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。     

高潜水位煤矿区地表沉陷信息提取方法研究

准确、快速、高效地获取采煤沉陷信息对矿区土地复垦具有重要意义,尤其是针对极易形成大面积的地表沉陷积水区以及非积水区的高潜水位煤矿区,土地复垦工作更为严峻。以高潜水位矿区——鲍店煤矿为研究对象,结合并改进水体和非水体提取方法,获取整个矿区的地表沉陷信息。在改进归一化水体指数(MNDWI)的基础上,针对采煤沉陷水体边缘易于和水体信息混淆的特点,提出了增强型改进归一化水体指数(E-MNDWI)。利用Landsat 8数据通过E-MNDWI提取沉陷积水区域;利用哨兵1号A星数据(Sentinel-1A),通过小基线集技术(SBAS-In SAR)提取出沉陷非积水区域;最后进行克里金插值获取矿区下沉量为10 mm的等值线。结果表明:利用E-MNDWI提取沉陷水体精度较高,Kappa系数为85.07%。鲍店矿区西部基本达到稳沉状态,东部地表沉陷较为明显,南部地表略有抬升。监测期内矿区最大地表平均下沉速率为41.69 mm/a,最大下沉量为85.16 mm。截至2017年矿区因采煤造成的沉陷区域面积共10.1 km2,其中沉陷积水区为4.6 km2,非积水区域为5.5km2。选取若干基准点验证沉陷非积水区的提取结果,得到决定系数R2为0.92。利用多源多时相数据,结合多种方法获取矿区沉陷信息,可为煤矿城市生态修复和土地整治复垦提供理论依据,并为今后快速高效监测采煤沉陷区地表形变提供新思路。     

高潜水位采煤沉陷区积水时空演化特征研究——以安徽省矿区为例

随着煤炭资源大面积、高强度开采,高潜水位矿区积水问题尤为突出,对周围生态环境产生了严重影响。为了给采煤沉陷积水区生态环境修复提供科学依据,开展了高潜水位采煤沉陷区积水的时空演化特征研究和影响因素分析。以整个安徽省矿区为研究区域,基于Landsat TM/OLI遥感数据,采用归一化水体指数法(NDWI)和目视解译法对1995—2020年(共计22期)和2020年12个月份(12期)沉陷区积水区域进行提取,获取了近25年安徽省采煤沉陷区积水空间信息,并结合水文和降雨资料分析和讨论了沉陷区积水时空演化的影响因素。结果表明：(1)近25年来,安徽省采煤沉陷区积水面积的增长呈“缓慢—快速—稳定”3阶段分布特征。研究期内平均积水面积增长了约6倍,从18.95 km²增长到118.09 km²,年均增长3.97 km²。(2)从时间尺度上沉陷区积水演化分为3阶段：第1阶段(1995—2005年),由于积水初步形成还未稳定,增长速度较为缓慢,年均增长率为4.65%;第2阶段(2005—2013年),基于安徽省煤炭开采量进入快速增长期,积...     

基于UAV与GIS的煤矿沉陷水域面积提取

淮南矿区潜水位高,采煤沉陷水域面积呈逐年增加的趋势。提出无人机低空摄影联合GIS技术快速提取沉陷水域面积的方法,即利用无人机获取研究区影像,在对影像进行畸变校正、匀光和空三加密等处理后得到研究区正射影像图,结合ArcGIS软件准确提取研究区沉陷水域面积。并与同时期Sentinel-2号多光谱遥感所提取的沉陷水域面积进行对比分析,结果表明,无人机低空摄影获取的研究区沉陷水域面积48.97 km²,基于多光谱遥感影像提取的沉陷水域面积38.36 km²,联合无人机与GIS技术应用于矿区沉陷水域面积提取的方法,具有高效、高精度的特点,可为矿区水资源监测与综合利用提供技术支持。     

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GIS的高潜水位煤矿区边采边复表土剥离策略

高潜水位煤矿区采煤塌陷后积水现象严重,积水后再治理造成复垦后耕地所占比例低,复垦成本增多,且施工难度增大。在地面沉陷积水前,预先进行表土的剥离存储以便后期复垦利用,是提高复垦效率的最有效方法。本文以山东某矿工作面为例,结合GIS的空间分析功能,将地面划分为40m×40m的地面格网单元(共7875个),对煤炭开采后地面的动态沉陷过程进行了模拟,明确了地面开始沉陷及出现积水的时间,最后定量的确定了461个地面格网单元表土剥离的时间、范围与深度,剥离的表土可用于后期土地复垦工作。研究有利于井工煤矿区的边采边复技术的研发,并促进开采与治理的同步进行。     

