杜瑞玲，趙志芳，洪友堂，南竣祥

(1.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2.云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 650091)

安寧磷礦區(qū)基于3S技術(shù)的礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患三維判識(shí)

杜瑞玲1，趙志芳2，洪友堂1，南竣祥1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2.云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 650091)

以云南省安寧磷礦區(qū)為例，基于3S技術(shù)構(gòu)建三維模型，在ArcGIS軟件中利用高分辨率遙感圖像建立礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患三維判識(shí)標(biāo)志，圈定并量算出地質(zhì)災(zāi)害隱患體及影響對(duì)象的范圍，實(shí)地了解并驗(yàn)證地質(zhì)災(zāi)害隱患信息的可靠程度，取得的成果為礦山企業(yè)和相關(guān)管理部門提供了基礎(chǔ)信息和決策支持，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3S技術(shù);礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患;三維判識(shí)

0 引言

近年來，3S(RS，GIS和GPS)技術(shù)被許多地學(xué)工作者應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與研究領(lǐng)域，并日漸成為地質(zhì)災(zāi)害研究不可或缺的工具。目前，隨著全國礦山遙感調(diào)查監(jiān)測工作的推進(jìn)，分辨率優(yōu)于4 m的高分辨率遙感數(shù)據(jù)(以下簡稱高分遙感數(shù)據(jù))已在礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用?；诙S平面的專業(yè)知識(shí)背景的目視解譯或人機(jī)交互遙感解譯技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，同時(shí)，3S三維可視化技術(shù)亦在地學(xué)領(lǐng)域有所應(yīng)用，如羅真富等利用遙感三維解譯全方位觀察泥石流溝谷以及相關(guān)的地形地貌［1］;高山等通過建立三維可視化工程地質(zhì)模型，勘查向莆鐵路高蓋山隧道工程［2］;戴曉愛等利用高精度DEM建模實(shí)現(xiàn)云南騰沖駝峰機(jī)場的遙感圖像三維可視化，快速準(zhǔn)確地分析地形和計(jì)算土石方填挖量，取得了較好效果［3］。

分析總結(jié)以往地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查監(jiān)測工作，筆者認(rèn)為在以下方面還仍存在不足:①地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯大多基于中、低分辨率遙感數(shù)據(jù)的二維平面圖像進(jìn)行，這導(dǎo)致解譯結(jié)果圖中地質(zhì)災(zāi)害體(或地質(zhì)災(zāi)害隱患)與周圍地理(地質(zhì))環(huán)境之間的關(guān)系不符合人們視覺習(xí)慣的直觀認(rèn)識(shí)，缺乏有效的結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害(或地質(zhì)災(zāi)害隱患)微地貌進(jìn)行綜合研究，尤其對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的定量化研究不足［4］;②三維可視化技術(shù)應(yīng)用面相對(duì)較窄，已開展的工作主要集中在對(duì)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害及其災(zāi)情的三維信息提取方面，對(duì)尚未發(fā)生的、對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)存在較大危脅的地質(zhì)災(zāi)害隱患信息的提取則較少涉及。

基于此，本文以安寧磷礦區(qū)為例，采用World-View2、SPOT5等高分遙感數(shù)據(jù)，將3S技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害隱患三維判識(shí)及定量信息提取研究，以期為礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患的快速判識(shí)提供方法示范，為礦區(qū)防災(zāi)減災(zāi)等工作提供基礎(chǔ)信息及決策支持。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源概況

1.1 研究區(qū)概況

選擇云南省安寧磷礦區(qū)為研究區(qū)。該礦區(qū)地處滇中昆明盆地西南側(cè)，以中山山地、高原盆地分布為主，平均海拔2 000 m。區(qū)內(nèi)交通較便捷，穿過礦區(qū)的縣級(jí)公路向多個(gè)方向延伸，可與國道及高速公路相接。

區(qū)內(nèi)礦山企業(yè)眾多，且多為小型規(guī)模、集體和私營企業(yè)，以磷礦、石灰?guī)r礦開采為主。大型國有磷礦企業(yè)對(duì)礦山開發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害及隱患大多采取了一定防御措施;但小型磷礦與采石場由于開采難度低、規(guī)模小，個(gè)體私營企業(yè)主及相關(guān)部門對(duì)采礦引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害隱患尚未有足夠的重視［5］。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究涉及數(shù)據(jù)源有高分遙感數(shù)據(jù)(RS)、采礦權(quán)數(shù)據(jù)(GIS)、野外查證數(shù)據(jù)(GPS)以及地形、地理、地質(zhì)等資料。

