锡林浩特矿区土壤水分特征曲线和有效含水量预测

露天矿开采导致大面积的地貌改变和植被破坏,进行土地复垦是重建原有生态系统的有效手段。为改善锡林浩特矿区生态脆弱、且矿区表土稀缺的现状,利用上覆岩层进行表土替代材料的开发,上覆岩层土壤的持水能力是选择表土替代材料的重要指标,对于指导排土场复垦具有重要意义。基于此选取了AP(Arya and Paris模型)、MV(Mohammadi and Vanclooster模型)和MVVG(MV model with the van Genuchten模型) 3种模型对锡林浩特矿区上覆岩层(L1—L5,共5层)土壤水分特征曲线与土壤有效含水量的预测精度。结果显示:MVVG对于土壤水分特征曲线(R~2=0.940)与有效含水量(R~2=0.7409)的预测精度均较好,AP对于土壤水分特征曲线的预测结果最好(R~2=0.950),且对于剖面有效含水量的预测趋势与实测值一致,但是有效含水量的预测值与实测值R~2较低(R~2=0.491),MV预测结果最差。AP模型对壤质沙土、砂之壤土和粉砂壤土的水分特征曲线预测效果好于MV和MVVG,但是各模型对沙土的预测预测效果均较差。除L5层,其余4层随着土壤层次深度的增加,其田间持水量、凋萎系数和有效水含量均呈减少趋势。L2—L4的有效水含量均低于L1(18%),且L4(8%)L3(11%)L2(15%)。研究结果显示AP和MVVG模型可以准确地预测研究区土壤水分特征曲线和水分常数,适合用于锡林浩特矿区上覆岩层土壤持水能力的预测。同时结果表明,L5层的有效含水量最大(20%),且土层较厚,具有在土地复垦过程中作为表土替代材料的潜力,而L2—L4可以考虑作为中和L5质地过黏的材料,使其土质更加接近腐殖层土壤(L1)。     

荒漠化露天矿土壤湿度监测模型的构建——以红沙泉矿区为例

土壤湿度作为表征矿区地表环境的重要指标,准确监测荒漠化露天矿的土壤湿度对矿区生态保护和可持续发展具有关键作用。以典型荒漠化露天矿区-准东红沙泉矿区及周边区域为研究对象,基于Landsat 8 OLI影像,利用基于植被信息的归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、条件植被指数VCI,基于热红外波段的表观热惯量ATI和条件温度指数TCI以及基于反射率特征空间的垂直干旱指数PDI、土壤湿度监测指数SMMI反演红沙泉矿区的土壤湿度,结合实测土壤湿度数据验证得知上述指数的反演结果与实测样点的土壤湿度不符,即传统的土壤湿度指数不能单独作为研究区土壤湿度的指数因子。鉴于以上指数存在的不足和研究区特殊的生态环境,提出新裸岩石砾地指数NGLI,并结合SMMI、NGLI和NDVI通过线性加权构建一种适用于荒漠化露天矿区的土壤湿度模型NMSMI,最后评估其精度和适用性。结果表明：(1)构建的裸岩石砾地指数NGLI能够有效提取研究区裸岩石砾地和露天采坑的土壤湿度,NGLI与实测土壤湿度呈显著负相关(R²=0.245,P<0.01),验证点的均方根误差RMSE为0.009;(2)...     

西藏邦铺矿区地应力测量及三维地应力反演分析

西藏邦铺矿区处于青藏高原腹地,初始地应力场复杂。根据矿区地应力实测资料和矿区地质构造条件分析,初步确定研究区域内初始地应力场特征。运用神经网络建立应力值与位移边界条件的非线性映射关系,通过粒子群算法从全局搜索最优的反演参数。将地应力反演值与实测值对比分析,两者在量值上比较接近,表明基于粒子群优化算法的初始地应力场反演方法能够准确有效的获得岩体的初始地应力场。通过反演分析,得到了西藏邦铺矿区合理的初始地应力场的分布规律。     