基于时序TM影像的淮南潘谢矿区采煤沉陷水域动态监测

利用时序TM遥感影像数据,在对比单波段阈值法、谱间关系法、归一化水体指数法和改进归一化水体指数法4种水体信息提取精度的基础上,选择改进归一化水体指数(MNDWI)法并结合GIS空间叠加技术,对潘谢矿区2005-2017年采沉陷水域进行提取并分析其时空演变特征。结果显示,2005-2017年,淮南潘谢矿区采煤沉陷水域面积增至4948.65hm~2,总增量达到4003.52hm~2,年均增长333.63hm~2,年均增长率为20.1%;分析研究区内煤炭开采作为主要贡献因素对沉陷水域面积变化影响及预测。通过线性拟合分析,预计到2020年潘谢矿区沉陷水域面积5968.12hm~2;2021-2030年沉陷水域面积年均增约为350hm~2,至2030其总量将达到9468.12hm~2。利用时序TM遥感影像对高潜水位矿区沉陷水体的时序动态变化监测,分析了其变化原因,为后期采煤沉陷区的土地复垦与治理提供了科学依据。     

黄淮海典型采煤塌陷区水土空间格局模拟

黄淮海煤矿区多属于高潜水位矿区,煤炭开采导致地表沉陷、洼地大量积水;同时存在耕地面积锐减、土地产出率低和生态失衡等问题,严重影响了资源可持续利用和社会经济可持续发展,在我国工业化、城镇化高速发展的今天,亟待需要揭示水土资源的演替规律和解决采煤沉陷区的水土资源的盘活利用问题。研究以徐州市沛县矿区为研究对象,将D-InSar二轨差分方法用于从ALOS PALSAR图像中提取表面塌陷信息,基于IDL平台可视化编程选择并实现随机森林算法,并引入图像的光谱、纹理及其他相关指数特征,对沛北矿区的高分辨率遥感影像进行分类,结合塌陷信息和分类信息,进一步将水域划分为天然水域和塌陷水域;采用ANN-CLUE-S模型,对沛北矿区2030年自然发展情景、可持续发展情景、经济发展情景3种不同情景下的水土空间格局模拟预测,从而为政府决策及相关规划方案的制定提供依据。     

高潜水位采煤沉陷地构建平原水库可行性分析与实践

针对我国高潜水位矿区中普遍存大面积积水的问题,为了更好地兼顾水资源与采煤沉陷地土地利用,改善沉陷区生态环境,基于目前沉陷区平原水库建设存在的问题,从技术和经济2方面探讨了构建平原水库的可行性。在此基础上提出了构建采煤沉陷地平原水库建设的流程与模式,并以安徽淮南张集煤矿采煤沉陷区为例进行了平原水库建设的实践案例分析。研究结果表明:主动式平原水库建设能更有效提高复垦耕地率、增加水库库容,节约水库建设成本,具有良好的推广与应用前景。     

基于无人机影像的西部矿区地表沉陷信息提取方法改进

利用低空无人机航拍影像进行建模叠加可高效获取矿区地表沉陷信息，但植被覆盖和航测系统性误差往往会导致沉陷模型的噪声过大，制约了航测技术在矿区沉陷监测中的实际应用。为此，以陕北某矿采煤沉陷区为试验场地，利用低空无人机航拍影像数据构建初始沉陷模型。在选取非沉陷区样本分析植被、道路、沙地等主要地物对沉陷建模精度影响的基础上，利用可见光波段差异植被指数(VDVI)从初始沉陷模型中剔除对沉陷模型精度影响较大的植被覆盖区沉陷数据，再结合高斯卷积核与数字高程模型插值算法拟合植被区域沉陷信息，生成剔除植被影响的地表沉陷模型。进一步以非沉陷区下沉量应为零作为先验条件，通过统计非沉陷区域的误差分布特征，从中提取沉陷模型中潜在的系统误差，并以统计样区与控制点的距离作为权重，分析系统误差传播规律，对沉陷模型施加系统误差改正。通过与实测数据对比表明，经植被剔除后的沉陷模型精度得到显著改善；经系统误差改正后，沉陷模型主断面下沉曲线与实测数据更加吻合。研究结果表明：在剔除噪声并改正系统性误差影响后的无人机影像建模方法能够满足西部低植被覆盖区大范围、高强度采煤地表沉陷监测的基本要求，为无人机遥感技术用于西部矿区采煤沉陷...     

