基于高分辨率遙感技術(shù)的遼寧大孤山鐵礦排土場滑坡災(zāi)害評價

郝大海，姚玉增，關(guān)長慶，付建飛

東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110004

0 引言

滑坡通常指的是斜坡上的土體或巖體在重力作用下沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質(zhì)現(xiàn)象，是一種分布廣泛且能造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡的地質(zhì)災(zāi)害。因此，滑坡監(jiān)測一直是防范和評估災(zāi)害的重要手段。礦產(chǎn)資源是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)，據(jù)不完全統(tǒng)計，中國非煤礦山110 000多座，總產(chǎn)值超過千億元，每年因采礦而排放的廢石量超6億t[1]。隨著中國工業(yè)化的不斷發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求也日益增加，隨之而來的礦山滑坡和塌陷等地質(zhì)災(zāi)害給礦山企業(yè)和周圍居民造成了較大的損失。傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查長期依賴職工舉報、實地調(diào)查和逐級匯報等模式[2]，不僅效率低、時效性差，而且受限于空間范圍小，很難對災(zāi)害預(yù)測、評估等有全方面的掌控。近年來，隨著高分辨率遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，其速度快、時效性強和空間分辨率高等特點，彌補了傳統(tǒng)礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的不足，在追溯礦區(qū)排土場滑坡前形貌、滑坡監(jiān)測及災(zāi)情評價等方面有很大的優(yōu)勢[3]。

礦山排土場中排放的多是松散的巖石，其強度和穩(wěn)定性都不高，另外，一些老礦山的無序排放，導(dǎo)致排土場滑坡災(zāi)害頻頻發(fā)生，造成了大量的人員傷亡、財產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。目前，國內(nèi)對排土場滑坡災(zāi)害的監(jiān)測多采用GPS、土壓力盒和固定式測斜儀等方式[4]，遙感方式的應(yīng)用還較為局限，少量公開發(fā)表的文獻多集中于大型煤礦露天邊坡監(jiān)測[5--7]和礦區(qū)沉陷方面[8]，而排土場滑坡災(zāi)害方面的研究相對更少[9]。因此，筆者采用高分辨率遙感技術(shù)對2010—2014年間遼寧大孤山鐵礦排土場變化情況進行了調(diào)查研究，分析了滑坡體形態(tài)特征及滑坡類型等信息。該研究不僅為大孤山鐵礦區(qū)排土場滑坡災(zāi)害監(jiān)測與評估提供了科學(xué)依據(jù)，也對以后排土場滑坡災(zāi)害的研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

鞍山市礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲量約74億t。城區(qū)周圍分布有六大開采區(qū)域、四大采坑、五大排土場和六大尾礦庫，堆積巖石總量已超過20億t，尾礦排放近10億t[10]。其中大孤山鐵礦位于鞍山市中心南12 km處，礦區(qū)東側(cè)為千山山脈，南側(cè)緊鄰千山區(qū)唐家房村，西處為鐵東區(qū)，北側(cè)為高新區(qū)千山鎮(zhèn)農(nóng)村。礦區(qū)從1916年開始開采，1970年以后轉(zhuǎn)入深凹露天縱向開采，現(xiàn)礦區(qū)總面積約為10 km2，東西長約1 700 m，南北寬1 500 m[11]。礦區(qū)大致分為采礦區(qū)、排土場和尾礦庫(圖1)。

由于大孤山鐵礦長年開采，導(dǎo)致采礦區(qū)礦坑高程持續(xù)下降，與周圍地區(qū)形成巨大的高度落差。利用ASTGTM(分辨率為30 m)DEM數(shù)據(jù)對圖1中所示大孤山礦區(qū)進行三維建模顯示(圖2)。從圖中可以得出礦坑底部與周圍地區(qū)有300 m±的高度落差，且礦區(qū)周圍分布有村莊和農(nóng)田，人口較為密集，一旦發(fā)生滑坡，很可能造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，對礦區(qū)進行滑坡監(jiān)測至關(guān)重要。

圖1 大孤山礦區(qū)GeoEye--1遙感圖像(獲取時間：2013--10--09)Fig.1 GeoEye--1 remote sensing image of Dagushan mining area (acquisition time: 2013--10--09)

圖2 大孤山礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)三維顯示Fig.2 Three-dimensional display of DEM data in Dagushan mining area

