采煤沉陷区恢复治理状况遥感调查

王海庆， 杨金中， 陈玲， 汪洁， 周英杰， 姚维岭

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

采煤沉陷区恢复治理状况遥感调查

王海庆， 杨金中， 陈玲， 汪洁， 周英杰， 姚维岭

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

以山东省某采煤沉陷区为研究区，利用多期光学遥感数据，采用室内研究与野外实地调查相结合的技术方法，旨在研究采煤沉陷区恢复治理状况。研究表明： ①该研究区内采煤沉陷严重，到2014年采煤沉陷积水区累计面积达13.62 km2； ②区内采煤沉陷灾害发展迅速，2006—2014年间，积水面积共增加7.78 km2，相对于2006年增长了133%； ③该区沉陷恢复治理状况良好，恢复治理面积达11.70 km2，恢复治理比例为85.90%； ④后续的采煤沉陷仍有可能破坏已恢复治理的工程，将已恢复治理的区域转变为需要再次恢复治理的区域； ⑤在遥感图像上，恢复治理区域容易与非恢复治理区的地物相混淆，为此，有必要选用多时相遥感数据进行仔细对比。

遥感； 煤矿； 沉陷； 恢复治理

0 引言

煤矿资源是我国重要的矿产资源。煤矿的开采利用是国民经济的重要组成部分。但煤矿开采利用的同时也造成了严重的地面沉陷，破坏了大量的农田、建筑和道路，严重影响了当地人民群众的生活。所以对采煤沉陷区的恢复治理显得非常重要。

遥感技术具有宏观和客观的优势，能够直观地反映采煤沉陷区恢复治理的真实状况。目前利用遥感技术开展由采矿活动引起的沉陷区、塌陷区调查及监测的技术方法已相对成熟，相应的报道屡见不鲜[1-9]。有关矿山恢复治理的研究也取得了很多成果，王强[10]探讨了采煤塌陷区的综合治理对策； 朱思东[11]在山东省微山县采用挖深补浅、建造耕地、取土建鱼塘的模式恢复煤矿塌陷地； 黄晓娜等[12]研究了煤矿塌陷区不同复垦年限土壤颗粒组成的分形特征； 王洪丹等[13]研究了煤矿排土场土壤与地形对植被恢复的影响； 王平等[14]研究了煤矿排土场地形对土壤有机碳的影响； 陈孝杨等[15]研究了覆土厚度对复垦土壤呼吸昼夜变化的影响； 杨勤学等[16]阐述了我国北方露天煤矿区植被恢复的研究进展； 张紫昭等[17]对新疆煤矿土地复垦为草地的适宜性进行了评价； 付梅臣等[18]阐述了我国煤矿区低碳型土地复垦的现状； 杨逾等[19]分析了牛心台煤矿的土地复垦工程； 王琛等[20]研究了堆肥施用和牧草种植对复垦地土壤肥力的影响； 吴国伟等[21]研究了复垦土地类型变化对植被碳储量的影响； 黄元仿等[22]阐述了土地复垦生物多样性保护研究进展。但迄今利用遥感技术开展矿山恢复治理状况调查的报道较少。吕玉凤[23]利用遥感技术总结出福建省矿山环境恢复治理方案，但该文并没有针对恢复治理面积进行描述，即难以有效展现恢复治理的成果； 姚维岭等[24]基于遥感方法分析了山东省矿山地质环境恢复治理的典型模式，但该文对恢复治理面积的描述过于简单和笼统，即难以展示恢复治理的详细状况。

本文采用多期光学遥感数据，在室内研究的基础上，辅以野外实地调查验证，利用ArcGIS平台开展研究区内多期遥感数据提取采煤沉陷积水面积与恢复治理面积的对比研究，从遥感角度反映出研究区恢复治理的实际状况。

1 研究区概况

本文选择山东省某采煤沉陷区为研究区。选取依据为： ①地下开采煤矿集中，在较小的范围内有较大的煤矿开采和生产规模； ②采煤沉陷严重，已经形成了一定的采煤沉陷灾害，并且采煤沉陷持续扩展； ③恢复治理工作持续推进，并已取得一定的效果； ④有多期可供选择利用的遥感数据(图1)。

图1 研究区位置示意图

图1中红框范围为研究区，面积44.39 km2。区内地势平坦、沟渠交错、机井密布，为典型的平原地貌，农田均为旱涝保收的水浇地。区内涉及2个国有大型煤矿，都为地下开采，且开采和生产规模较大。根据以往的研究结果，区内采煤沉陷严重，并且扩展快，危害大[5]，为典型的采煤沉陷区； 同时恢复治理工作也在持续进行，并取得了一定的效果。 另外，笔者长期在该区从事矿山环境调查与监测等工作，积累了较多可供利用的遥感数据。综上所述，在该区开展采煤沉陷区恢复治理状况的调查，将会对其他类似采煤沉陷区有借鉴意义。

