浅谈遥感技术在采煤沉陷区含水层动态分析中的应用

姚光华，徐 升，，涂昌鹏，

(1.地质环境保护与地质灾害防治国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042)

遥感科学是从航空摄影测量逐步演变发展起来的，是通过一些高科技军事侦察技术的解密和转向民用而成长起来的。遥感科学的发展历史通常分为：第二次世界大战前的早期阶段，此阶段实际上是航空摄影阶段；1937～1960年的中期阶段，其标志是成像技术从航空摄影发展到电视、扫描、雷达等多种方法，成像取得的资料应用从军事侦察及民用摄影测量推广到民用各个行业；第三阶段即20世纪60年代以后，可以用下列几点表明遥感技术已摆脱单一航空摄影成像，发展成为遥感科学。其标志是：①民用航天技术出现，尤其是美国地球资源技术卫星(ERTS)的发射成功，标志着民用航天遥感阶段的开始，使遥感的定时，定位观测与对比解译，在技术上成为可能，经济上变得合算，并使人类对地球的观测从高空扩展到外层空间；②新型遥感器技术的应用使电磁波谱从可见光摄影扩展到红外、微波波段，延伸了人的感官，扩大了信息源；③大型电子计算机的开发和使用，为遥感图像处理技术奠定了基础，使从遥感获得的大量数据资料得以及时处理并提供给用户，使得民用遥感技术走向实用化和商业化[1]。

经过几十年努力，我国的遥感信息获取技术处于国际先进行列，已成功研制并发射了一系列遥感卫星，风云极轨气象卫星是国内第一颗业务运行对地观测卫星，并列入世界气象组织全球业务系统，在日本GMS静止气象卫星失效情况下，风云二号卫星成为亚洲地区唯一可用于天气预报的静止气象卫星[2]。

重庆万盛区由于长期的煤矿开采工作，形成了较大范围的开采沉陷区，且该区域内的地下水环境变化规律较大，为了更准确的对地下水进行动态分析，本文主要讨论遥感技术在采沉区含水区变化规律分析中应用。

1 研究区概况

南桐矿区(万盛区)位于重庆市东南部，北纬28°46′～29°06′ ，东经106°45′～107°03′。地处两省(市)三县交界处，东、北与南川区相邻，西与綦江县交界，南与贵州桐梓县接壤。区内有305省道(渝湘线)、綦万高速公路，渝黔铁路三万支线及其延长段万南铁路由西向东横贯境内，区内交通以省道、高速公路和铁路为主干线，形成贯通各个乡镇的交通网络，交通方便。其中研究范围(采煤沉陷及影响范围)主要由各个煤矿根据“三下”规程计算叠加而成。区内多年平均为18.4℃，极端最高气温为44.1℃(1958年8月19日)，极端最低气温为-3.6℃(1975年12月6日)。区内多年平均降雨量为1312mm，其中多集中在5～8月，占年总降雨量的75%；全年雨日150～200d，夜雨率为63%，具有“巴山夜雨”的特色。南桐矿区地处山区，溪流甚少，无大的河流分布，多是山涧季节性溪河，源短径流少，一般宽为20～30m，深0.5～1.0m，平时水量不足，汛期则湍急泛滥成灾。

2 工作原理

目前的有关研究表明，地表温度分布的异常现象可以反映地下水富集带信息。由于地下水通过岩石和土壤的毛细管作用和热传导作用，以及地表强烈的蒸发作用，导致地表土壤湿度和温度的变化，从而在热红外遥感图像上出现热或冷的异常。这使热红外遥感寻找地下水成为可能。在白天，一方面，地物吸收太阳辐射，温度有增高的趋势，即太阳辐射的增温效应，通常，湿度大的地物热容量大，增温慢，在图像上显示冷异常，湿度小的地物热容量小，增温快，在图像上显示热异常；另一方面，由于地物中所含水分的蒸发，带走热能，温度又呈下降的趋势，即水分的蒸发冷却效应。每一时刻，地物温度是上述两种效应综合作用的结果。水分蒸发冷却效应的强度主要取决于土壤水分的含量，水分含量偏高，冷却效应强，在白天的热红外图像上呈冷异常，反之，则呈热异常。地下水径流温度的变化是热红外遥感探测地下水的物理基础。傅碧宏等人曾利用Landsat-5 TM的第6波段热红外遥感数据定量反演了干旱区的地表温度，发现地下水富集带地表温度具有异常现象，其地表温度比地表水体高5K左右，而比其他地表类型低7K以上，并据此提出了利用热红外遥感技术来有效探测地下水富集带信息的可能性。

