采煤塌陷积水耕地信息提取方法研究*——以山东省济宁市为例

杨光华 胡振琪 杨耀淇

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所)

煤炭资源是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右，在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变［1］。为保障我国的能源安全，煤炭开采不可避免。“十分珍惜和合理利用每寸土地，切实保护耕地”是我国的基本国策，为保护耕地、保障粮食安全，我国更是执行了世界上最为严格的耕地保护制度，要求坚守1.2亿hm2耕地保护红线不突破。我国煤粮复合面积大，据测算，煤炭资源与耕地资源复合区域面积占我国耕地总面积的40%以上，煤炭保有资源量与耕地资源的复合区域超过了我国耕地面积的10%［2］。近20 a煤炭开采累计破坏耕地69.15万hm2，且每年仍以4万hm2的速度递增，而复垦率仅为12%［3-4］。在高潜水位煤粮复合区，采煤塌陷形成的常年积水或季节性积水，常造成耕地大幅度减产甚至绝产［5］，且常年积水后的耕地复垦开发难度极大，多用于发展渔业和养殖业，从而导致煤炭资源地区耕地面积大量减少，耕地保护压力增大［6］。

快速准确地获取塌陷积水耕地的分布信息是高潜水位煤粮复合区环境综合治理和塌陷地复垦工作的前提［7］。常规的塌陷积水实地测量法工作量大、成本高、时效性低，难以经常组织和快速获取大面积的宏观信息［8］，而遥感技术具有快速、准确、宏观性强、成本低等特点，在塌陷积水区监测与识别方面具有明显的优越性［9-10］。目前已有许多学者利用遥感技术对采煤塌陷地和塌陷积水区开展了相关监测和研究，取得了大量的研究成果。彭苏萍等［7］利用多时相TM图像，提取淮南矿区积水塌陷面积扩展变化信息，为矿区积水塌陷区的监测治理和综合利用提供依据;杜培军等［11］利用Landsat 5 TM多光谱图像开展了GIS技术支持下的采矿塌陷地提取和识别技术;陈龙乾等［12］基于1987、1994和2002年三期TM遥感图像，编制了徐州矿区3个不同时段的土地利用结构变化图，提取并分析了土地利用结构转移变化的矩阵信息和土地利用结构的动态变化;杨圣军等［13］采用Quickbird遥感图像作为基础资料，通过目视判读与计算机自动分类相结合的方法快速提取龙口矿区地面塌陷现状，为矿区环境综合治理提供了可靠的基础数据;李登秋等［14］以ENVISATASAR和TM影像数据为数据源，利用主成分分析、波段运算、密度分割等方法对水体、塌陷区深浅、非积水区、塌陷区不规则边缘、植被覆盖情况进行信息提取，取得了非常好的提取效果;刘欢等［15］利用IKONOS高分辨率卫星影像，在快速、准确地识别红会煤矿区的塌陷群及其细节特征方面取得了良好的效果;李晓霞等［16］以安徽省淮南矿业集团潘三矿区为实验区，用面向对象的分类方法对该地区SPOT5影像进行了塌陷地信息提取实验，有效地从高分辨率遥感影像中自动提取了塌陷地相关信息;王钦军等［17］利用GeoEye高分辨率遥感图像为数据源，对融合图像进行边缘增强和假彩色合成，圈定地面塌陷的边界并提取其相关参数，该方法可以有效地提高面积提取的精度;李亚平等［10］利用1988—2002年6个时相的遥感影像对开滦煤矿的积水动态发展变化规律进行了研究;马诚超等［5］采用RS和GIS相结合的方法，对徐州贾汪矿区1987—2007年煤炭开采过程中形成的塌陷积水区的数量变化、形态特征变化以及破碎度变化特征及其成因进行了研究，研究结论表明采用遥感信息获取和地理信息系统建库的方法是动态监测矿区环境的一种有效手段;范忻等［8］基于2010年TM影像，以淮南矿区潘三煤矿为研究对象，提出了基于改进的P－WSVM方法的矿区积水塌陷地信息提取方法，取得了良好的效果。已有研究表明，低分辨率的遥感数据仅适用于大规模的塌陷地，对规模小或地形比较复杂的塌陷地则无能为力，而高分辨率遥感数据具有丰富的几何结构特征和纹理信息，能够在较小的空间尺度上表征细节变化，能大大提高塌陷地及积水区信息提取的速度和精度，且随着高分辨率遥感影像价格的下降，使得利用高分辨率遥感影像进行采煤塌陷地及积水区的实时动态监测成为必然的研究趋势。