2 遥感数据源

分别选取了2006—2014年间曾用于矿山环境调查与监测等工作的遥感数据(表1和图2)。

表1 遥感数据基本信息

(a) SPOT5 B2(R)，B1(G)，B3(B) (b) WorldView-1全色影像(c) WorldView-2 B3(R)，B2(G)，假彩色合成影像(2006年) (2010年)B1(B)假彩色合成影像(2011年)

(d) YG-5全色影像(2013年) (e) IKONOS B3(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成影像(2014年)

图2不同时期遥感数据快视图

Fig.2Quick-lookmapofremotesensingdataindifferentperiods

3 遥感识别标志

3.1 采煤沉陷积水区

采煤沉陷积水区具有独特的影像特征，在高空间分辨率遥感图像中易于识别，完全可以与露天的采沙坑和采土坑区别开[3-6]。在此不再赘述其识别标志。

3.2 恢复治理区

研究区采煤沉陷恢复治理的措施主要包括： 将其建造成耕地、鱼塘、工业用地以及景观用地。在遥感影像上，可根据恢复治理措施实施前后变化来识别恢复治理区，并通过野外现场调查验证遥感图像解译结果。

图3中列出了几种常见的恢复治理措施实施前后对比示意图。

(a) 建造成耕地前(2006年)(b) 建造成耕地后(2011年)

(c) 改造成鱼塘前(2006年)(d) 改造成鱼塘后(2011年)

(e) 改为工业用地前(2006年) (f) 改为工业用地后(2011年)

图3恢复治理前后对比示意图

Fig.3Sketchmapaboutbeforeandafterrestorationandmanagementareas

从图3中可以看出，采煤沉陷区恢复治理前后的遥感特征差异明显，完全可以根据其纹理、色调、边界及地物的变化区分出未恢复治理和已经恢复治理的沉陷区域。但若仅从单景遥感图像入手，还是难以识别恢复治理后的区域，尤其容易与非恢复治理的地物相混淆。为此，有必要选用多时相遥感数据，至少要涵盖恢复治理前后2个时相的遥感数据，才能够更准确地识别出采煤沉陷恢复治理区。

采煤沉陷区恢复治理前后的具体遥感识别标志如表2所示。

表2 沉陷区恢复治理前后遥感识别标志

4 调查结果与分析

根据遥感识别标志进行综合判断分析，在每一期遥感图像中圈定出采煤沉陷积水区和恢复治理区，并通过进一步野外调查验证、修改、完善室内研究结果，形成遥感调查成果。

4.1 采煤沉陷积水区

经研究发现，研究区内采煤沉陷积水区分布广、面积大、危害严重。研究区内采煤沉陷积水区的分布情况如图4所示。

图4 采煤沉陷积水区分布

采煤沉陷积水区面积统计结果见表3。

表3 采煤沉陷积水区面积统计

从表3中可以发现，2006—2014年间采煤沉陷积水区的面积逐期扩大，在2006年，采煤沉陷积水面积为5.84 km2； 到2010年采煤沉陷积水面积为9.42 km2，比2006年增长了3.58 km2； 在2011年采煤沉陷积水面积为11.13 km2，比2010年增长了1.71 km2； 到2013年采煤沉陷积水面积为12.37 km2，比2011年增长了1.24 km2； 在2014年采煤沉陷积水面积为13.62 km2，比2013年又增长了1.25 km2，而比2006年共增加了7.78 km2，相对增长了133%。采煤沉陷恢复治理面积变化如图5所示。

图5 采煤沉陷区治理面积变化

4.2 恢复治理区

从表3及图5可以看出，研究区内采煤沉陷恢复治理面积呈逐期增加趋势。在2006年，恢复治理面积为0.36 km2，恢复治理比例为6.16%； 到2010年，恢复治理面积为6.77 km2，比2006年增长了6.41 km2，恢复治理比例为71.87%； 在2011年，恢复治理面积为10.35 km2，比2010年增长了3.58 km2，恢复治理比例为92.99%； 到2013年，恢复治理面积为11.81 km2，比2011年增长了1.46 km2，恢复治理比例为95.47%； 在2014年，恢复治理面积为11.70 km2，比2013年减少0.11 km2，但仍比2006年增长了11.34 km2，恢复治理比例达到85.90%。其中，2014年恢复治理面积有所下降的原因是： 在后续的采煤沉陷作用下，原恢复治理工程遭到再次破坏，使得已恢复治理的区域转变为需要再次恢复治理的区域，如图6所示。