利用无人机遥感反演高潜水位矿区沉陷地玉米叶绿素含量

有效识别采煤沉陷耕地损毁程度、面积及空间分布信息是矿区沉陷土地复垦、赔偿的客观需求。农作物受损后叶片叶绿素是很好的指示性指标,针对高潜水位矿区开采沉陷导致地面积水所引起的农作物渍害影响,基于无人机多光谱影像,在传统植被指数的基础上引入红边波段进行扩展,改进了现有的植被指数,结合田间同步实测叶绿素数据,采用经验模型法分别构建了单变量和多变量叶绿素反演模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和估测精度(EA)3 个指标筛选出最佳模型。最终构建了多元线性回归MVI(red-edge),GNDVI,NDVI的叶片叶绿素定量反演模型,并采用野外对照区域样本对反演结果进行精度验证。结果显示:相对传统植被指数,引入红边后植被指数与叶片叶绿素的相关性得到显著增强,采用上述方法构建的多元线性回归模型的决定系数普遍提高010~020,达到了073,均方根误差降低了011~198,为0938 SPAD,估测精度EA最终可达到834%,说明红边波段对采煤沉陷区作物的叶绿素响应敏感,引入红边波段构建叶绿素反演模型,可以应用于采煤沉陷影响下的玉米叶片叶绿素无人机遥感反演。结果显示:采煤沉陷盆地内玉米叶绿素含量主要集中于52~61 SPAD,面积占整体的751%,叶绿素含量在9~52 SPAD的作物面积占57%,玉米整体长势受采煤扰动影响较严重,叶绿素含量呈现从沉陷盆地边缘往中心逐渐降低的趋势。该研究为土地损毁监测与评价,土地复垦与生态修复等提供基础数据与理论支撑。     

基于无人机遥感的开采沉陷耕地质量评价及复垦建议

针对我国东部高潜水位矿区煤炭开采造成耕地减产绝收及生态破坏等问题,以东滩煤矿开采沉陷耕地玉米作物为例,利用无人机多光谱影像和田间同步实测数据,采用经验模型法建立了开采沉陷耕地玉米叶面积指数反演模型并进行了耕地质量评价。结果表明：引入红边波段的归一化植被指数（red-red edge normalized difference vegetation index,RRENDVI）构建的幂函数模型为最优模型,其R2=0.756,RMSE=1.125,模型具有较高的精度和可靠性。通过该模型对研究区玉米叶面积指数（leaf area index,LAI）进行反演,得到玉米LAI分布图。根据研究区玉米及当地正常生长玉米的LAI均值,并结合实际沉陷积水情况,构建了沉陷耕地质量评价规则,将开采沉陷耕地分为五等,根据各等级地块损毁程度分别提出了划方平整、挖深垫浅等复垦建议。分析结果对于小范围沉陷耕地损毁监测、耕地质量评价及复垦工作具有一定的参考价值。     

增地节地型露天矿排土场优化设计

为达到在有限排土场范围内多增复垦面积、多排土的目的,在其他影响因素都达到最优的情况下,以排土场复垦面积和排土容积为排土场优化设计的评价指标,进一步调整排土场的几何参数,使排土场设计模式更优。通过构建排土场表面积计算和排土容积计算的方法,分析排土场的几何参数与评价指标之间的关系,保证边坡稳定性的情况下,利用三维空间模型的特性,多次在二维场里进行网格划分,得出的排土场优化设计的几何参数,作为排土场设计的最优几何模型。以平庄煤业集团元宝山露天矿3号排土场为实例验证,结果表明对该排土场的优化设计达到预期效果。     

基于改进果蝇算法的概率积分法预计参数反演

由于概率积分法函数模型的非线性表现形式以及各参数之间的相关性,概率积分法开采沉陷预计参数反演时存在计算复杂、易发散、容易陷入局部最优解等问题。利用参数设置少、计算效率高、算法实现容易、全局寻优能力强且精度较高的果蝇算法进行基于概率积分法的开采沉陷预计参数反演,并对算法进行改进。以实测下沉值为参照,将预计结果与实测值相比较,结果表明,改进的果蝇算法对概率积分法的开采沉陷预计参数反演具有适用性,对于用概率积分法进行开采沉陷预计的精度的提高有一定的积极作用。     

深部矿区巷道围岩力学参数测试及反演研究

掌握深部矿区围岩力学参数是矿井巷道设计、布置、煤层气抽采的必要条件。以深部矿区某矿为地质条件,现场测试了全矿区自13-1煤顶板到1煤底板共计8层地层的围岩力学参数,研究了围岩力学参数反演计算模型,设计了围岩力学参数反演流程。针对岩石强度、地应力等巷道变形影响因素,具体地分析了不同因素对巷道变形的影响,得出抗拉强度对巷道变形的影响最大的结论。根据地质条件和巷道设计,分别对东区北翼11-2轨道大巷和11-2回风大巷进行反演,将变形量反演值与变形量实测值进行对比分析,实测值与反演值基本保持一致,误差在10%以内,说明围岩力学参数反演值具有很高的可靠度。     

露天矿区植被协同演变多源数据时序分析 ——以准格尔矿区为例

为揭示露天煤矿排土场复垦区人工植被与矿区外围未扰动的原始植被间的协同演变规律,研究基于Landsat TM/OLI与MODIS卫星遥感数据,结合气象台站观测数据,采用一元线性回归法,分析准格尔矿区1988—2020年的归一化植被指数(NDVI)与植被覆盖度的时序变化,对Landsat卫星热红外波段数据反演得到准格尔矿区...     

