采砂坑与采矿坑的高分一号影像对比分析研究

2018-03-10姚月朱大明李小华侯至群

软件导刊 2018年2期

姚月+朱大明+李小华+侯至群

摘要：为了充分利用遥感卫星影像区分采砂坑和采矿坑，减少外业实地调查的工作量，首先利用高分一号卫星影像建立研究区域的采砂坑和采矿坑解译标志；然后列举了几处典型的采砂坑和采矿坑的解译结果，本次研究重点在于研究区域主要道路两侧的采砂坑和采矿坑，结合地形地貌条件进行对比分析；最后得出基于高分一号卫星影像的研究区域采砂坑和采矿坑的直接解译标志和间接解译标志。由于受到影像“同谱异物，同物异谱”的影响，条件允许的需要进行野外实地验证，以提高遥感解译的准确率，为研究区域的防灾减灾提供有力的参考依据。

关键词：采砂坑；采矿坑；解译标志；高分一号数据；对比分析

DOIDOI：10.11907/rjdk.173099

中图分类号：TP317.4

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0202-03

0 引言

随着人类对矿产资源的迫切需求，矿业活动不断加剧，露天、地下巷道采矿对地表、地下都造成了不同程度破坏[1]，导致采矿区的地面塌陷，形成采矿坑，给人类的生产生活带来威胁。砂石作为重要的建筑材料，需求量巨大[2]，采砂坑对土壤植被影响较大。目前大多数采砂坑处于荒废状态或简单复垦状态，植被缺失严重[3]。由于采砂坑和采矿坑成因不同，对人类造成的危害程度也不一致。为了准确区分采砂坑和采矿坑，本文利用高分一号卫星影像进行研究区域的采砂坑和采矿坑解译工作。由于传统的地质灾害调查方法工作效率低下，且许多地质工作人员无法到达灾害点，该方式对于提升灾害治理和应急处理能力具有十分重要的意义[4]。

针对研究区域的地形地貌条件，本次研究的重点在于区域主要道路两侧的采砂坑和采矿坑。首先从地形地貌、影像特征等方面建立研究区采砂坑和采矿坑的遥感解译标志，然后结合GF-1的影像特征和研究区背景进行采砂坑和采矿坑的解译及对比分析，最后得出基于高分一号卫星影像的研究区域采砂坑和采矿坑的直接解译标志和间接解译标志，为研究区域的防灾减灾提供参考依据。

1 影像处理

根据本次研究内容收集以下资料：①高分一号卫星原始影像；②数字高程模型（DEM）、参考地形图等资料。首先利用ERDAS软件对原始影像进行预处理，然后进行正射校正[5]，采用效果最佳的融合影像[6]进行影像的镶嵌和裁切处理。影像的详细处理过程为：①原始影像质量检查；②全色影像和多光谱影像的配准操作；③对全色影像和配准后的多光谱影像进行融合处理，针对研究区域的地形地貌特征，选取效果最适合的ENVI软件的PAN sharping融合方法；④运用基础底图对融合后的2m影像进行校正；⑤对影像进行匀光、匀色处理，使影像纹理更加清晰，便于后续的采砂坑和采矿坑解译工作。

2 遥感解译

遥感解译是利用影像的波谱特征和空间特征，从阴影、纹理、色调、形状以及地貌等多方面进行综合解译[1]，并且与多种非遥感信息资料组合，运用生物地学相关规律，进行由此及彼、由表及里、去伪存真的综合分析和逻辑推理的思维过程[7]。

2.1 采砂坑遥感解译标志

采砂坑形状多为浑圆状、椭圆状和不规则形状，较深的采砂坑有黑色阴影。随着砂石需求量的增加，采砂坑的数量增长较快，既侵占了大量农田耕地，又坏破了河道，对地质环境造成了极大影响[8]。采砂坑影像解译的地表颜色和周围颜色都会有较大差别，显著特点是在采砂坑周边形成采砂车道。另外影像中有些能看到开采形成的近似几何形态，自然力量难以形成这种形态。

2.2 采砂坑解译

研究区域的采砂坑绝大多数是为公路建设而形成的，因此采砂坑基本沿道路两侧分布。省道228、320、303路边都有密集的采砂坑，一些县道边也有较密集的采砂坑。图1中的黑色矢量图斑为研究区主要两条道路沿线的采砂坑分布情况。采砂坑随着降雨和人为活动的影响不断发生着变化，尤其是分布在公路沿线的，随时威胁着人类的生产和生活。

图2～图4为研究区内不同时相影像中3种位于某道路旁不规则形状的采砂坑。图2中影像较周围的低矮植被色调浅、反差大，呈高亮显示，呈现为直径在150～200m范围的采砂坑，道路两旁有明显的高亮显示的采砂车道；图3影像周围为裸地，高亮显示的范围内均为采砂坑，有明显的采砂车道与主要公路相连；图4中的采砂坑杂乱无章地分布于公路两侧，临近公路，如果遇到大量降雨等突发情况，将严重威胁人们的生活，甚至生命安全。