面向对象的塌陷地提取

针对塌陷地的光谱特征和空间结构特征的特点,采用一种面向对象的技术,实现了塌陷地的信息提取。首先,采用形态学方法建立滤波器,对影像进行形态学重建,然后对影像进行分水岭分割,将影像进行多尺度分割后,影像被分割为多个相互独立的闭合区域,并且每个区域作为一个独立的对象,计算每个对象的光谱、形状、纹理等等各种特征,并把它们作为分类的依据;其次,根据提取专题的不同进行特征选择;接着根据所选择的特征选择分类器进行塌陷地提取。     

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

济宁市煤炭开采导致耕地塌陷深度大、积水严重,在全国都具有典型性和代表性。采用高分辨率遥感影像（RS）获取信息和地理信息系统（GIS）空间分析相结合的方法,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的支持下,以人机交互式解译方式对济宁市煤炭开采以来至2009年采煤塌陷导致的积水耕地信息进行了提取。得出：济宁市采煤塌陷导致耕地常年积水面积为4 780.49 hm2,占济宁市耕地总面积的0.78%,治理后和未治理塌陷积水耕地分别占积水面积的57.84%和42.16%;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,且呈不规则分布状态,多是一矿一片或一矿多片。研究结果表明,将高分辨率遥感图像应用于塌陷积水耕地信息的提取是一种快速高效的方法,为地方政府加强塌陷积水耕地的实时准确监测提供了科学依据。     

基于遥感的矿区土地荒漠化动态及驱动机制

为探讨人类活动和自然因素在榆神府矿区土地荒漠化发展变化中的相对作用,采用1989,2002,2011年3期TM遥感数据,分析了土地荒漠化现状及动态变化,结合主成分分析法确定了人类活动和气候因素在矿区土地荒漠化发展变化中的相对作用。结果表明:1通过建立NDVI(构归一化植被指数)和Albedo(地表反射率)的空间关系,结合典型区分析,可将榆神矿区荒漠化程度分为5种类型;2矿区土地荒漠化空间分带性显著,以毛乌素沙地和黄土高原接壤带为界,矿区西部荒漠化程度较重而东部荒漠化程度较轻;3研究期矿区土地荒漠化面积不断减少,1989—2002年间减少了39.7%,2002—2011年间减少了27.7%,荒漠化程度呈逆转趋势;4荒漠化变化在空间上差异较大,矿区西部荒漠化明显逆转,东部荒漠化程度呈现逆转—发展的趋势;5人类活动、气候因素决定了本区荒漠化演化方向,其贡献率分别为62.16%,14.18%。研究结果表明,推行保水采煤技术、禁牧及植树造林等是抑制本区荒漠化发展的有效途径。     

基于TVDI的布尔台矿区土壤湿度变化分析

矿区土壤湿度变化监测对我国西部资源开发、生态保护及旱灾预警等领域的研究具有十分重要的意义。本文以神东煤炭集团所属的布尔台矿区为研究区,基于2000-2017年时相相近的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI长时间序列遥感影像,引入归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）和地表温度（land surface temperature,LST）构建NDVI-LST光谱特征空间,计算获取了矿区的温度植被干旱指数（temperature vegetation dryness index,TVDI）,制作了矿区土壤湿度的变化趋势及影响因素。结果表明:在8、9月份植被物候期基本一致的条件下,2000-2017年布尔台矿区地表土壤湿度呈现增长趋势,没有发现明显的干化现象,与矿区植被的人为恢复和矿区环境的改善有关。     

