利用3S集成技术进行矿区沉陷精确调查与分析

2014-06-27王志勇马全明

测绘通报 2014年7期

关键词：高分辨率矿区测绘

李勇，王志勇，马全明

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

利用3S集成技术进行矿区沉陷精确调查与分析

李勇1，王志勇1，马全明2

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

地下煤矿资源开采引起的地面沉陷越来越严重，已成为制约矿区环境、社会经济可持续发展的主要地质灾害之一。本文构建了基于3S(RS＋GPS＋GIS)集成技术的矿区沉陷精确调查技术，重点利用多时相高分辨率光学遥感影像，通过数据处理及信息提取，获取了山东省济宁某煤矿的2003—2011年的地面沉陷位置、分布，统计了沉陷区面积，基于GIS技术分析了煤矿沉陷区的时空演变。试验证明，3S集成技术是进行矿山沉陷调查的最佳技术方法之一，可实现矿山沉陷的大面积、低成本、准确调查。

3S集成；矿区沉陷；遥感；监测

一、引言

矿山开采引起的地面，给社会经济、人民生命安全等造成巨大危害，成为制约矿山可持续发展的重要因素[1-2]，已成为制约矿区环境、社会经济可持续发展的主要地质灾害之一。目前应用于矿区灾害监测的主要技术方法有：水准测量、全站仪测量、GPS测量[3]、RS、无人机低空摄影测量[4]、雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)等[2，5-6]。

传统的水准测量、全站仪测量等需要进行野外观测，劳动强度大、费用高，不能实时监测，并且监测的范围有限；GPS监测虽然能实现自动化监测，但仍然需要野外观测，并且是基于离散点的测量，很难反映区域性的沉陷信息；另外，传统监测方法无法实现大面积观测，且很难进行长时间周期的监测。由于遥感对地观测具有快速、覆盖范围广、周期性等特点，使其成为最重要的地理国情监测数据的获取手段之一。目前，遥感技术在矿区地质灾害监测与调查方面已得到了初步应用[7-11]。

本文针对采煤区引起的地面沉陷监测问题，探讨适合于矿区沉陷精确调查的技术与方法，特别是将3S技术进行集成应用，发挥每种监测技术的优势，实现矿区沉陷区的精确调查与分析。

二、基于3S集成的矿区沉陷监测技术

根据矿区沉陷监测的需求，矿山开采引起的地面沉陷监测技术需要满足几个方面的需求：

1)可以实现大面积的沉陷监测，尽可能地减少外业观测的工作量及成本，特别是可以快速地进行监测。

2)尽量减少野外观测，可以不需要测量人员到达监测点。

3)监测可以连续、长期进行，以反映矿区地表环境变化的动态分布及时空特征，特别是可以对历史数据进行监测。

基于以上几个方面的特点，单一的监测技术手段很难满足，多种观测技术的集成应用是矿区沉陷灾害调查的最佳途径，如丁安民等[12]提出了一种基于分布式CCD/GPS的矿区沉陷灾害动态监测方法，但该方法还需要进行现场的观测。

分析现有的技术方法，可以采用3S集成应用的方法来进行矿区沉陷的监测与分析，即采用RS技术进行矿区沉陷区的精确调查，特别是采用多时相高空间分辨率光学影像，通过对多时相影像的数据处理及对比分析，提取每个时相的沉陷区的分布及准确范围；然后基于GIS技术，分析矿区沉陷区的时空变化情况；GPS技术为遥感影像的几何纠正提供高精度的控制点位置信息，还可以在发现大面积沉陷后进行野外实地验证。表1列出了3S技术中每种技术在矿区灾害监测中的主要作用。

表1 各种监测技术在矿区地质灾害调查的作用

三、基于多时相高分辨率遥感影像的矿区沉陷区数据获取

在3S集成应用中，基于多时相高空间分辨率的遥感影像是获取矿区沉陷数据的关键。矿山开采引起的地面沉陷具有独特的特征，特别是由于地面沉陷形成的积水坑，在高分辨率遥感影像上很容易识别，通过多时相遥感影像的对比，可以将湖泊、河流等地表自然水体与矿山开采沉陷形成的积水坑区别开。

考虑到矿区沉陷的时间跨越较长，试验选取矿区的多时相高分辨率光学影像为QuickBird影像。Quickbird卫星是美国发射的一颗高分辨率光学商业遥感卫星，2001年发射升空，目前在国内外拥有广泛的用户，其全色影像的空间分辨率为0.61 m，多光谱影像(有4个多光谱波段)的空间分辨率为2.44 m、成像幅宽约16.5 km。