3 研究方法

本次研究采用3个时期的遥感数据(1988年6月4日TM数据，2000年7月31日ETM+数据，2005年6月27日ETM+数据)，利用其热红外波段(第6波段)有效探测地下水富集带信息。其主要研究方法是在经过辐射校正和几何精校正的基础上，借助ERDAS和ENVI软件，分别对3个时期的影像数据进行主成分分析、拉伸增强、密度分割等，从而将地下水信息从影像中提取出来。通过对比分析3个时期地下水含水区的变化情况，为地下水储存空间变化规律的研究提供依据，其工作方法流程见图1。

图1 工作方法流程图

3.1 主成分分析法

根据ETM各波段对水的探测能力，以及遥感找水信息所反映的地物特征，同时还考虑到研究区为中低山区，地形影响较大，为了有效地抑制影响因素的干扰，提取出有用信息，放有针对性地选取多个波段组合，进行比值运算、主成分分析、LHS变换等方法的实验研究。实验结果表明：对l、2、3、4、6/5波段进行主成分分析的效果最好,它既很好地反映出了松散层的地表湿度、水系分布等特征,也较好地揭示了基岩区的含水断裂、裂隙等信息。因此，研究区的遥感找水信息提取，采用对1、2、3、4、6/5进行主成分分析的方法。

主成分分析特征向量矩阵见表1～3。

表1 ETM1、2、3、4、6/5主成分分析特征向矩阵(1988年TM图像)

表2 ETM1、2、3、4、6/5主成分分析特征向矩阵(2000年ETM图像)

表3 ETM1、2、3、4、6/5主成分分析特征向矩阵(2005年ETM图像)

从表1～3可以看出：PC5集中反映了ETM6/5热红外波段的信息，而其他波段的特征向量却很低；PC1主要反映了ETM4波段信息；PC2主要反映了ETM3波段信息；PC3主要反映了ETM1波段信息：PC4主要反映了ETM2波段信息。因此，把PC5作为提取遥感找水信息的最佳变量。

3.2 密度分割

密度分割是遥感信息提取的主要方法之一，它对经过增强处理图像上不同地物的分类效果显著。该方法类似于多级阈值法，即将图像 (或影像)的色调密度分划成若干个等级, 并用不同的颜色分别表示这不同的密度等级,得到一幅彩色的等密度分割图像[3]。

密度分割能够突出某些具有一定色调特征的地物及其分布状态, 有助于识别那些具有均衡密度的面状地物性质、空间分布和数量特征, 在显示环境污染范围, 隐伏构造, 以及寻找地下水等方面有广泛的应用, 并取得较好的效果。

4 地下水动态变化解译

本次主要利用费歇尔准则进行密度分割，即使各分割段的段内离差总和最小，段间离差总和最大，进而划分出不同等级的地下水含水区，包括高含水区、较高含水区、中含水区和低含水区，并分别赋以红、黄、浅黄色和绿色(图2)。

在ArcGIS软件中，利用GIS强大的空间分析功能，将1988年、2000年、2005年含水区分布图进行叠加分析，可以分别得到1988～2000年、2000～2005年、1988～2005年这3个时期内地下水动态变化情况，见图3。从图3可以看出，在1988～2000年期间，红岩煤矿地区的地下水变化情况较大，鱼田堡煤矿地下水存在一定的变化；而在2000～2005年期间，南桐煤矿地下水变化是最大的，其次是砚石台煤矿，总体来说，在1988～2005年，研究区西部地区地下水变化较大，东部地下水变化较小。

图2 多时期遥感地下水含水区分布图

图3 1988～2005年间含水区变化图

5 结论及建议

本文依据3个时期的遥感数据，利用其热红外波段(第6波段)有效探测地下水富集带信息，借助ERDAS和ENVI软件，分别对3个时期的影像数据进行主成分分析、拉伸增强、密度分割等，得到多时期遥感地下水含水区分布图。并利用GIS的强大空间分析功能，将其含水区分图进行叠加分析，得出三个时期的含水区动态变化情况，为地下水储存空间变化规律的实地调查研究提供了依据。

[1] 朱亮璞.遥感地质学[M].地质出版社，2004.

[2] 尹球,匡定波.促进遥感发展的几点思考[J]. 红外与毫米波学报，2007,26(3)：225-231.

[3] 吴德文,张远飞,朱谷昌.遥感图像岩石信息提取的最优密度分割方法[J].国土资源遥感，2002,12(4)：51-54,66.