基于高分二号卫星影像高潜水位煤矿区沉陷地土壤含水量监测

高潜水位地区煤炭开采破坏导致地表沉陷出现积水和斜坡,沉陷内土壤含水量会分布不均匀,影响农作物的生长,从而严重影响矿区居民的生产和生活。因此大范围快速、精确监测高潜水位地区煤矿开采区的土壤含水量具有重要现实意义。卫星遥感技术可以快速、准确、高效监测矿区土壤含水量。通过遥感手段对高潜水位采煤塌陷地土壤含水量进行监测,探求出一个比较方便、快速、合理监测高潜水位采煤塌陷地土壤含水量分布状况方法,为矿区环境影响评价、农作物估产、破坏等级评价、耕地损害补偿与土地复垦方案的编制提供参考依据。借鉴土壤含水量遥感监测经验,通过野外实地采集土壤样本并测量土壤光谱数据,在室内测量土壤含水量,分析实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系,结合实测的土壤含水量与光谱特征数据,对土壤含水量与实测水体光谱进行相关性分析,得到土壤含水量光谱数据敏感波段范围。结合高分二号卫星影像谱段数据特点,将实测光谱波长按照波段范围划分为与高分二号卫星影像谱段对应的4个波段,即450~520,520~590,630~690,770~890 nm,再取各个波段范围反射率的平均值与土壤含水量光谱反射率进行相关性分析,寻求高分二号卫星影像监测土壤含水量最敏感的波段数据,在确定遥感探测敏感波段的基础上,建立了土壤含水量与光谱反射率的遥感反演模型,即:S曲线模型、逆函数模型,基于预处理的高分二号卫星影像进行沉陷区地土壤含水量遥感反演,从而得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量的空间分布情况。研究结果表明不同土壤含水量的光谱特征基本相似,实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系为土壤光谱反射率随着波长的增长而增大,呈正相关关系;土壤含水量与高分二号卫星影像数据B3波段的反射率具有显著的负相关关系,可将B3波段作为监测土壤含水量最敏感的波段;通过对S曲线模型、逆函数模型进行分析与检验,S曲线模型比逆函数模型更接近实测值;基于高分二号遥感影像,利用S曲线模型进行遥感反演,可以迅速得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量空间等级分布图。     

煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性

微生物复垦技术近年来已成为矿区土地复垦新的研究方向,微生物复垦多年后,新的人工生态系统已建立,其灌木林下土壤养分的空间异质性研究成为关注的重点。选择神东大柳塔采煤沉陷地微生物复垦地为研究区,利用经典统计学、地统计学和协同克里金插值方法,研究采煤沉陷地微生物复垦区灌木林下土壤全氮、有机质和速效磷的空间异质性及其影响因素。结果表明:研究区土壤全氮、有机质和速效磷的含量均值分别为0.50 g/kg,11.93 g/kg,2.24 mg/kg,均呈现出中等强度变异,存在空间自相关性。选择能表征丛枝菌根真菌特性的关键因子土壤菌丝密度,发现土壤菌丝密度与土壤全氮、有机质和速效磷含量呈极显著正相关性。以土壤菌丝密度为协变量的土壤全氮、有机质和速效磷的最优模型分别为高斯模型、球状模型和高斯模型,决定系数分别为0.709,0.757和0.467,均高于单一变量的土壤全氮、有机质和速效磷的决定系数。以菌丝密度为辅助变量的土壤全氮、有机质和速效磷均呈现强空间自相关性,有机质的变程较长,空间连续性较好;土壤全氮空间分布呈块状分布,对空间依赖性较强;土壤速效磷呈不规则斑块状,破碎化程度高。以菌丝密度为辅助变量进...     

