差别很大。随着科学技术的发展，在采煤塌陷的研究方面中高分辨率遥感图像得到广泛的应用，与低分辨率影像相比更易识别，具有更好地识别效果。在采煤塌陷区的研究中也逐渐以高分辨率的影像为主。文中研究是基于SPOT－5和Quick bird两平台的遥感影像。

SPOT－5平台可提供中高分辨率(全色2.5 m，多光谱5 m)的遥感影像。大中型的塌陷能够识别，中型的地裂缝呈现为短线，小于3 m的地裂缝难以识别。大的塌陷坑表现为小图斑，通过颜色色调可辨别。塌陷盆地表现为中小型的环形、椭圆形斑点和斑块状(图4)。

图4 SPOT影像上的塌陷盆地Fig.4 Land collapse in SPOT image

Quick bird平台可提供高分辨率(全色0.61 m)的遥感影像。一般的塌陷均能识别。大中型的地裂缝呈线状或成组出现，小的地裂缝呈短线或点。大的塌陷坑呈规则、不规则的中小图斑。塌陷盆地呈大小不一、规则、不规则的环形、椭圆形和斑块状。

通过对两种平台的不同地区、大量影像的对比、分析，结合前文的采煤塌陷的识别特征，得出采煤塌陷影像的普遍特征和规律:

(1)地裂缝。在遥感影像上形状呈现出短至长的蠕虫状、折线状，多条地裂缝呈交叉、平行或不规则排列，大规模的地裂缝在高分辨率的影像上呈断线状。颜色为黑色、灰黑色，或明或暗，部分裂缝两侧颜色有差异。间接标志是居民房屋破损，居住区新旧程度不一。

(2)塌陷坑。因面积小在遥感影像上形状呈现出斑点状、斑块状、小圆状，形状不规则，呈独立个体成群分布，色调明暗不同;颜色为绿色、墨绿;纹理杂;阴影方向与正地形相反。间接标志是植被的颜色不同，呈现部分的斑点;居住区有房屋遗迹。

(3)塌陷盆地。在遥感影像上形状呈现出圆形、椭圆形斑点和斑块状，或独立或成群分布，色调明暗不同［8］。塌陷区边缘形成不规则封闭、半封闭的环形带或条带影像，有时呈断续的带状。常积水;颜色呈蓝色、深蓝;纹理粗;与周边植被颜色不同、有明显边界。间接标志有边界有阴影、植被颜色与外界颜色不一;鱼塘边缘规则，非人工所为。

3 结束语

笔者在总结前人研究的基础上，分析SPOT－5和Quick bird平台下采煤塌陷的遥感影像特征，进而对其进行了归类。采煤塌陷地裂缝的影像特征主要有:线状或断线状，或短或长，或规则或不规则排列。塌陷坑的影像特征主要有:斑点状、小圆状，排列不规则。塌陷盆地影像特征主要有:圆形、椭圆形或条带状，部分常年积水，蓝色、深蓝色，有明显边界。掌握这些采煤塌陷的影像特征，可在遥感影像上快速识别采煤塌陷并计算出其面积，为采煤塌陷的治理提供可靠的依据。

［1］中国煤炭网.2000－2011年全国煤炭产量统计图［EB/OL］.(2012－03－26) ［2012－07－09］.http://www.ccoalnews.com/zt/shierwuguihua/179994.html.

［2］崔艳红.山东省每年新增采煤塌陷地5万亩现有70.1万亩［N/OL］.山东商报，(2012－05－30)［2012－07－09］.http://www.envir.gov.cn/info/2012/5/530247.htm.

［3］鹿献章，杨义忠，喻 根，等.淮北市北区地表水体集采空塌陷遥感调查［J］.安徽地质，1997，7(01):79－87.

［4］梅安新，彭望琭，秦其明，等.遥感导论［M］.北京:高等教育出版社，2001:145.

［5］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(1):45－48.

［6］张敦虎，卢中正，强建华，等.地面塌陷特征及其遥感识别方法研究［J］.地质灾害与环境保护，2009(03):8－12.

［7］李成尊，聂洪峰，汪 劲，等.SPOT－5卫星图像在采煤塌陷区及边界圈定中的应用［J］.［2012 －07 －09］.http://water.cgs.gov.cn/web/UploadFiles-9892/200705/20070531105956111.pdf.

Study remote sense image feature of coal mining collapse

LU Shaochun
(Institute of Geology Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Remote sense，functioning as an important method for fast，accurate，and effective observation of the coal mining collapse，provides reliable basis for the management of collapse area.This paper describes different types of coal mining collapse，offers an analysis of the identification method of coal mining collapse in remote sense image，and highlights the image feature of high resolution remote sense of coal mining collapse，along with the development of all kinds of the remote sense image feature of coal mining collapse by summing up coal mining collapse of the remote sense image.The research makes for a wide use of remote sense in technology in investigation into and control of coal mining collapse.

coal mining collapse;image feature of remote sense;ground fissures;collapse hole;collapse basin

P642.26

A

1671－0118(2012)05－0466－03

2012－08－01

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(10551268)

芦少春(1965－)，男，黑龙江省牡丹江人，副教授，硕士，研究方向:遥感应用，E-mail:lsc130@163.com。

(编辑 王 冬)