RS數(shù)據(jù)主要包括2010年12月18日獲取的WorldView2衛(wèi)星數(shù)據(jù)(分辨率:全色0.46 m，多光譜1.8 m)，2010年5月5日獲取的 SPOT5衛(wèi)星數(shù)據(jù)(分辨率:全色2.5 m、多光譜10 m)。為了能夠精確、充分地挖掘遙感數(shù)據(jù)中所包含的礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患信息，以1973年測制的1∶5萬地形圖為基準(zhǔn)，利用1∶5萬DEM數(shù)據(jù)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正;將SPOT5全色波段數(shù)據(jù)與多光譜波段數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，采用B3(R)，B2(G)，B1(B)波段組合生成模擬真彩色遙感影像圖。地圖投影方式為高斯克呂格，6度分帶18帶投影。影像地圖上隨機(jī)抽取地物點(diǎn)的平面位置中誤差不大于0.50 mm，可滿足高精度礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患信息判識(shí)的要求。數(shù)據(jù)為img格式。

GIS數(shù)據(jù)主要為地形、地理及采礦權(quán)數(shù)據(jù)資料，地形、地理數(shù)據(jù)以1973年測制的1∶5萬地形圖為基準(zhǔn)，生成1∶5萬DEM高程數(shù)據(jù)，并獲取居民地、道路、交通等數(shù)據(jù);采礦權(quán)數(shù)據(jù)則主要來自云南省國土資源廳，截止時(shí)間為2010年5月，其中包括礦山名稱、開采礦種等屬性。數(shù)據(jù)為shp格式。

GPS數(shù)據(jù)主要為野外查證資料，為2010年7月及2011年1月采用手持式GPS(誤差小于5 m)所測定的野外觀察點(diǎn)位置等數(shù)據(jù)，另外還包括觀察點(diǎn)地理、地形地貌、災(zāi)害隱患及險(xiǎn)情的野外照片、野外記錄表等。數(shù)據(jù)為shp格式。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 研究流程

本次研究采用ArcGIS平臺(tái)，利用RS和DEM等資料，疊加礦權(quán)數(shù)據(jù)，基于3S技術(shù)建立三維礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患判識(shí)標(biāo)志，綜合分析研究礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患，并采用GPS進(jìn)行野外實(shí)地測量驗(yàn)證地質(zhì)災(zāi)害隱患判識(shí)的可靠程度。主要研究內(nèi)容包括:

1)利用ArcGIS軟件，從研究區(qū)礦山主要為磷礦、鐵礦及砂石料露天開采方式的特點(diǎn)出發(fā)，建立礦山開發(fā)地物解譯標(biāo)志，提取研究區(qū)與礦山開發(fā)相關(guān)的地物類型(活動(dòng)開采面、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物等)及其分布位置、面積范圍等信息;

2)利用ArcGIS軟件中的空間分析工具，基于DEM數(shù)據(jù)生成坡度、坡向圖，為后續(xù)三維判識(shí)地質(zhì)災(zāi)害隱患時(shí)粗略查詢隱患體發(fā)育部位的坡度、坡向奠定基礎(chǔ);

3)在ArcGlobal平臺(tái)上，依次疊加遙感影像、地理、DEM、坡度、坡向、地質(zhì)及礦權(quán)等基礎(chǔ)資料，利用三維可視化技術(shù)生成三維遙感影像圖，根據(jù)遙感影像上地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)背景條件(包括礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患賦存的條件，物源－堆積物厚度與分布，孕災(zāi)地質(zhì)體的地貌部位、植被發(fā)育狀態(tài)、地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、周邊相關(guān)地物等)的形態(tài)、色調(diào)、影紋結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合人類工程活動(dòng)即礦山開發(fā)狀況，建立礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患三維解譯標(biāo)志;綜合分析判識(shí)地質(zhì)災(zāi)害隱患物源及可能的隱患類型、影響對(duì)象;圈定并精確量算出地質(zhì)災(zāi)害隱患體的長度、寬度和面積，通過DEM估算出其高度;圈定災(zāi)害可能影響范圍(公路掩埋長度、村莊損毀面積、建筑損壞數(shù)量等);