山西省六大煤田植被净初级生产力对土地覆被变化的响应

从中观尺度上定量评价矿区土地覆被变化对植被净初级生产力(NPP)的影响可为省域国土空间生态修复中矿区生态修复提供参考。本文以山西省六大煤田为例,利用MODIS数据,分析研究区植被NPP和土地覆被的时空变化情况,引入NPP损益流概念,从定向和定量的角度分析省域尺度下矿区土地覆被变化对植被NPP的影响。结果表明:(1)山西省六大煤田2005—2015年NPP整体向好,研究时段内NPP均值为335.03gC/(m~2·a),11年间NPP总量增长3 492.20GgC,空间上表现为东南高,西北低的格局;(2)2005—2015年间,土地覆被变化主要集中在耕地、林地和草地,其中,耕地和林地的面积分别增长了3 581.75km~2和148.65km~2,草地则减少了3 882.25km~2;(3)2005—2015年研究区林地和耕地的增加使得NPP总量增加,建设用地的增加以及林地向其他类型用地的转化造成NPP总量损失;(4)2005—2015年间,山西省六大煤田NPP因土地覆被变化而变化,总体呈现增长的趋势,这与六大煤田的生态修复工作有密切关系。     

Study on land use changes of the coal mining area based on TM image

Based on the two temporal TM images of 1995 and 2001 of one coal mining area, analyzed the variety information of the coal mining area. Relative registration were done with the two images firstly, then cut out the study area for experimental data, classified the coal mining area using supervised classification in ERDAS, the coal mining area will be divided into five categories as water body, agricultural land, construction land, coal mining area and other land. Make land use change matrix, the result shows that in the six years of 1995 to 2001, the change of the utilize of the land is greatly, the main represent is showed as follows: the area of water body, agricultural land and coal mining land had continually increased, on the contrary, construction area and other decreased. The percentage speed of the construction land is the biggest, the value reach −1.08%. The main reasons is that with the exploitation of the coal mine and the reclaim of the land, the exploitation of the coal mining land make the agricultural land and construction area convert into coal mining land, on the other hand with the backfill of the subsided waterlogged land and the reclaim of the subsided land make the coal mining land convert into agricultural land. Supported by the Ministry of Education of Doctor Spot Foundation (20050147002); College of Liaoning Province Emphasis Laboratory Item(20060370)     

基于多颜色分量CLBP提取的浮选泡沫状态识别

针对不同状态的浮选泡沫图像之间纹理结构相似、颜色差异不明显的问题,提出一种基于色调、饱和度和亮度（HSV）颜色空间的完全局部二进制模式（CLBP）纹理提取的浮选泡沫状态识别方法。首先使用双域去噪在保留纹理细节的同时滤除图像噪声,然后转换为HSV图像,在H、S和V颜色分量上分别提取三个尺度的CLBP纹理特征。将提取的纹理特征归一化后线性排列,建立高维度的纹理分类模型。最后通过一对一模式的支持向量机分类器对四类泡沫状态的样本集进行纹理提取后的分类训练与测试。结果表明,该方法对不同浮选泡沫状态的分类正确率较高,优于其他纹理描述方法,适用于浮选泡沫状态的识别。     

基于连通性分析的采煤塌陷地复垦利用潜力评价

新时代采煤塌陷地复垦要求构建科学合理的现代规模农业发展格局,然而以往采煤塌陷地治理项目仅仅针对地块条件,较少考虑地块间的连通性问题,制约了复垦利用成效。本文首先对未修复采煤塌陷地地块与周边耕地进行景观连通性评价;然后以耕地为复垦导向建立了采煤塌陷地复垦利用潜力评价指标体系和评价模型,评价了研究区的采煤塌陷地复垦利用潜力。研究表明：(1)徐州市采煤塌陷地复垦为耕地后对耕地生态网络结构的贡献程度均较高,连通性水平1级至3级的采煤塌陷地占总面积均超过98%;(2)徐州市共有采煤塌陷地11121.27公顷,其中有面积为7906.22公顷的塌陷未积水区景观连通性较高。其中复垦利用潜力为1级至3级的塌陷地适宜复垦为耕地,面积为6060.57公顷,占比76.65%。基于连通性分析的采煤塌陷地复垦利用潜力评价,可以为采煤塌陷地复垦专项规划提供科学依据,促进采煤塌陷地科学合理展开修复,缓解地区土地利用瓶颈约束。