济宁市采煤塌陷地塌陷深度大、积水严重、复垦难度大，在全国都具有典型性和代表性。因此，本研究以济宁市为研究对象，基于GIS技术并利用2009年高分辨率遥感影像，在土地利用现状图、矿井分布图、行政区划图和采煤塌陷地调查统计资料等相关数据资料的支持下，对该市煤炭开采以来至2009年采煤塌陷导致的积水耕地进行快速提取，为地方政府加强塌陷积水耕地的实时准确监测及制定科学治理方案提供科学依据。

1 研究区概况

济宁市位于鲁西南腹地，地处黄淮海平原与鲁中南山地交接地带，地理坐标介于北纬34°26'～35°57'，东经115°52'～117°36'，南北长16 km，东西宽158 km。现辖市中、任城2区，兖州、曲阜、邹城3个县级市以及泗水、微山、鱼台、金乡、嘉祥、汶上、梁山7个县，153个乡镇(街道)。全市土地总面积10 684.9 km2，2009年总人口为843.03万人。济宁市所处的泗河冲积平原土壤肥沃，土地面积占全国的0.11%，耕地面积却占全国耕地面积的0.43%，因而该市是全国和山东省重要的商品粮、棉、油生产基地。

济宁市煤炭储量丰富，境内含煤面积3 920 km2，占全市土地总面积的36.7%。累计查明煤炭资源储量126.88亿t，预测远景资源储量110亿t，2009年底保有资源储量116亿t，占全省保有煤炭资源储量的51.3%，是全国重点规划和建设的14个煤炭生产基地之一。济宁市煤炭开采始于20世纪50年代，到20世纪70年代进入了大规模开采时期，20世纪90年代中期煤炭资源开发进入了迅速发展期，土地塌陷逐渐成为严重的问题。截止到2009年底，境内已有兖州、淄博、枣庄、临沂、肥城、济宁等矿业集团及省属监狱和地方煤矿等10多个大型采煤企业，生产矿井46对，在建矿井9对，闭坑矿井2对，境外矿井9对，年生产能力达8 400万t，2009年生产原煤8 115.0万t，比上年增长2.7%。

济宁煤田地处平原，煤炭资源的主要分布区域除南四湖水域外都是济宁的主要粮、棉、油产区;由于煤层厚、埋藏深，土地塌陷积水较其他矿区更为严重。根据济宁市多年统计数据知:平均每采1万t煤，造成0.27 hm2塌陷地，而且基本上都是优质良田［18］。至2007年底济宁市已累计塌陷土地1.9万hm2，并以每年0.13～0.2万hm2的速度递增(其中常年积水区约占塌陷地总面积的33.50%)，预计2020年达到4.3万hm2，到最终塌陷期达到26.7万hm2，届时，塌陷地面积占全市国土面积的25%，占耕地面积的50%［19］。采煤塌陷常年积水在济宁市表现较为突出，在全国具有典型性和代表性，特别是常年积水区处于粮食高产稳产平原区，对当地农业生产造成了严重破坏。

2 数据来源及数据处理

2.1 资料获取

(1)遥感数据:来源于济宁市国土资源局，包括济宁市中区、任城区、曲阜市、兖州市、邹城市、微山县、鱼台县、金乡县、嘉祥县、汶上县、泗水县、梁山县2区3市7县共计12幅遥感影像，IMG格式，获取时间为2009年8月，其中市中区、任城区影像空间分辨率为1 m，其余3市7县遥感影像空间分辨率为2.5 m。

(2)土地利用现状数据:来源于济宁市国土资源局，比例尺为1∶5万，时间为2009年。

(3)辅助资料:济宁市各煤矿开采计划及规划图、至2009年底采煤塌陷地统计数据由各矿井提供资料，并进行核实;采煤塌陷地治理资料来源于济宁市国土资源局，济宁市行政区划、自然地理、社会经济等数据资料来源于济宁市政府和市直各部门。