融合概率积分模型与D-InSAR的开采沉陷预计

矿区地表植被多,开采沉陷速度快、量值大,所产生的地质灾害较一般性的地表沉陷严重,极易使得2景SAR影像失去相干性,造成解缠错误。针对矿区SAR影像相干性较低、下沉盆地中央相位值易丢失的情况,结合合成孔径雷达干涉差分技术（Differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR）和基于遗传算法的概率积分模型,提出了一种矿区开采下沉盆地预计方法。以该方法利用矿区下沉盆地边缘一定数量的相干系数较高且下沉较明显的D-InSAR监测值和下沉盆地中央最大下沉点与拐点附近的少量观测值对某矿II3720工作面进行试验,首先利用概率积分模型反演概率积分法预计参数并采用遗传算法进行多次优化,然后利用得到的参数对该工作面下沉盆地进行模拟预计,结果表明：通过该方法得出的下沉盆地参数及下沉值与实测值较接近,有助于弥补由于矿区SAR影像干涉效果不佳而导致的预计精度不高的不足,通过少量的观测数据可较为有效地预计矿区下沉盆地,对于提高矿山开采沉陷监测与预计的精度有一定的参考价值。     

矿区土地复垦植被高度提取方法研究

文章以某露天矿区植被信息调查项目为研究对象,选择两个平均高程具有一定差异的样地进行测试研究,采用机载激光雷达技术进行矿区点云数据采集,经去噪、分类等处理后,生成矿区植被点云数据,然后以克里金插值法、不规则三角网插值法和反距离权重插值法共3种插值算法为基础,对矿区分类处理后的点云数据进行插值运算,建立植被冠层高度模型,然后进行树高提取,并与现场实测样本数据进行对比分析,通过建立不同插值算法的线性回归模型,对比决定系数R²和均方根误差发现：利用反距离权重插值法建立的植被冠层高度模型进行树高提取,估算树高与实测值贴合度相对较好,数据精度相对较高,其次为不规则三角网插值法,克里金插值法估算效果最差,但3种方法均能对矿区植被高度信息进行较好反映,且数据采集速度较快,可靠性较高,能够大大提高复垦矿区植被信息的更新效率,为矿区生态恢复评价工作提供数据支撑。     

基于多光谱遥感的矿区积水区水深反演

采煤沉陷区积水会严重影响到矿区周围的生态环境和生产工作,为定量获取淮南潘一矿沉陷区的积 水深度,基于多光谱遥感数据对沉陷区积水深度的反演方法进行了研究。首先选择两期 Landsat 5 卫星遥感影像进 行辐射定标和积水区水体提取等预处理;然后基于像元绝对辐射亮度值与 2005 年研究区水深实测值,分别选取单 波段模型、双波段比值模型进行建模分析,在此基础上,选择拟合优度最高的影响因子建立多波段模型并进行模型 改进;最后将 2010 年反演结果与矿区沉陷预测预报系统（MSPS）软件计算的水深值进行对比分析。结果表明：改进 后的水深反演模型拟合优度达到 0.9 以上,且 2005 年潘一矿沉陷区积水深度反演值与实测值相比平均绝对误差为 0.21 m,平均相对误差为 10.92%;2010 年该区域水深反演值与预计值的平均绝对误差为 0.63 m,平均相对误差为 15.24%,二者差值呈正态分布,可以达到相互验证的目的。研究表明：利用多光谱遥感影像可以得到精度较高（误 差在分米级）的水深反演模型,在一定程度上满足工程需求,可以为矿区生态环境治理和评价提供可靠依据。     

基于ANP-SWOT模型的平原高潜水位采煤塌陷区土地复垦战略研究

平原高潜水位矿区采煤塌陷区土地复垦是一项复杂的系统工程,矿区社会、经济和生态环境问题交互存在,科学制定土地复垦战略,引导土地复垦统筹,对于解决采煤塌陷区矿、地、人之间的矛盾具有重要意义。本文以沛县北部矿区为例,首先利用SWOT模型梳理了影响采煤塌陷区土地复垦的因素,得出相应的土地复垦战略方案;然后厘清各影响因素之间的关系,利用网络层次分析法构建了采煤塌陷区土地复垦战略网络层次结构模型;最后对SWOT模型分析得出的采煤塌陷区土地复垦战略备选方案进行了评价。结果表明:①影响采煤塌陷区土地复垦的各因素之间存在相互依存或者制约关系;②受影响最大的是调整产业结构,转换经济增长动力因素,权重值达到0.23;③8种备选方案中土地复垦支持产业转型发展、土地复垦推动新型城镇化建设、多元化融资机制三种方案比较重要,权重值分别为0.23、0.20、0.15。研究结果在目前社会经济转型的背景下,可以为统筹解决采煤塌陷区存在的经济、社会和生态环境问题提供理论支撑。     

含水率对复垦土壤光谱特征及属性估测的影响

为探讨不同土壤水分含量对复垦土壤高光谱特征及土壤属性反演精度影响,以安徽省淮北市某煤矿复垦区为研究对象,采集土壤样本并测定土壤理化性质及风干前后的土壤光谱信息.分析复垦与非复垦土壤之间的差异,明确不同水分条件下的光谱吸收特征,采用配对样本t检验探究不同水分条件下光谱影响波段;利用辐射传输模型和直接标准化算法去除土壤水分...     

