基于遥感和高程差异特征快速调查采煤塌陷地的方法研究——以山东省为例

秦晓敏，王森，许霄霄，翟永波，王靖伟,李西春

(1.山东省土地调查规划院，山东 济南 250000；2.日照市国土资源局，山东 日照 276800；3.济南中地时代科技有限公司，山东 济南 250014)

技术方法

基于遥感和高程差异特征快速调查采煤塌陷地的方法研究
——以山东省为例

秦晓敏1，王森1，许霄霄1，翟永波1，王靖伟2,李西春3

(1.山东省土地调查规划院，山东 济南 250000；2.日照市国土资源局，山东 日照 276800；3.济南中地时代科技有限公司，山东 济南 250014)

煤矿开采产生的地表塌陷不仅造成耕地破坏，还会引发生态环境破坏及基础设施建设损毁，对社会经济发展造成严重的负面影响。如何快速摸清底数，进而理清责任并分类治理显得尤为重要。该文以山东省为例，研究借助遥感技术和DEM高程差异特征形成一套快速调查采煤塌陷地的技术方法，该方法重点调查地表在一定时期高程损失0.5m以上、且损害人民生产生活的采煤塌陷区域。通过研究，摸清了山东省采煤塌陷地位置、规模、损毁程度及土地用途等基本情况，并建立了采煤塌陷地基础数据库。

采煤塌陷地；遥感；DEM；高程差异；山东省

0 引言

煤炭是我国的主体能源，是工农业生产和社会经济发展必不可少的物质基础，但煤炭的大量开采导致地表崩塌、沉降和塌陷，形成大面积采煤塌陷地。采煤塌陷地不仅使生态环境遭受严重破坏，而且严重制约当地经济和社会的可持续发展。多年来，各地积极探索采煤塌陷地恢复治理的有效途径，但因体制机制不健全、政策措施不完善、底数不清等原因，采煤塌陷地治理工作始终停留在“零打碎敲”的初级阶段，全面推行大区域大规模综合治理的新模式迫在眉睫。因此，大尺度范围内全面摸清采煤塌陷地的位置、面积、分布、损毁程度及土地现状用途等基本情况，具有十分重要的现实意义。

该文以山东省为例，研究快速调查采煤塌陷地底数的技术方法，利用多时相DEM数据与高清影像、采煤矿区、土地利用现状调查成果、土地整治项目及补偿协议等资料，在内业快速分析的基础上，结合实地补充调查，对全省范围内采煤塌陷地进行了摸底调查，建立了山东省采煤塌陷地基础数据库，为山东省采煤塌陷地复垦利用管理、政策制定提供可靠翔实的基础数据。

1 研究区概况

山东省煤炭资源较为丰富，是我国发现、开采、利用煤炭最早的省份之一。据统计，山东省地下含煤面积约为48000km2，约占全省土地总面积的1/3[1-2]，先后开发了枣滕、济宁等10多个矿区，形成了以国有大型矿井为主体,地方和乡镇矿井共同发展的大、中、小相结合的发展格局，为经济增长和社会进步发挥了巨大的作用[3-4]。与此同时，大量开采导致地表裂缝、裂隙及大面积的土地塌陷，每年因采煤塌陷土地近4000hm2，造成基础设施受损、耕地减少、农业减产、村庄房屋破坏、群众被迫搬迁等，给当地的生态环境和社会经济可持续发展带来较大制约[5]，亟需在省级层面全面掌握采煤塌陷地状况，摸清具体位置、规模、分布、损毁程度及土地利用状况等非常必要。

2 研究数据与调查对象

研究数据包括山东省煤炭矿区范围，涉及242片矿区[6](其中正在开采的矿区198片)，矿区面积共44.07万hm2；2008年遥感影像、2014年0.48m地面分辨率航拍影像图；2008年、2014年两时相5m分辨率的DEM数据(数字高程模型)；2014年土地利用现状调查数据；土地整治项目范围；以及其他资料如与农民签订的补偿协议等。