(a) SPOT5(2006年) (b) WorldView-1(2010年)(c) YG-5(2013年)(d) IKONOS(2014年)

图6恢复治理区遭受破坏

Fig.6Destroyedrestorationandmanagementarea

在2006年的遥感图像中，该区域为农田，未遭受采煤沉陷破坏； 到2010年该区域遭受采煤沉陷破坏，沦为采煤沉陷积水区； 到2013年该区域已经被恢复治理，东部被建造成耕地、西部被改造成鱼塘； 但在2014年该区域的恢复治理工程遭到再次破坏，使得东部改造好的农田重新沦为采煤沉陷积水区，需要再次恢复治理(图6(d))。

5 结论

1)所选择的研究区内采煤沉陷严重，截止到2014年，在44.39 km2的研究区内，采煤沉陷积水区累计面积达13.62 km2，约占研究区总面积的31%。

2)总体来说，该区内采煤沉陷灾害发展迅速，2006—2014年间，根据获取的遥感图像分析，采煤沉陷积水面积共增加了7.78 km2，2014年相对于2006年增长了133%。

3)该区采煤沉陷恢复治理状况良好，截止到2014年，在累计13.62 km2中，恢复治理面积达到11.70 km2，恢复治理比例达到85.90%。

4)通过恢复治理，可将沉陷积水区转变为不同类型用地(耕地、鱼塘、景观用地和工业用地等)，但后续采煤沉陷仍可能破坏已恢复治理的工程，将已恢复治理的区域再次转变为仍需要恢复治理的区域。

5)研究表明，在遥感图像中，采煤沉陷积水区域易于识别，甚至利用单景遥感图像即可开展采煤沉陷积水区域的遥感解译； 但其恢复治理区域不易识别，尤其容易与非恢复治理区的地物相混淆。为此，有必要选用多时相的遥感数据，至少要涵盖恢复治理前后2个时相的遥感数据，才能够更准确地识别出采煤沉陷恢复治理区。

本文采用的光学遥感技术以其宏观、廉价、快速、高效的优势，较好地弥补了地面调查的不足。然而，关于采煤沉陷恢复治理的研究仍有一些重要问题需要深入开展。比如： 恢复治理的效益应如何评价？在多种恢复治理措施可供选择时，应如何决策？在采煤沉陷灾害严重的区域是应边开采边治理，还是应停止开采？限于笔者收集资料有限，未能在这些方面展开探讨，有待后续开展进一步深入研究。

志谢： 本文研究过程中得到了聂洪峰、王晓红、荆青青、王斌、李飞、李梦薇和李晓阳等同仁的帮助，在此表示衷心的感谢！

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(责任编辑：陈理)

Remotesensinginvestigationofrestorationandmanagementsituationincoalminesubsidenceareas

WANG Haiqing， YANG Jinzhong， CHEN Ling， WANG Jie， ZHOU Yingjie， YAO Weiling

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083，China)

In this paper, the authors studied restoration and management situation in coal mine subsidence areas using remote sensing images. According to the research objective, the coal mine subsidence area in Shandong Province was chosen as the study area. Multi-stage optical remote sensing images and the technical method which included indoor research and field survey were used. Some conclusions have been reached: ① Coal mine subsidence in this area was very serious, by 2014, water area had reached 13.62 km2; ② Coal mine subsidence was developed rapidly in this area, from 2006 to 2014, coal mine subsidence water area increased by 7.78 km2totally, and the growth rate was 133%; ③ Restoration and management situation was good in study area, its area reached 11.70 km2, and its rate was 85.90%; ④ Original restoration and management project could be destroyed by flow up coal mine subsidence, and the area needs restoration and management again; ⑤ In remote sensing images, restoration and management area is easily confused with other features, and hence it is necessary to use multi-temporal remote sensing data for careful comparison.

remote sensing； coal mine； subsidence； restoration and management

10.6046/gtzyyg.2017.03.23

王海庆,杨金中,陈玲,等.采煤沉陷区恢复治理状况遥感调查[J].国土资源遥感,2017,29(3)：156-162.(Wang H Q,Yang J Z,Chen L,et al.Remote sensing investigation of restoration and management situation in coal mine subsidence areas[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：156-162.)

2016-02-03；

2016-03-17

中国地质调查局地质调查项目“全国矿产资源开发环境遥感监测”(编号： 121201203000160009)、“矿山环境综合调查与评价”(编号： 1212011120027)和“山东省矿山环境调查与评价”(编号： 1212011220073)共同资助。

王海庆(1980-),男,博士,高级工程师,主要从事遥感地质应用方面的研究。Email: whq0705@126.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0156-07