图1给出了采用多时相高空间分辨率光学影像进行沉陷区精确调查与分析的数据处理流程，主要包括图像融合、几何校正、高精度配准、沉陷区信息提取等。

图1 高分辨率光学影像矿区沉陷区分析数据处理流程

四、矿山沉陷区精确调查与分析

为了验证技术方法的可行性，获取了山东省济宁某煤矿的3个时相的QuickBird高分辨率遥感影像，获取时间分别为：2003-12-07、2009-06-20、2011-09-25。通过对原始遥感影像进行预处理、几何纠正等，可以得到配准的3个时相的遥感影像。为了进一步分析该煤矿的沉陷区分布及面积，仅裁剪了包含煤矿沉陷区的部分影像，如图2所示，3个时期的图像已经精确配准，在图中已经将由于矿区沉降造成的地表沉陷区分别用不同的颜色勾绘出来，从图2可以明显地看到由于地下采煤，在地表形成了两个比较大的沉陷区。

图2 济宁某煤矿沉陷区分布

从图2中可以看到，由于该煤矿开采较早(投产时间为1999年5月)，在2003年12月份就在地表开始形成明显沉陷区，沉陷面积约为0.16 km2，随后沉陷区进一步扩大，到2009年6月，在地表已形成了一个较大的沉陷区，其沉陷面积约为0.746 km2，并且沉陷区已被积水覆盖形成水塘，截止到2011年9月，沉陷区的面积已经达到了0.98 km2。

在GIS平台中，将3个时期的矿区沉陷区边缘线矢量叠加到一起(如图3所示)，分别用不同的颜色表示不同时期的沉陷情况，从图中可以看出该煤矿沉陷区的时空演变情况。为了进一步统计分析，表2统计了各时期的沉陷区面积。

图3 济宁某煤矿沉陷区时空演变分析

表2 济宁某煤矿沉陷区面积统计表 m2

五、结论

针对矿山沉陷监测，本文构建了基于3S集成技术的监测方法，通过试验可以得出：

1)3S集成技术是进行矿山沉陷调查的最佳技术方法之一，可以发挥每种技术的优势与特长，可实现矿山沉陷的大面积、低成本、准确调查，为矿区土地复垦、数字矿山建设提供了科学依据。

2)以山东省济宁某煤矿为例，通过监测可以发现，该区域由于地下采煤引起的地面沉陷非常严重，截止到2011年9月，该煤矿的沉陷区的面积已经达到了0.98 km2。

3)由于矿区沉陷区的特征不是很明显，目前沉陷区的识别还主要依靠目视解译，如何根据沉陷区的特征建立解译标志，进行沉陷区的自动识别将是后续应用的关键。

4)由于获取的3期高分辨率遥感影像是不同季节获取的，如何对高分辨率遥感数据进行分类及自动变化检测将是下一步研究的重点。

综上所述，基于3S集成的矿区沉陷调查与分析技术可以为矿区土地利用、矿区沉陷环境的综合整治提供基础数据，为数字矿山、智慧矿山的建设提供技术支持。

致谢:本研究还得到了山东省泰山学者建设工程专项以及山东科技大学科研创新团队支持计划项目(2011KYTD103)的资助，在此表示感谢!

[1] 刘国林，张连蓬，成枢，等.合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性分析[J].测绘通报，2005(11)：10-13.

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[3] 梁涛.基于GPS技术的矿区变形监测研究[J].测绘通报，2013(S0)：26-28.

[4] 刘广盛，吕军超.基于无人机的矿区变化监测关键技术研究[J].测绘通报，2013(S0)：95-98.

[5] 张继超，宋伟东，张继贤，等.PS-DInSAR技术在矿区地表形变测量中的应用探讨[J].测绘通报，2008 (8)：45-47.

[6] WANG Zhiyong，ZHANG Jinzhi.Use of D-InSAR Technique for Monitoring Ground Subsidence in the Yanzhou Coal Mining Area(China)[J].Applied Mechanics and Materials Journal，2010(33)：756-760.

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[12] 丁安民，田八林，李克昭，等.矿区沉陷灾害监测方法综述[J].河南理工大学学报，2013，32(2)：165-169.

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Precisely Investigating and Analyzing the Mining Subsidence Based on 3S Integrated Technology

LI Yong，WANG Zhiyong，MA Quanming

P237

0494-0911(2014)07-0063-03

2014-05-15