理论上，2个时期DEM的高程变化可以反映出地表塌陷的空间分布特征，但引起高程变化有多种因素[7]，如两期DEM生产方式不同，数据本身存在噪声，均导致由DEM计算出来的高程变化信息存在系统性的误差。从消除误差增强结果可靠性、重点关注产生损害的塌陷区以及遥感技术的适用性三方面考虑，通过反复测试，最终确定高程损失0.5m以内的区域视为系统误差，不提取为塌陷区。

因此，该次调查采煤塌陷地主要为采煤矿区范围内或周围连片区域，因煤矿开采导致地表在一定时期高程损失0.5m以上、且损害人民生产生活的区域，已治理恢复利用的塌陷区域不作为调查重点。根据损害程度，可分为严重塌陷区和一般塌陷区。严重塌陷区为严重塌陷难以开展生产生活利用的区域，如积水区或严重损毁而无法耕种的区域等；一般塌陷区为其他因采煤塌陷造成负面影响的区域。

3 研究方法

该文内业分析采用基于遥感和高程差异特征快速定位采煤塌陷地，即以采煤矿区为调查子区，利用两期DEM高差信息和两时相高清航拍影像特征，综合判断采煤塌陷地范围；对内业获取有疑问的图斑进行实地核实补充调查，如对DEM高程信息变化与影像特征表现不一致、塌陷范围界线不明显的图斑开展外业核实，对有关采煤矿区、土地整治项目及与农民签订的补偿协议等资料的分析结果开展补充调查，同时拍摄具有定位定向信息的实地照片；通过对内外业综合分析，最终形成采煤塌陷地矢量数据；然后结合土地利用变更调查成果，得到采煤塌陷地的土地利用现状地类；最终建立图、数、实地照片一致的数据库进行科学管理，具体技术流程如图1所示。

图1 采煤塌陷地调查技术流程图

3.1 制作地表高程变化分布图

首先对2008年、2014年两期的DEM数据进行差值分析，将2008年DEM高程减去2014年DEM高程，计算出2期DEM数据的高程差值并进行配色，制作地表高程变化分布图。高程差值大于0.5m，表示地表有沉降，疑似塌陷；高程差值在-0.5m～0.5m之间，表示地表无明显变化；高程差值小于-0.5m，表示地表有所上升。

3.2 内业综合判读提取采煤塌陷地

内业主要将遥感影像、DEM数据与山东省煤炭矿区范围进行套合分析并矢量化。根据2008—2014年间地表高程损失信息，快速发现采煤塌陷区，然后套合遥感影像与煤炭矿区范围，以各矿区为调查子区，对照2008年和2014年高分辨率遥感影像纹理、色调等反映的塌陷特征进行综合比较、分析判断，提取采煤塌陷区信息[8-14]。

在判读过程中掌握以下几个原则：一是影像数据有塌陷特征，且DEM数据显示明显高程损失，此类型提取为采煤塌陷区(图2)；二是影像数据显示有积水，DEM高程损失不明显，也提取为采煤塌陷区(图3)；三是疑似已治理区域，一般不提取为采煤塌陷区(图4)。

a—2014年影像；b—两期DEM高程差异图2 影像与高程差异均显示塌陷特征示例图

a—2014年影像；b—两期DEM高程差异图3 影像有明显塌陷特征而高程差异不明显示例图

a—2014年影像；b—两期DEM高程差异图4 影像与高程差异显示已治理示例图

3.3 外业核实补充调查

外业主要是对内业提取的采煤塌陷区(严重塌陷区和一般塌陷区)进行核实、补充调查。利用具有定位定向采集功能的先进外业核查设备，对需要外业核查的图斑进行精确定位，逐一实地核实测量损毁图斑的相关信息。对不符合调查要求的图斑，现场调查确认后予以删除；属于采煤塌陷区的，补充相关资料并采集多角度的实地照片，修正采煤塌陷区的范围。为了提高数据的可靠性，外业调查还采取了农村入户调查方法，根据村民提供的相关资料，如矿企与村民签订的补偿协议、实地照片等，确定采煤塌陷区的范围和类型。