2.2 图像处理

研究中收集的济宁市12幅遥感影像，是济宁市第二次全国土地调查的工作底图，济宁市国土资源局已对各区(县)原始航天航空遥感图像资料进行了预处理，包括正射校正、图像融合、图像增强和图像灰度(色彩)归一化处理。本研究利用ERDAS IMAGINE软件Mosaic Images工具对12幅遥感影像进行镶嵌处理，重采样生成济宁市遥感影像1幅，空间分辨率为2.5 m。由于原始影像来源于不同的传感器，镶嵌后的图像存在黑白图像和真彩色图像并存的现象。

2.3 塌陷积水耕地信息提取

2.3.1 塌陷积水区识别

在野外实地考察的基础上，结合塌陷地实地调查汇总和复垦治理统计汇总的资料，以人机交互式解译分析为主要信息提取方法，对济宁市采煤塌陷积水区进行识别和提取。济宁市采煤塌陷积水区主要由2部分组成:一是对采煤塌陷地进行复垦治理后仍为水面的塌陷积水区，现状利用模式多为渔业模式、渔业+养殖业模式或旅游模式，二是未进行复垦治理的塌陷积水区。首先将煤矿地下采区的资料进行坐标配准和坐标系转换，使各矿区与遥感影像资料处于同一坐标系下。在ArcGIS软件平台支持下，以各矿区范围作为参考，可大致圈定塌陷积水区的分布范围;在此范围内，结合各矿井已有调查汇总资料和塌陷积水区的复垦治理情况，以遥感影像信息为基础，通过对影像色调、色彩、纹理、形状、图型［20-21］等不同解译标志的分析，综合确定塌陷积水区的遥感解译标志;以解译标志为基础，对济宁市采煤塌陷积水区进行识别。一般来说，水体在遥感影像上的色调表现为黑色或灰黑色的椭圆形斑块特征，复垦治理后的塌陷积水区在遥感影像上表现为形状和图型较为规则、边缘轮廓线光滑且与周围颜色截然不同等特征，未进行复垦治理的塌陷积水区在遥感影像上表现为形状和图型不规则、边缘轮廓线粗糙不平、周围绿色明显等特征(见表1)。

表1 济宁市塌陷积水区遥感解译标志

2.3.2 塌陷积水耕地提取

在ArcGIS软件平台上，将从遥感影像上提取的塌陷积水分布图与从土地利用现状图中提取的耕地分布图和水体分布图相叠加，综合判定塌陷积水耕地的分布范围。对塌陷积水区与耕地的重叠区域可直接判定为塌陷积水耕地;对塌陷积水区与水体重叠、相交、包含的情况，要剔除由非耕地塌陷形成水体的影响，需要结合采煤塌陷地复垦治理情况，并进行野外实地考察和农户访谈，对与塌陷积水区重叠、相交、包含的水体进行逐个排查，摸清其成因(一是天然水体受塌陷影响;二是耕地受塌陷影响形成水体)，经综合分析后判定塌陷积水区是否由耕地塌陷形成。对初步判读的塌陷积水耕地还需再次进行野外验证及实地勘探详查，对塌陷积水信息提取的可靠性和精确度进行分析，并将最终提取的塌陷积水耕地空间分布和实际面积与国土资源管理部门调查汇总的塌陷积水空间分布和实际面积进行比较分析，核查汇总精确的塌陷积水耕地情况。

