本文以山西省高平地区为研究区。该区位于山西省东南部, 晋城市的北部, 属山西省晋城市管辖, 其范围包括: 高平市大部分区域、泽州县和陵川县的少部分区域。区内交通便利, 太(原)焦(作)铁路、207国道、长(治)晋(城)高速公路南北贯通。周边为侵蚀剥蚀低中山区, 海拔在1 000~1 500 m之间。该区属黄河水系, 主要河流为丹河, 主要流向和水系排列受地质构造, 特别是新构造运动形成的地貌条件所控制, 流向多为近南北向。本区位于沁水煤田东南部, 煤炭资源丰富, 是我国重要的优质煤产地之一, 煤炭开采历史悠久。除此之外, 还有井下和平硐的铁矿开采, 以及规模很大的石灰岩露天开采。研究区全境地貌处于高平市及陵川县西部的低山丘陵及河谷区, 外围东、西、北3面环山, 见图1。

图1

Fig.1

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	图1 工作区交通位置图(TM镶嵌图)Fig.1 Traffic location diagram of work area(TM mosaic )

本次调查选取了覆盖全区的ZY1-02C卫星P/MS和HR数据, 获取时相为2014年6月。利用空间分辨率为30 m的数字高程模型(digital elevation model, DEM)对ZY1-02C影像数据进行了正射纠正处理, 利用1∶ 5万地形图对该区域进行了几何精校正。选用B2(R), B3(G), B1(B)波段组合合成了假彩色影像, 同时与全色波段可融合成空间分辨率为2.36 m的假彩色影像。处理后的影像色彩丰富, 对地物的判别度有了较大提高。

区内环境破坏及污染情况信息提取主要内容包括: 矿山开采情况信息提取、冶炼厂分布及污染情况信息提取、生活和工矿活动产生的固体废弃物堆放情况信息提取等。

2.1.1 环境破坏信息提取

1)矿山开采情况信息提取。按照开采方式, 可以分为地下开采、硐采和露天开采等。

地下开采信息提取。研究区位于沁水煤田南部, 煤矿资源丰富, 是我国重要的优质煤产地之一, 煤炭开采历史悠久。分布煤矿32座, 这些煤矿多数已经开采多年, 并且全部都是地下开采。煤矿地下开采分为斜井开采(图3)和竖井开采(图4)2种, 其色调与周围环境有显著差异, 呈灰黑色, 其开采地表周围有一些开采设备和建筑。

图3

Fig.3

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	图3 煤矿地下开采(斜井)遥感影像特征Fig.3 Remote sensing image features of underground mining (inclined shaft)

图4

Fig.4

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	图4 煤矿地下开采(竖井)遥感影像特征Fig.4 Remote sensing image features of underground mining (shaft) in coal mine

硐采开采信息提取。区内硐采类型主要有山西式铁矿和铝土矿2种, 根据收集的采矿权范围, 基本没有持证开采的铁矿和铝土矿, 其规模较小, 在影像上分布比较分散, 颜色较浅发亮, 且数量很多, 一般呈窝状, 而且大部分已经废弃多年, 对周围山体环境破坏比较严重(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 废弃的硐采铁矿开采遥感影像特征Fig.5 Remote sensing image features of abandoned pit iron ore mining

露天开采信息提取。区内露天开采的类型大部分为石灰岩开采, 其开采面色调与周围环境有显著的差异, 多呈灰白色, 开采面一般分布在山坡上, 规模较大, 整体呈带状或锯齿状分布, 并有大量的挖掘和运输机械, 有明显的人工开采挖掘痕迹, 地处奥陶系或寒武系石灰岩地层山区。对周围山体的生态环境造成了巨大的破坏, 有的整个灰岩山体被挖掘破坏(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 露天开采石灰岩开采面遥感影像特征Fig.6 Remote sensing image features of opencast mining limestone face

2)固体废弃物堆放信息提取。一般分为工业产生的固体废弃物和生活垃圾废弃物。区内工业固体废弃物主要以开采过程中产生的煤矸石堆、废石场、排渣场和排土场等为主。区内煤矿较多, 与煤矿有关的煤矸石废弃物堆积(图7)较多, 色调与周围环境差异明显, 多呈黑色和灰黑色, 形状呈圆形、矩形、多边形等不规则状, 表面有花斑状纹理, 多位于交通较为便利的地段, 有明显的道路和车辆。生活产生的固体废弃物以生活垃圾为主, 一般较周围环境呈浅色调, 形状呈不规则状, 表面也有花斑纹理, 图8是该区内大型的垃圾填埋场, 为了减少对周围环境的影响, 已经在垃圾表面加盖了塑料薄膜, 所以在遥感影像上表现为亮色调。

图7

Fig.7

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	图7 煤矸石固体废弃物遥感影像特征Fig.7 Remote sensing image features of the coal gangue

图8

Fig.8

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	图8 大型生活垃圾填埋场遥感影像特征Fig.8 Remote sensing image features of large scale MSW landfill