3.4 GIS空间分析与数据库建设

根据内外业综合调查确定的成果，采用GIS空间叠加分析等方法[15-17]，进行成果的汇总分析。将2014年土地利用现状图与最终确定的采煤塌陷区进行叠加分析，获取采煤塌陷地的现状地类属性信息。最后将调查的最终成果，按照山东省采煤塌陷地数据库相关规则，逐一对照入库，形成山东省采煤塌陷地基础数据库，包括2014年遥感影像图、2014年土地利用现状图、两期DEM数据、DEM高程损失数据等基础图层，以及采煤矿区分布图、采煤塌陷区分布图、采煤塌陷地土地利用现状图层等专题图层。

4 调查结果

(1)从总量上看，截至2014年底，山东省已形成采煤塌陷地面积约为39698.79hm2，其中严重塌陷区面积27048.36hm2，一般塌陷区面积12650.43hm2，涉及11市。

(2)从塌陷规模、分布来看，情况最严重的为济宁市，其次为泰安市、枣庄市、菏泽市，德州、烟台、临沂等7市采煤塌陷地规模均较小。重点4市采煤塌陷地面积38377.24hm2，占全省采煤塌陷地的96.67%；其中严重塌陷区面积25910.20hm2，占全省严重塌陷区的95.79%；一般塌陷区面积12467.04hm2，占全省一般塌陷区的98.55%。

(3)从采煤塌陷地土地利用现状上看，全省采煤塌陷地现状为农用地共35068.31hm2，占全省采煤塌陷地总量的88.34%,其中耕地23078.92hm2，占采煤塌陷地总面积的58.14%；园地570.42hm2，占总面积的1.44%；林地2516.46hm2，占总面积的6.34%。现状为建设用地共3306.94hm2，占全省采煤塌陷地总量的8.33%，其中村庄、建制镇、城市合计1777.27hm2，占总面积的4.48%。现状为未利用地共1323.54hm2，占全省采煤塌陷地总量的3.33%。

济宁、泰安、枣庄、菏泽重点4市采煤塌陷地中现状为农用地34171.10hm2，占4市塌陷总面积的89.04%，其中涉及耕地22701.47hm2，占4市塌陷总面积的59.15%；园地464.13hm2，占4市塌陷总面积的1.17%；林地2395.17hm2，占4市塌陷总面积的6.24%。建设用地2977.96hm2，占4市塌陷总面积的7.76%；其中村庄、建制镇、城市合计1660.39hm2，占4市塌陷总面积的4.33%。未利用地1228.18hm2，占4市塌陷总面积的3.2%。重点区域采煤塌陷地分类与土地利用基本情况如图5所示。

图5 重点区域采煤塌陷地分类与土地利用基本情况

(4)从损毁基本农田的情况看：全省采煤塌陷损毁基本农田20283.17hm2，占采煤塌陷地总面积的51.09%，其中济宁、泰安、枣庄、菏泽4市损毁基本农田20029.95hm2，占全省采煤塌陷地总面积的50.45%。

(5)严重塌陷区内损毁耕地与基本农田情况：全省采煤塌陷地严重塌陷区损毁耕地面积13686.11hm2，占采煤塌陷地总面积的34.47%，其中济宁、泰安、枣庄、菏泽4市严重塌陷区损毁耕地面积13382.45hm2，占采煤塌陷地总面积的33.71%。全省采煤塌陷地严重塌陷区损毁基本农田面积11840.26hm2，占全省采煤塌陷地总面积的29.83%，其中济宁、泰安、枣庄、菏泽4市严重塌陷区损毁基本农田面积11651.89hm2，占全省采煤塌陷地总面积的29.35%。