4)選取典型地區(qū)進(jìn)行GPS野外查證，了解地質(zhì)災(zāi)害隱患發(fā)育的位置、類型是否正確，進(jìn)一步目估隱患體的平均高度，完善地質(zhì)災(zāi)害隱患體的規(guī)模信息;了解該區(qū)的交通、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等狀況，驗(yàn)證并估算地質(zhì)災(zāi)害隱患可能造成的損失狀況，如公路掩埋長度、建筑中容納人數(shù)等，評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害隱患險(xiǎn)情。

研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖Fig.1 Study flow chart

2.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患三維判識(shí)

本次研究的對(duì)象不涉及自然發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害隱患，均為由礦山開發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害隱患，即指那些具備了災(zāi)害發(fā)生所需要的一些條件但尚未達(dá)到臨界狀態(tài)，在二維遙感圖像上與礦山特定地物(采場、固體廢棄物等)密切相關(guān)，但其組成要素不能清晰判識(shí)，需要通過三維技術(shù)構(gòu)建一系列孕災(zāi)背景條件等的間接解譯標(biāo)志，進(jìn)行判識(shí)、推斷的礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患體。下文分述研究區(qū)幾種主要地質(zhì)災(zāi)害隱患類型的三維判識(shí)標(biāo)志。

2.2.1 崩塌隱患

研究區(qū)內(nèi)的建筑石材類礦山主要是以爆破的方式進(jìn)行開挖，這往往會(huì)造成坡體巖石破碎，坡體內(nèi)積存的彈性應(yīng)變能釋放，巖體內(nèi)應(yīng)力場重新分布，產(chǎn)生卸荷裂隙。此類裂隙大多呈張開特征，且平行于邊坡面，坡度一般大于60°，并會(huì)進(jìn)一步加劇巖體原有裂隙的擴(kuò)展和張開，從而導(dǎo)致巖體可能會(huì)在重力作用下失穩(wěn)而急劇坍塌形成崩塌災(zāi)害。此類潛在的崩塌災(zāi)害險(xiǎn)情稱之為崩塌隱患。

在三維模擬真彩色高分遙感圖像上，結(jié)合采礦權(quán)分布情況，可清晰識(shí)別出開采面。該類開采面多位于采礦權(quán)包含的山體邊坡，上無植被覆蓋，呈灰色色調(diào);巖石破碎，紋理粗糙;開挖破碎巖石下方懸空，無擋護(hù)設(shè)備。在高分遙感數(shù)據(jù)如WorldView2圖像上可清晰看到，開挖面前后方都存在爆破開挖形成且沿山坡坡體分布的卸載裂隙。因衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時(shí)太陽光入射角度的關(guān)系，陡坡開挖面往往存在陰影，而且陰影越深表明開采面越陡峻。結(jié)合利用地質(zhì)資料及前期制作的DEM坡度、坡向圖進(jìn)一步判斷，凡開挖面處地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，開挖面坡度大于60°時(shí)，在重力作用下開挖面上的巖石易失穩(wěn)塌落。此類開采面則視為崩塌隱患［6］(圖2)。

圖2 崩塌隱患Fig.2 Hidden danger of landslip hazard

另外，建筑石材開發(fā)利用的開采設(shè)備和礦山建筑多位于開采面下方，紋理比較清晰，形狀規(guī)則，容易直接判識(shí)，這也是輔助識(shí)別上方開采面的重要間接標(biāo)志。同時(shí)，通過地物所處的方位關(guān)系分析，判斷上方崩塌隱患將對(duì)下方的開采設(shè)備、礦山建筑造成危脅。通過三維圖像上定量提取的礦山設(shè)備、礦山建筑物數(shù)量，并結(jié)合礦山開采規(guī)模估算礦山建筑中可能居住的工人數(shù)量，并通過野外查證補(bǔ)充調(diào)查數(shù)據(jù)等，最終評(píng)估出崩塌隱患可能導(dǎo)致的災(zāi)情。