2 遙感數(shù)據(jù)選擇與處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

進入21世紀以來，隨著鞍鋼集團對鐵礦資源需求量的大幅增加，大孤山鐵礦排巖量也迅速增長，長時間的持續(xù)排巖導(dǎo)致礦區(qū)排土場南側(cè)和北側(cè)先后發(fā)生了滑坡災(zāi)害。高空間分辨率遙感技術(shù)是獲取排土場歷史數(shù)據(jù)的有效手段，結(jié)合滑坡區(qū)域的實際情況，選用了2010—2014年共5幅高分辨率遙感影像，包括滑坡前和滑坡后。影像數(shù)據(jù)包括WorldView、QuickBird、GeoEye三種類型，數(shù)據(jù)具體獲取時間及全色波段分辨率如表1所示。

表1 遙感數(shù)據(jù)獲取時間及分辨率Table 1 Remote sensing data acquisition time and resolution

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

由于研究區(qū)域涉及不同的時間段和不同的傳感器，故在進行專題信息提取和解譯之前，必須要對所獲取的數(shù)據(jù)進行處理。

①遙感影像的相對幾何校正：由于研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)來自不同時相和不同傳感器，要進行多時相數(shù)據(jù)的對比，就必須以某一時相數(shù)據(jù)為基準，將其他圖像配準到該圖像。選擇2012--10--11 QuickBird影像為基準數(shù)據(jù)，以不變地物點為參考進行空間配準。

②遙感影像融合：圖像融合是將低空間分辨率的多光譜圖像與高空間分辨率的單波段圖像重采樣，生成一幅高分辨率的多光譜圖像。本研究區(qū)域采用Gram--Schmidt Pan Sharpening(GS)融合方法，將遙感真彩色圖像與全色圖像進行融合。融合后的圖像在空間分辨率提高的同時，圖像的對比度也得到了一定程度的改善，利于滑坡災(zāi)害體信息的提取。

③多時相影像歸一化：用歷史遙感數(shù)據(jù)進行變化檢測的問題在于獲取的數(shù)據(jù)通常不是相隔整年的，太陽高度角、方位角和大氣條件等是有變化的，加上本文采用的遙感數(shù)據(jù)也非同一平臺的，故應(yīng)對多時相數(shù)據(jù)進行歸一化以減小或消除這些影響，使其具有與基準影像相同的輻射量級[12]。以2012--10--11 QuickBird遙感數(shù)據(jù)為基準影像，對各時相影像遙感數(shù)據(jù)的對應(yīng)波段進行歸一化。

3 信息提取

3.1 滑坡的遙感解譯標志

滑坡的解譯標志可分為直接解譯標志和間接解譯標志兩類。

直接解譯標志是對滑坡本身進行信息的提取與解譯，主要利用滑坡體的平面形狀特征、顏色特征、紋理特征和地形地貌特征等?；麦w的平面形狀特征是解譯的基礎(chǔ)，主要包括滑坡后壁和滑坡體本身的平面形狀。不同的地質(zhì)體發(fā)生滑坡時所具有的平面形狀是不同的，土質(zhì)類滑坡多呈現(xiàn)馬蹄形、新月形，整體形態(tài)多為橫長式，而巖質(zhì)類滑坡多呈現(xiàn)縱長形或縱橫約等式[13]；滑坡的顏色是區(qū)分地質(zhì)災(zāi)害的重要標志，其顏色與背景影像之間的差異，是解譯滑坡體的關(guān)鍵所在。一般情況下，新發(fā)生滑坡的滑坡后壁土壤或巖石初露，色調(diào)較淺，呈現(xiàn)白或灰白色，而老滑坡體多表現(xiàn)為粉紫色[14]；紋理是圈定滑坡范圍的重要特征，通過顏色和色調(diào)變化表現(xiàn)出的細紋，這種細紋在某一確定的圖像區(qū)域中以一定的規(guī)律重復(fù)出現(xiàn)。發(fā)生滑坡的區(qū)域一般都會出現(xiàn)紋理，在滑坡邊緣會因高度差而產(chǎn)生較明顯的滑坡范圍，且滑坡內(nèi)部會產(chǎn)生與滑坡方向一致的紋理；地形地貌特征有很多種，不同區(qū)域有不同的特征，例如連續(xù)的地貌特征突然被破壞，該破壞處就有可能發(fā)生滑坡。

間接解譯標志主要表現(xiàn)在滑坡體周圍的植物特征和水文特征。滑坡體上覆的植物與周圍植物在光譜特征和樹的種類上有一定的差異，可利用該差異區(qū)分出不同的植物類型，從而間接得出滑坡區(qū)域[15]；水文特征對山地類滑坡有重要的指示作用，不正常的河流改道、變窄、滑坡隱患區(qū)域地表多存在積水等信息，都是滑坡良好的解譯標志。

由于本文發(fā)生滑坡地區(qū)在排土場，周圍多為廢石，無植被覆蓋，也沒有河流等間接解譯的標志，故主要利用直接解譯標志，通過滑坡平面形狀、顏色和紋理進行解譯。