(6)一般塌陷区内损毁耕地与基本农田情况：全省采煤塌陷地一般塌陷区损毁耕地面积9392.81hm2，占采煤塌陷地总面积的23.66%，其中济宁、泰安、枣庄、菏泽4市一般塌陷区损毁耕地面积9319.01hm2，占采煤塌陷地总面积的23.47%。全省采煤塌陷地一般塌陷区损毁基本农田面积8442.91hm2，占全省采煤塌陷地总面积的21.27%，其中济宁、泰安、枣庄、菏泽4市一般塌陷区损毁基本农田面积8378.06hm2，占全省采煤塌陷地总面积的21.10%。

5 结论

(1)研究了大尺度范围内根据高清影像、一定时期高程变化特征以及矿区分布等快速提取采煤塌陷地的技术方法，同时采用了具有位置及多角度拍摄信息的外业调查方法，实现了图、数、实地照片的统一管理。

(2)首次运用遥感技术对山东省全域的采煤塌陷地进行了比较系统的现状调查，并建立了采煤塌陷地基础数据库。研究成果的推广应用具有较大的经济效益和社会效益，可为政府部门开展采煤塌陷地调查和科学管理提供技术借鉴，并为及时给予农民补偿、精准扶贫等提供依据。

(3)在利用两期DEM高程数据进行差值分析来快速发现采煤塌陷区方面有一定的优势，提高了调查的工作效率。但DEM数据的使用具有一定的局限性，一方面DEM高差变化的影响因素有很多，不仅是煤炭开采导致的，所以两期DEM高差有伪变化；另一方面两期DEM相差时间较短，有些塌陷区沉降不明显，难以反映出来，所以有关DEM高程损失在采煤塌陷地调查中的研究还需要进一步的深入。

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StudyonRapidInvestigationofCoalMiningSubsidenceBasedonRemoteSensingandElevationDifferenceCharacteristics——Taking Shandong Province as an Example

QIN Xiaomin1，WANG Sen1，XU Xiaoxiao1，ZHAI Yongbo1, WANG Jingwei2, LI Xichun3

(1.Shandong Land Surveying and Planning Institute, Shandong Jinan 250014,China；2.Rizhao Bureau of Land and Resources, Shandong Rizhao 276800,China; 3.Jinan Zhongdishidai Science Limited Corporation, Shandong Jinan 250014, China)

Surface subsidence caused by coal mining will not only destroy the cultivated land, but also can cause damage to ecological environment and infrastructure construction, and cause negative effect seriously for the social and economic development. How to quickly survey the base number of coal mining subsidence, and clarify responsibilities and classification management is particularly important. In this paper, taking Shandong province as an example, rapid investigation method of coal mining subsidence has been formed based on remote sensing and elevation difference characteristics. This method focuses on surveying the areas of coal mining collapse that the surface has lost more than 0.5m in a certain period and damages the people's production and life .Through study, the location, scale, damage degree, land use and other basic situations of coal mining subsidence have been identified, and the foundation database of coal mining subsidence in Shandong province has been established.

Coal mining subsidence; remote sensing;DEM; elevation difference;Shandong province

2017-05-08；

2017-06-22；

陶卫卫

科研项目：山东省损毁土地现状调查及研究

秦晓敏(1981—)，女，山东聊城人，高级工程师，主要从事土地调查、耕地保护与信息化建设的研究；E-mail：53830936@qq.com

P237;TD325

B

秦晓敏，王森，许霄霄，等.基于遥感和高程差异特征快速调查采煤塌陷地的方法研究——以山东省为例[J].山东国土资源，2018,34(1)：56-60.QIN Xiaomin, WANG Sen, XU Xiaoxiao, etc.Study on Rapid Investigation of Coal Mining Subsidence Based on Remote Sensing and Elevation Difference Characteristics——Taking Shandong Province as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2018,34(1)：56-60.