复垦土地土壤有机碳空间插值方法研究——以平朔露天煤矿为例

通过优化空间插值方法获取矿区重构土壤有机碳含量对于复垦农用地监测与评价具有重要的理论和实际应用价值。采用多元线性回归法、反距离加权法、普通克里金法及回归克里金法对平朔煤矿复垦区土壤有机碳含量进行空间插值分析,插值精度通过Pearson相关系数、均方根误差、平均预测误差以及准确度进行评价。研究结果表明：① 露天煤矿排土场复垦土地土壤有机碳空间变异性较大,变异系数最高达到145.408%,属于强变异性;② 预测精度上,回归克里金法的预测精度最高,Pearson相关系数达到0.984,均方根误差、平均预测误差以及准确度分别为-0.012,0.211,0.991,多元线性回归法的的预测精度次之,预测精度最差的为反距离加权法及普通克里金法;③ 局部细节表达上,回归克里金法的预测表达较为精细,能够较好地刻画出数据的跳动性和不确定性,反距离插值法与普通克里金法预测具有明显的平滑作用,空间变化较为连续。回归克里金法相较其他方法在露天煤矿排土场复垦土地土壤有机碳插值预测具有较大优势。     

基于InSAR技术和SA-SVR算法的矿区沉降预测模型

为了解决矿区沉降预测模型精度低、预测模型与实际开采情形不符的问题,提出了一种基于合成孔径雷达干涉测量（Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR）技术、支持向量回归算法 （Support Vector Regression,SVR）以及模拟退火算法（Simulated Annealing,SA）相结合的新型矿区沉降预测模型。首先,以InSAR技术获取矿区沉降监测数据,对数据进行处理得到测试点的累计沉降量,并将 其与GPS实际测量结果进行比较,发现二者吻合性较好。然后,进行矿区沉降预测模型构建,通过SVR算法得到静态沉降预计模型,再利用SA算法得到模型中的参数最优取值。为了使预测数据符合矿区开采实际情况, 引入嵌入维数公式,得到矿区沉降预测动态模型及精度评价指标。最后,将构建的沉降动态模型应用于陕西省大柳塔矿区,得到预测值和实际监测值之间绝对误差的最大值为9 mm,相对误差的最大值为3%;模型评价 指标通过计算得到试验区平均绝对误差的最大值为2.5%,最小的相关性指数为0.8,表明该模型预测精度较高。     

基于Landsat-8的煤火监测方法研究

为了监测乌达矿区煤火的变化趋势,减少因煤自燃引起的经济损失,根据landsat-8卫星影像数据采用辐射传输方程法,单窗算法,劈窗算法等反演了内蒙古乌达矿区的地表温度,提取了煤火信息,并结合内蒙古乌达市环境监测中心站提供的数据和实地考察,验证地表反演结果的有效性。结果表明:几种反演算法得到的结果与地下煤火区地表温度的空间分布一致,其中劈窗算法综合考虑了两个热红外波段,其反演结果与实测温度值的差值较小,约为0.5℃,与地面实测值一致性比较好,高温异常区范围明显,在地下煤火反演中具有一定的适用性。     

基于BFGS算法的概率积分模型的参数反演

概率积分模型是描述煤炭开采引起地表变形规律的重要数学模型,通常采用传统优化算法和智能优化算法,对概率积分模型中的未知参数进行反演,以确定明确的地表变形特征。为了更有效地反演概率积分模型中的未知参数,引入最优化方法,提出一种基于BFGS算法的概率积分模型中参数反演方法,该方法利用相邻两迭代点之间的位移和目标函数的一阶导数构建近似Hesse矩阵,然后确定牛顿方程产生的搜索方向,通过非精确线搜索完成迭代过程,从而获得参数的最优解。仿真实验结果表明:新算法能够有效反演出全部参数,且在不同的误差水平下,新算法的参数反演精度均明显高于模矢法(传统优化算法)和遗传算法(智能优化算法);同时,在不同的粗差水平和数据缺失情况下,新算法的参数反演精度仍明显优于其他两种算法,一定程度上说明了引入新算法进行概率积分模型中参数反演的可行性和优越性。工程实例中,反演结果和下沉值的拟合曲线图进一步验证了新算法的可靠性,但工程实例中拟合单位权中误差明显大于仿真实验,其主要原因是矿区较大的地表起伏造成较大的概率积分模型误差,进而影响参数反演的精度。因此,对于具体的工程案例,除了采用有效的参数反演方法,还需要根据实际情况制定合理的反演方案,以达到更好的参数反演效果。