3.2 滑坡的遙感提取方法

目前滑坡信息提取和解譯主要有影像目視解譯和計算機自動獲取兩種方法[16--19]。計算機自動獲取是基于一定算法的地質(zhì)災(zāi)害自動識別解譯方法，效率高，適合大范圍地質(zhì)災(zāi)害的解譯；影像目視解譯是遙感解譯人員根據(jù)遙感影像解譯標志和解譯經(jīng)驗，直接識別目標地物。該方法工作量大，且依賴于解譯人員對滑坡現(xiàn)場的了解程度和解譯經(jīng)驗，比較適合小范圍、高分辨率遙感數(shù)據(jù)。由于本文研究范圍較小，所獲取的遙感影像均為亞米級高分辨率影像，加上滑坡區(qū)所在的排土場時刻都在變化，因此相關(guān)匹配算法較為困難?；谏鲜隹紤]，本文采用人機交互的目視解譯方法，即通過計算機對影像進行適當調(diào)整從而獲取圖像信息的一種操作方式，本質(zhì)上屬于目視解譯的范疇[20]。

本質(zhì)上講，遙感圖像紋理是圖像色調(diào)作為等級函數(shù)在空間上的變化，通常利用某些方法對紋理進行突出顯示。筆者采用概率統(tǒng)計濾波的方法圈定了不同時相廢石堆的精確邊界，作為動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)。

色調(diào)是各地物輻射亮度強弱在影像上的表現(xiàn)，密度分割法可以對輻射亮度進行分層顯示，從而突出不同區(qū)域輻射亮度之間的差異。根據(jù)這一特點，筆者采用密度分割法來區(qū)分滑坡區(qū)域與背景區(qū)域在色調(diào)上的差異，從而圈定滑坡具體范圍。

4 結(jié)果與分析

4.1 排土場南側(cè)廢石堆變化范圍

綜合前面的信息提取與遙感解譯結(jié)果，對大孤山鐵礦區(qū)2010—2014年共5幅亞米級遙感影像進行處理，并圈定了排土場南側(cè)發(fā)生滑坡廢石堆的范圍(圖3)。

由圖3可分析出，從2010年到2012年，廢石堆占地面積整體呈逐漸擴大趨勢，高度也有明顯變化；2013年影像則發(fā)生較大的變化，廢石堆東南側(cè)發(fā)生了明顯的滑坡；至2014年底，滑坡區(qū)的廢石堆已經(jīng)清理完畢。

為了清楚展示廢石堆逐年變化的動態(tài)情況，以2012年10月11號QuickBird遙感影像為底圖，在廢石堆周圍選取三不變地物點作為地面控制點，將2010—2013年廢石堆東南側(cè)邊坡范圍疊加在底圖上(圖4)。黃色虛線為2012年10月11號廢石堆東南側(cè)邊界范圍，文中以此作為其他時相邊界分析的基準線。由圖4可看出，從2010年至2013年，廢石堆的范圍向南不斷外擴，邊界外擴達十余米。2014年滑坡體已經(jīng)被清理完畢，廢石堆形貌發(fā)生了巨大變化，此時與其他時相的影像已難以直接對比，筆者將其相對距離計為0(表2)。

圖4 廢石堆東南側(cè)邊界變化(底圖：2012--10--11 QuickBird圖像)Fig.4 Changes of southeastern boundary of waste rock pile (Basemap: 2012--10--11 QuickBird image)

表2 廢石堆面積和東南側(cè)邊界變化Table 2 Area of waste rock pile and changes of its southeastern boundary

4.2 排土場南側(cè)滑坡面形狀與滑坡規(guī)模

滑坡多沿某剪切破壞面進行滑動，即滑坡面?；旅娑嘁灶伾?、色調(diào)及特殊紋理等表現(xiàn)出來。對滑坡后遙感圖像進行密度分割來增強滑坡面信息，進而圈定了滑坡的具體范圍(圖5b)：滑坡區(qū)域呈長約140 m、寬約87 m的橫長形，滑坡面的面積約為15 000 m2，滑坡內(nèi)部紋理呈直線形，而未發(fā)生滑坡區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則樹枝狀紋理。2012年廢石堆尚未發(fā)生滑坡，其西南面紋理較粗糙，東南面紋理平滑且色調(diào)較淺，與周圍廢石形成鮮明的高度落差，為滑坡的隱患區(qū)域(圖5a)。

廢石類松散堆積物的堆積高度直接影響了其在地表斜坡的穩(wěn)定性，而滑坡前后高程的變化則是滑坡規(guī)模的直接體現(xiàn)。本文采用的2012--10--11與2013--10--09兩幅影像獲取時間恰好在廢石堆滑坡前和滑坡后，獲取時間均為十月份下午兩點，適于滑坡前后排土場高程的對比研究(圖5)。

