CN103049655A - 基于多数据源的矿区土地生态损伤信息获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于多数据源的矿区土地生态损伤信息获取方法，属于测绘和环境监测技术领域，该方法包括：通过矿区煤炭分布和地下采矿信息，以此确定土地损伤的范围；依据该范围，选取相应的卫星遥感数据，并对图像进行处理提取土地损伤信息；对待测区内的卫星影像立体相对和航空遥感影像立体相对进行解析摄影测量处理获取获取沉陷坑高程信息，还利用矿区地形图中的地面信息，以及实地的土地调查数据，最后获取土地损伤信息划分不同的损伤等级图。本发明将卫星遥感、航空遥感、地面信息和地下信息“四位一体”技术耦合在一起，实现矿区土地生态损伤信息的快速提取，获取到全部损伤信息的缺陷，为塌陷地的治理提供基础支撑。
Description
技术领域
本发明属测绘和环境监测技术领域，特别涉及基于卫星、航空遥感，开采沉陷预计，地面实地调查以及地理信息综合分析的土地生态损伤信息获取技术。
背景技术
煤炭是中国最主要的能源，随着中国采矿事业的迅速发展，其开发利用在对国民经济发展发挥重要作用的同时，随之带来的问题也显现出来。地下煤炭资源的大量采出导致采空区上覆岩层的平衡遭到破坏，产生变形，导致不同程度的地表塌陷损伤，地表塌陷损伤的形态有：下沉盆地、塌陷漏斗、台阶、地表裂缝等，在中国不同地区其塌陷程度也各异，比如在东部平原区是中国的煤炭—粮食复合主产区，地下的开采对地面耕地的破坏数量巨大，许多矿区出现了十分严重的地面塌陷，并引起了严重的矿区积水问题。由于开采塌陷造成土地塌陷，使原本平整的土地变的凹凸不平，造成水土流失、季节性或者常年积水，给工农业生产带来了巨大损失也造成大面积土地破坏。再加上中国人多地少，采矿塌陷不但使耕地面积减少、质量退化，而且更加剧了人地矛盾，甚至引发一系列社会问题。因此，对矿区土地生态损伤信息的快速获取显得尤为重要。
当前用于地球探测的技术很多，但是矿区土地受损时间长，土地损毁类型多样，单一数据源难以全面提取矿区土地所有的生态损伤信息。20世纪60年代兴起的遥感技术，其所具有的宏观、高分辨率、高精度定位和可重复性的动态监测特点，能快速、周期性地提供地球表面的大量有关信息，丰富和扩充了常规野外测量获取数据的不足和缺陷，使得资源环境快速动态变化监测成为可能，但是早期低分辨率影像精度低，而且无法获取高程信息，近期的高分辨率影像可以获取准确的地物信息，但是对水体以外的塌陷地难以确定。航空影像也是近年来才得以应用的一项探测技术，精度高但是成本高、时效性差。地形图绘制精度高，但是成本高不能大面积的应用。而目前广泛采用的沉陷预计方法，虽然获取的塌陷地精度高，但是地上信息没有得到考虑。
综上所述，由于矿区土地损毁类型具有多样性，上述各种单一信息获取方法无法获得矿区土地全部的损毁信息。
发明内容
本发明的目的是为解决上述已有技术的不足之处，提出一种基于多数据源的矿区土地生态损伤信息获取方法，该方法融合多源、多时相卫星、航空遥感影像的星、空、地、井“四位一体”的矿区土地生态损伤信息，旨在突出地下采矿信息的先导作用，以及遥感数据与非遥感数据、地上信息与地下信息的耦合，实现矿区土地生态损伤信息的快速提取，为塌陷地的治理提供技术基础支撑。
本发明提出的一种基于多数据源的矿区土地生态损伤信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）基于井下数据源对待测土地损伤地区范围的确定：首先获取矿区煤炭分布和煤层信息以及开采信息(如采掘工程平面图)，进行开采沉陷预计,绘制沉陷等值线图,确定待测土地损伤地区的范围；