3 结果分析

3.1 采煤塌陷积水耕地区域分布

从图1可以看出，济宁市采煤塌陷积水耕地主要分布于济宁市中部的“金三角”地带(曲阜市、兖州市、邹城市结合处)、任城区南部和微山县中部地区，少量分布于鱼台县、金乡县和汶上县。采煤塌陷积水耕地呈不规则分布状态，多是一矿一片或一矿多片，除济宁二号井、济宁三号井、兴隆庄煤矿、鲍店煤矿和东滩煤矿内的塌陷积水耕地连成片外，其余矿井塌陷积水耕地多表现为一矿一片。据调查，比较集中连片、塌陷深度在4～10 m的塌陷积水耕地主要分布于任城区的石桥镇、接庄镇、柳行办事处，兖州市的兴隆庄镇，曲阜市的时庄镇、陵城镇，邹城市的北宿镇、中心店镇、太平镇，微山县的欢城镇、付村镇等11个乡镇。在耕地积水严重的任城区、曲阜市、邹城市、兖州市和微山县境内，煤炭开采历史长，地方政府高度重视采煤塌陷地复垦治理工作，但由于治理的速度远远跟不上塌陷的速度，在已复垦治理的采煤塌陷耕地附近又出现新的塌陷积水耕地，导致耕地资源的大量破坏和耕地数量的减少。

3.2 采煤塌陷积水耕地数量统计

图1 济宁市采煤塌陷积水耕地空间分布(2009年)

自上世纪70年代大规模煤炭开采以来至2009年，济宁市煤炭开采造成的采煤塌陷使得原有耕地资源大量破坏，造成矿区土地数量急剧下降，人地矛盾日益突出，给当地群众的生活及整个济宁市经济的发展带来很大制约。济宁市各地政府也高度重视采煤塌陷地问题，投入大量人力、物力、财力开展采煤塌陷地复垦治理工作，恢复了大量耕地，但由于济宁市矿区多位于高潜水地区，采煤塌陷后地面出现常年积水是不能避免的，同时受复垦技术和复垦资金的限制，采煤塌陷耕地复垦治理后也必然形成一定比例的水面。遥感解译结果表明:济宁市采煤塌陷导致耕地常年积水的面积已经达到4 780.49 hm2(包括境外矿井采煤造成土地塌陷面积，不包括嘉祥县和南四湖底塌陷面积)，占济宁市耕地总面积的0.78%;复垦治理后仍积水的塌陷耕地面积为2 765.09 hm2，占塌陷积水耕地总面积的57.84%;未复垦治理的塌陷积水耕地面积为2 015.40 hm2，占塌陷积水耕地的42.16%(表2)。从各区(县)采煤塌陷积水耕地面积占全市采煤塌陷积水耕地比例来看:邹城市、任城区和兖州市3区(县)采煤塌陷导致耕地严重积水，采煤塌陷积水耕地面积分别为1 224.87 hm2、1 197.39 hm2和962.83 hm2，占全市采煤塌陷耕地比例分别为25.62%、25.05%和20.14%，三者合计占全市采煤塌陷积水耕地面积的70.81%;其次为曲阜市、微山县和鱼台县，三者采煤塌陷积水耕地面积占全市的27.70%;汶上县和金乡县采煤塌陷积水耕地面积小，二者采煤塌陷积水耕地面积仅占全市的1.49%。从采煤塌陷积水耕地占本区(县)耕地比例来看:兖州市和任城区采煤塌陷积水耕地占本区(县)耕地比例在2%以上;其次为微山县、邹城市和曲阜市，占本区(县)耕地比例在1%以上;汶上县和金乡县采煤塌陷积水耕地占本区(县)耕地比例均在0.1%以下。

表2 济宁市采煤塌陷积水耕地面积统计(2009年)

4 结论

本研究基于GIS技术，对济宁市2009年高分辨率遥感图像进行人机交互式解译，准确提取和统计了济宁市采煤塌陷积水耕地的空间分布和面积，并对提取结果进行了精度分析，结果表明采用遥感信息获取和GIS空间分析相结合的方法可为矿区政府实时掌握煤炭开采导致耕地损毁情况、科学制定采煤塌陷积水耕地复垦治理方案提供可靠的基础资料，该方法是实时准确监测矿区环境的一种有效手段。同时，本研究通过高分辨率遥感影像和各矿井上报的常年积水范围的空间叠加，对各矿井上报数据进行了快速准确的复核，有效地纠正了各矿井的错报、虚报数据，为各地政府制定复垦治理方案提供了数据质量保证。但是，到2009年济宁市还有42.16%的塌陷积水耕地未得到高效利用，地方政府还需加强此部分积水耕地的复垦治理，提高土地的经济产出率和可持续利用能力。

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