2.2.2 泥石流隱患

泥石流是在斜坡上或溝谷中由急速地表徑流激發(fā)的飽含泥砂、石塊等固體碎屑物質(zhì)，并具有強(qiáng)大破壞力的特殊洪流所造成的災(zāi)害，是山區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。按溝谷地貌形態(tài)可分為溝谷型泥石流和坡面型泥石流兩大類［7］。研究區(qū)磷礦及部分砂石料的開發(fā)多沿溝谷兩側(cè)山坡開挖，部分礦山經(jīng)營者為追求利益的最大化，將剝離的表土和產(chǎn)生的廢石等就地堆存于所在溝谷的上游，而不運(yùn)往排土場，如遇特大暴雨、洪水時(shí)，這些堆存的廢土、廢石將與水體混合并沿溝谷、山坡流動(dòng)形成泥石流［8］，給溝口的道路、居民點(diǎn)、耕地、建筑物、礦山生產(chǎn)設(shè)備及人員帶來嚴(yán)重?fù)p失。此類潛在的泥石流災(zāi)害險(xiǎn)情稱為泥石流隱患。

研究區(qū)內(nèi)磷礦及部分砂石料礦山在溝谷上方就地堆存的大量廢土、廢石為泥石流形成提供了充足的物源。通常這些堆放在溝谷上游的堆積物呈漏斗狀、勺狀或橢圓狀，環(huán)山谷分布，結(jié)構(gòu)松散，紋理較為細(xì)膩，表面幾無植被覆蓋;堆積體的下方一般無擋護(hù)措施，并有次級(jí)溝槽發(fā)育。從三維影像圖上目估以及從坡度坡向圖上可知，這些溝谷坡度大多大于25°，可為泥石流形成和傾瀉提供流通通道。溝口出山處則由于地形變緩，泥石流攜帶的物質(zhì)開始堆積，形成泥石流堆積扇。如礦山開發(fā)地的溝谷具備以上所述的“物源、流通通道、堆積區(qū)”3個(gè)條件，泥石流便有可能形成，即可判識(shí)存在泥石流隱患。

顯然，在三維遙感圖像(圖3)及DEM圖上可以量測出泥石流隱患的長度、寬度、高度，進(jìn)而推測出其規(guī)模。假如一旦發(fā)生泥石流，溝口的礦山道路、農(nóng)田、礦山建筑等將受到危害，而這些地物有其自身的形態(tài)、色調(diào)、影紋等特征可被識(shí)別，其分布位置、面積、規(guī)模等定量數(shù)據(jù)亦可從三維影圖像上量算;再結(jié)合野外查證，核實(shí)農(nóng)田作物生長態(tài)勢、礦山建筑可容納人數(shù)等資料，最終可估算出泥石流隱患對(duì)農(nóng)田、道路、礦山建筑、人員等可能造成的損失情況。

圖3 泥石流隱患Fig.3 Hidden danger of debris flow hazard

2.2.3 滑坡隱患

斜坡上的部分巖、土質(zhì)，在重力作用下，沿著斜坡內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)較弱面產(chǎn)生整體向下滑移的現(xiàn)象稱為滑坡［9］?；率巧絽^(qū)最重要的地質(zhì)災(zāi)害之一。礦山開發(fā)所形成的大量堆積物的下方如具備一定的滑動(dòng)斜面，又無任何擋護(hù)設(shè)備時(shí)，在重力作用下極易失穩(wěn)，可能形成滑坡災(zāi)害，稱之為滑坡隱患。這種隱患對(duì)其下方的居民點(diǎn)、建筑物、道路、生產(chǎn)設(shè)施等具有重大威脅。

研究區(qū)內(nèi)鐵礦開采過程中產(chǎn)生的大量松散固體廢棄物，如碎石、礦渣等，常常就地沿山坡堆放，為滑坡災(zāi)害的形成提供了物源。在三維遙感圖像上這些堆積物多呈為紫色色調(diào)(圖4)，結(jié)構(gòu)疏松，紋理較較周圍地物細(xì)膩而連續(xù)，多呈上陡、中緩、下陡形態(tài)，上部邊緣常顯上凸的弧形，表面上幾無植被覆蓋，下方多無擋護(hù)設(shè)備。結(jié)合DEM資料、坡度坡向圖及地質(zhì)資料可知，固體廢棄物的堆放坡度多在10°～45°范圍，而且部分地段下墊地層的產(chǎn)狀亦向下方傾斜，具有較好的滑動(dòng)面條件，在強(qiáng)降雨等誘發(fā)下易于形成滑坡。另外，在三維遙感圖像上可通過滑坡形態(tài)等預(yù)測和估算出可能發(fā)生的滑坡的影響范圍;根據(jù)影響范圍內(nèi)各類地物的形態(tài)、色調(diào)、影紋、結(jié)構(gòu)等影像特征識(shí)別出可能受災(zāi)地物的類型，獲得其位置、長度、面積等量化信息;進(jìn)一步結(jié)合野外查證資料，最終完成對(duì)滑坡隱患險(xiǎn)情的評(píng)估。