田新光等[21]利用QuickBird影像研究建筑物高程時，提出了一種基于高空間分辨率遙感影像和地物陰影來估算地物高程的模型。利用該模型估算出2012和2013年廢石堆相對高度(相對于廢石堆底部)分別約為35 m和25 m ，滑坡前后高度相差約10 m，由高度差和滑坡面形狀可得出該滑坡為楔形體滑坡，體積約為61 000 m3，屬于小規(guī)?；隆?/p>

(a) 2010--10--28;(b) 2011--8--23;(c) 2012--10--11;(d) 2013--10--9;(e) 2014--12--12。圖3 2010—2014年排土場南側(cè)廢石堆變化情況Fig.3 Changes in waste rock piles on southern side of dump from 2010 to 2014

(a) 2012--10--11; (b) 2013--10--9。圖5 廢石堆滑坡前后對比圖Fig.5 Comparison of before and after waste rock pile landslide

4.4 排土場南側(cè)滑坡類型

排土場滑坡類型主要有3種，排土場內(nèi)部滑坡、排土場與基底接觸面滑坡和排土場基底軟層滑坡[22]。由于南側(cè)滑坡面出露在邊坡的不同高度，其上部陡、下部緩，形似拋物線，表明滑坡應(yīng)屬于排土場內(nèi)部滑坡類型。該類型滑坡往往是由于排土場上覆巖石增多，受大氣降雨或地表水浸潤等外在因素影響，其內(nèi)部會出現(xiàn)孔隙壓力的不平衡和應(yīng)力集中區(qū)，孔隙壓力降低了潛在滑動面上的摩擦阻力，從而導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生。由于遙感可獲取的信息有限，推測該滑坡產(chǎn)生原因是廢石堆積過多導(dǎo)致上覆巖石應(yīng)力改變所致。

4.5 排土場北側(cè)滑坡研究

由于南側(cè)滑坡為小型滑坡且沒有造成礦區(qū)設(shè)備和人員的損失，故該滑坡相關(guān)記錄較少。為了驗證上述遙感評價方法的準確性，對有記錄的北側(cè)大型滑坡進行研究。

在影像范圍內(nèi)的排土場北側(cè)，2014--11--12發(fā)生了一起大規(guī)模的滑坡災(zāi)害?；聟^(qū)域位于排土場北側(cè)邊坡，其北側(cè)為混凝土攪拌站，南側(cè)緊鄰尾礦庫，東側(cè)為黃子嶺村，西側(cè)為大孤山選廠?；聟^(qū)域在2010—2013年間無明顯變化，至2014--12--12日影像可看出，排土場發(fā)生了明顯變化(圖6)。按照前面研究方法圈定了滑坡范圍：該滑坡體整體呈扇形，滑坡邊界由南向北推進約295 m，兩側(cè)推進約208 m，滑坡面積約315 000 m2，滑坡寬約504 m。由于圖中無陰影信息，所以無法獲取高程變化和滑坡體積。根據(jù)礦區(qū)災(zāi)情通報(1)鞍山市大孤山鐵礦排巖場北部邊坡滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查簡報[C].鞍山：鞍鋼集團大孤山鐵礦， 2014.及相關(guān)媒體報道[23]，該滑坡實際面積約為323 000 m2，寬約500 m，向北推進約300 m，兩側(cè)推進約200 m，影像估算結(jié)果與滑坡實際情況吻合較好，說明該遙感評價方法可靠性較好。

(a) 2013--10--09;(b) 2014--12--12。圖6 排土場北側(cè)滑坡前后對比圖Fig.6 Comparison of before and after landslide on nouthern side of dump

5 結(jié)論

(1)以多源、多時相高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用人機交互的目視解釋方法，對遼寧省大孤山鐵礦區(qū)排土場內(nèi)滑坡災(zāi)害進行了分析：排土場南側(cè)小型滑坡面積約15 000 m2，高度變化約10 m，體積約61 000 m3；北側(cè)大型滑坡面積約為315 000 m2，寬約504 m，滑坡體由南向北滑移約295 m，兩側(cè)延伸約208 m，該遙感分析結(jié)果與滑坡實際情況相吻合。

(2)研究結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的研究手段，高空間分辨率遙感技術(shù)可以充分發(fā)揮其多時相動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，通過對滑坡前后排土場的遙感解譯，可有效識別排土場滑坡，并為礦山排土場滑坡災(zāi)害的監(jiān)測及災(zāi)情評估等提供基礎(chǔ)資料。