2.1.2 环境污染信息提取

1)冶炼厂的污染占地情况信息提取。区内冶炼厂主要以水泥厂、煤化工厂、铁厂和化工原料厂等为主。其遥感影像上的色调与周围环境明显不同, 多呈灰色, 形状呈不规则状, 呈矩形、多边形, 与居民地建筑物的解译标志相似, 但远离居民地, 位于交通便利地段, 有明显的建筑群、道路和排污水渠, 由于冶炼厂加工原料以烧煤为主, 所以图斑中混杂着煤堆呈黑色调, 并伴有浓烟, 使整个图斑模糊不清。图9为煤化工厂, 是对煤的再加工, 生产过程中需要对煤进行冶炼, 会产生废气和废水。

图9

Fig.9

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	图9 煤化工污染遥感影像特征Fig.9 Remote sensing image features of coal chemical pollution

图10为提炼糠醛(一种化工原料)的厂房, 其生产过程中产生大量的有毒气体和废水。这些冶炼厂都对环境造成了严重的影响, 通过遥感高分辨率的影像能够清楚地提取该类信息, 明确其位置和分布。

图10

Fig.10

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	图10 糠醛冶炼污染遥感影像特征Fig.10 Remote sensing image features of furfural smelting pollution

2)矿山对土壤的污染信息提取。主要是煤炭运输过程中对周边的土壤造成的粉尘污染, 在影像上为黑灰色, 并且一般分布在道路的两侧, 离煤矿、中转站、煤矸石堆不远的地方, 色调为黑灰色, 比煤矸石堆色调浅, 比周围地物的影像色调暗(图11)。

图11

Fig.11

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	图11 矿山土壤污染遥感影像特征Fig.11 Remote sensing image features of soil pollution in mines

3)矿山对水体的污染信息提取。主要是煤炭加工、砖厂烧制、冶炼厂生产过程中造成的对附近水体的污染, 在影像上色调表现为黑灰色, 并且一般分布在洗煤厂、砖厂、冶炼厂、煤矸石堆等附近, 有的直接污染地表水体, 形成污水坑塘; 有的地表水体被附近堆放的煤矸石堆所污染; 有的直接排污到河流水渠里, 对地表水和地下水体造成污染(图12)。

图12

Fig.12

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	图12 冶炼厂排污口遥感影像特征Fig.12 Remote sensing image features of sewage outfall in smeltery

研究区地质灾害形成主要与煤矿开采有关, 另外, 还有井下和平硐的铁矿开采, 以及规模很大的石灰岩露天开采。它们不仅大量占用土地, 对生态环境造成严重影响; 另外还会引发地质灾害, 如地表塌陷及地裂缝、采空塌陷、崩塌、滑坡等, 对周围环境造成严重的破坏, 并且直接威胁人类生存。

1)崩塌信息提取。区内崩塌主要发生在高陡自然边坡和人工切坡地段。崩塌陡崖色调较浅, 接近灰白色, 与周围环境有显著差异, 呈花斑状, 表面坎坷不平, 影纹较为粗糙, 植被较外围稀少, 位于陡峻的山坡地段, 崩塌壁在斜坡上呈条带状, 在平面上呈锯齿状, 其下方杂乱的崩塌堆积物在影像上呈花斑点状纹理。本文利用三维遥感影像显示方法识别崩塌地质灾害信息(图13), 该处是地面沉降诱发的崩塌。特别是在黄土覆盖区, 地面沉降很容易使黄土垂直节理形成的边坡稳定性受到破坏, 产生众多崩塌。所以, 崩塌在一个区域内突然增多就成为地面沉降的典型标志之一。

图13

Fig.13

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	图13 崩塌遥感影像特征Fig.13 Remote sensing image features of avalanche

2)滑坡信息提取。滑坡发生后由于地形突变引起光谱差异, 色调与周围环境相比有一定变化。新滑坡体植被覆盖较少, 呈灰白色, 多呈“ 舌” 状, 后壁有弧形陡坎出现, 滑坡体相对于两侧岩体向下滑动, 能见到明显的滑坡壁、滑坡体、封闭洼地、滑坡舌和滑坡裂隙等。在规模大的活动断裂地段, 地形坡度大于35° 的山坡最容易发生^[7]。滑坡面形态呈凸形或直线形、阶状, 如图14。

图14

Fig.14

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	图14 滑坡遥感影像特征及野外照片Fig.14 Remote sensing image features of landslide and field photos

3)塌陷信息提取。区内地面塌陷形式以塌陷坑(图15)、塌陷槽和波状起伏地形居多。区内塌陷形状一般呈圆形、椭圆形, 局部呈条形, 塌陷面积一般为几百m², 并且伴有同方向的地裂缝, 塌陷深1~7 m, 稳定性较差, 威胁对象主要为塌陷区内的农田及少量民房, 地质灾害危害程度一般。塌陷坑区由于地形突变引起光谱差异, 色调与周围环境相比有一定变化, 塌陷区植被覆盖较外围稀疏, 或无植被覆盖, 较老的塌陷坑常形成洼地并有积水, 色调较深, 一般分布于采矿塌陷区内。

图15

Fig.15

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	图15 塌陷遥感影像特征Fig.15 Remote sensing image features of collapse