2.3 地面塌陷解译标志

地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种动力地质现象。地面塌陷分为岩溶型地面塌陷和采空区地面塌陷，本文主要针对研究区的老君庙煤矿进行采矿坑的遥感解译工作。矿山开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，从而使岩层发生位移、变形，使岩体的完整性受到破坏。当矿区的开采面积达到一定范围后，起始于采场附近的移动和破坏将扩展到地表，产生移动盆地、地表裂缝、地表塌陷盆地和地表塌陷坑，从而影响到位于开采影响范围内的建筑物、河流、道路、草场和耕地等，并造成地表自然生态环境的破坏。因此，本文利用高分一号卫星影像进行研究区采矿坑的解译工作。

2.4 采矿坑遥感解译标志

在遥感图像上能找到采矿坑的一些明显特征，一般以带状、线状或槽状展布，呈直线或舒缓的波状延伸。暗色槽状地物为采空沉陷造成的，是地形突变引起光谱差异所致，规模较大的宽数十米，长几百米[9]。通过不同时相遥感资料的对比，计算新增水域或原有水体变化，这是采矿坑变化的重要依据[10]。地下煤炭资源开采可能引发地面沉陷、塌陷、地裂缝等一系列环境地質灾害[11]。

2.5 采矿坑遥感解译

研究区域的采矿塌陷主要集中在老君庙煤矿附近，该煤矿采空后地面发生了塌陷。由于塌陷一般较深，因而形成的地表阴影清楚。如图5所示，从该煤矿2013年影像和2014年高分一号影像的对比来看，在2013年的影像中塌陷坑是一个个分离的塌陷坑，而2014年的影像在3.3km的一个地面塌陷带上断续的采矿坑已基本连成一片，难以数清到底是多少个。在图5和图6中间位置，2014年影像中较2013年明显新增了几个规模较小的采矿坑，可见老君庙煤矿塌陷发展的速度较快。另外2014年的影像中可以看出矿区周围多了很多渣土堆。采矿坑集中分布在南北0.6km、东西约0.5km的范围内，采矿坑的直径在80～200m之间，色调不一致，从影像上能明显看见采矿坑形成的阴影。而且采矿坑位于道路两侧，与周围其它地物反差较强。endprint

3 采砂坑与采矿坑对比分析

通过对研究区域内的采砂坑和采矿坑进行遥感解译分析，得到以下结论：①研究区域的绝大多数采砂坑基本沿道路两侧分布。采砂坑虽然不是典型的地质灾害，但是随着采砂坑的逐渐扩张，其随着降雨和人为活动的影响不断发生变化，对周边的地质环境、公路以及人们的生产生活都会造成威胁；②直接解译标志：采砂坑与采矿坑最明显的直接解译标志是采砂坑周边通常会存在明显高亮显示的采砂车道痕迹；③间接解译标志：研究区域的采矿坑主要集中在老君庙煤矿采空后地面发生的塌陷，该采矿坑内部有道路存在，但和采砂坑沿道路两侧的影像纹理不一致。而且采矿坑周边会有渣土堆，渣土堆在遥感影像中色调和纹理均明显异于采砂坑的影像信息。

4 展望

由于受到“同谱异物，同物异谱”的影响，内业基于遥感影像提取的采砂坑和采矿坑，需要进行外业实地验证，以提高遥感解译的准确率。本次研究受实际情况限制，未能进行野外实地验证，如果条件允许，会进行研究区的采砂坑和采矿坑提取结果的验证工作，为研究区域的防灾减灾提供有力的参考依据。

参考文献：

[1] 周正武，孟淑英，张志峰.应用高分辨率遥感影像监测采矿诱发的地质灾害体[C].神华科技大会，2009.

[2] 司鹏飞，牛小静，余锡平.跨/穿河建筑物上游河道采砂安全距离[J].南水北调与水利科技，2017，15（2）：143-148.

[3] 马广杰.天津蓟县山前地区采砂坑对生态环境影响调查研究[D].北京：中国地质大学（北京），2007.

[4] 丛晓明，郑永虎.基于无人机遥感技术的青藏高原地质灾害遥感解译研究——以青海省大通煤矿区为例[J].青海师范大学学报：自科版，2016（2）：42-46.

[5] 周亦.利用高分一号卫星数据制作数字正射影像[D].长春：吉林大学，2014.

[6] XU Y， YANG M. A comparative study of image fusion algorithms for GF-2 satellite[J]. Land & Resources Herald，2016.

[7] 陈宁强，戴锦芳.人机交互式土地资源遥感解译方法研究[J].遥感技术与应用，1998，13（2）：15-20.

[8] 陈文平，韩小明，赵良军.乌鲁木齐市周边采砂场环境调查遥感解译研究[C].天山地质矿产资源学术讨论会，2008.

[9] 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].河北遙感，2009（4）：14-16.