圖4 滑坡隱患Fig.4 Hidden danger of landslide hazard

2.3 調(diào)查結(jié)果

依據(jù)以上災(zāi)害隱患三維判識(shí)標(biāo)志，獲知研究區(qū)由礦山開發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害隱患共計(jì)6處。其中4處崩塌隱患，2處滑坡隱患。各處地質(zhì)災(zāi)害隱患可造成的險(xiǎn)情如表1所示。

表1 礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of mine geological disaster hazard

3 結(jié)論

1)利用GIS軟件疊加高分辨率遙感影像和DEM的三維可視化技術(shù)，可較好地彌補(bǔ)二維技術(shù)中不能實(shí)現(xiàn)的三維立體再現(xiàn)，彌補(bǔ)了二維技術(shù)不能獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患發(fā)育高度等定量信息以及無法直觀厘定隱患危脅對(duì)象的方位關(guān)系等不足，能夠快速直觀地獲取研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患相關(guān)屬性及其威脅對(duì)象的定量信息，在山高谷深、交通不便的礦山開發(fā)集中地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查、減災(zāi)防災(zāi)中有著良好應(yīng)用效果及應(yīng)用前景。

2)本次工作以安寧磷礦區(qū)為研究區(qū)，針對(duì)區(qū)內(nèi)主要開發(fā)的建筑石料用灰?guī)r、石灰?guī)r、頁巖和鐵礦，建立了三維遙感圖像解譯標(biāo)志，對(duì)區(qū)內(nèi)6處可能發(fā)生的崩塌和滑坡災(zāi)害點(diǎn)的三維遙感圖像特征及其險(xiǎn)情進(jìn)行了綜合分析，取得了良好效果，不僅為礦山管理部門提供了詳實(shí)的遙感信息，有助于礦山企業(yè)準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害隱患的預(yù)防和治理，也為其他地區(qū)各類礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患的遙感判識(shí)提供了可資借鑒的方法思路。

3)本次研究所建立的三維遙感圖像解譯標(biāo)志受諸多因素的影響尚有一定的局限性。建議不同地區(qū)、不同礦種的礦山在運(yùn)用基于3S的三維可視化技術(shù)研究地質(zhì)災(zāi)害隱患時(shí)，需針對(duì)礦山的區(qū)域地質(zhì)背景、礦種特點(diǎn)、地形地貌條件、開發(fā)方式、固體廢棄物處理狀態(tài)等具體情況，系統(tǒng)地建立最適宜的圖像解譯標(biāo)志。

志謝:感謝王鋒德、毛雨景同學(xué)在數(shù)據(jù)處理及圖版制作方面給予的幫助。

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Three－dimensional Discriminate of Mine Hidden Geological Disaster Based on 3S Technology of Anning Phosphate Area

DU Rui－ling1，ZHAO Zhi－fang2，HONG You－tang1，NAN Jun－xiang1
(1.School of Land Science and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.School of Resource Environment and Earth Science，Yunnan University，Kunming 650091，China)

With the Anning phosphate mine as the study area and on the basis of the existing interpretation of signs，the high resolution remote sensing images and ArcGIS software were used to delineate and calculate the areas of geological disaster and affected objects and verify the correctness or incorrectness of the information in field.This method is highly feasible and has effective visualization，and the results achieved can provide basic information and decision support for mining business owners and relevant authorities.

3S technology;mine hidden geological disaster;three－dimensional identificotion

TP 79

A

1001－070X(2012)02－0138－05

杜瑞玲(1985－)，女，碩士研究生，漢族。主要從事3S技術(shù)應(yīng)用研究方向。E－mail:342895874@qq.com。

趙志芳(1971－)，女，博士，教授，白族。主要從事云南遙感地質(zhì)應(yīng)用研究方向。E－mail:zzf_1002@163.com。

(責(zé)任編輯:李 瑜)

10.6046/gtzyyg.2012.02.25

2011－08－20;

2011－11－25

中國地質(zhì)調(diào)查局“云南安寧、南溫河、富源等礦集區(qū)礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測”項(xiàng)目(編號(hào):1212010911066)。