2）基于卫星遥感数据源的土地损伤信息提取:基于步骤1)所确定的范围获取相应范围地区的卫星遥感图像及卫星影像立体相对；对所述卫星遥感图像进行几何校正、图像彩色合成、图像融合处理，并根据步骤1)中确定的范围边界从卫星遥感图像中删除边界外的图像区域,同时进行卫星遥感图像与沉陷等值线图进行叠加,用多尺度小波变换边缘检测的方法从卫星遥感图像中获取土地利用类型变更信息、沉陷水域边界、植被覆盖度损伤信息、大型矸石压占场地边界的土地损伤信息；
3）基于航空遥感数据源的土地损伤信息提取：基于步骤1)所确定的范围进行航空遥感监测（其中含有步骤2）卫星遥感未能获得信息的区域）获取航空遥感影像立体相对,应用解析摄影测量的方法对卫星影像立体相对和航空遥感影像立体相对进行处理得到该待测地区的地面高程模型DEM；利用所获取的至少2个以上不同时相的DEM进行叠加，用以对步骤2）中提取的卫星遥感的土地损伤信息进行确认，并进一步获取沉陷坑高程信息、小型矸石压占场地边界（这些信息卫星遥感无法确定）的土地损伤信息；
4）基于地面信息数据源获取技术的土地损伤信息提取：利用采矿前地形图和采矿过程中更新的地形图中的地面信息，以及实地的土地调查数据，对步骤3）获取的土地损伤信息进行进一步确认和补充；
5）划分土地损伤等级图:依据待测土地损伤地区潜水位的大小，对步骤4）获取的土地损伤信息划分不同的损伤等级，分别为：轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区，相对应的破坏程度依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，同时生成土地损伤等级图。
所述步骤5）中的轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区的划分依据为：对于沉陷区，根据该区域潜水位大小，沉陷深度小于最小潜水位的区域为轻度损伤区（非积水区），沉陷深度大于最大潜水位的区域为重度损伤区（常年积水区），随着季节降雨量的不同，潜水位也会变化，介于上述两种情况之间的为中度损伤区（季节性积水区）；大型矸石压占场地为重度损伤区，对于土地利用类型变更、植被覆盖度改变30%以下的为轻度损伤区，30%-60%的为中度损伤区，大于60%的为重度损伤区。
本发明主要具有以下技术优点：
1）突出地下采矿信息的先导作用，实现了地上信息与井下信息的确认和补充，从土地损伤产生的根源来实现整个技术流程。
2）采用多源数据提取土地损伤信息，有效地摈弃了单一数据源信息提取的缺点，实现了遥感数据与非遥感数据的耦合。
3）首次实现星、空、地、井“四位一体”的矿区土地生态损伤信息的快速获取，为发现土地生态损伤的范围及分布、并为损毁土地的治理提供基础信息。
附图说明
图1为本发明方法总体流程框图。
图2为本实施例的矿区工作平面图。
图3为本发明方法实施例的图像融合处理后的IRS-P5卫星图像。
图4基于卫星影像的CA差值法处理流程框图。
图5为本实施例的用多尺度小波变换边缘检测的方法得到的水域边界图。
图6基于航空影像的煤矸石解译图。
图7本实例的待测区土地损伤结果图。
具体实施方法
本发明提出的一种基于多数据源的矿区土地生态损伤信息获取方法，本发明方法总体流程框图如图1所示，结合附图及实施例详细说明如下：
1）基于井下数据源对待测土地损伤地区范围的确定：首先提取矿区煤炭资源分布和煤层信息，初步了解地表土地损伤的可能范围；进而通过开采信息(如图2所示的采掘工程平面图，图中虚线表示各采矿区边界线，实直线表示、方框表示)，结合煤层信息进行开采沉陷预计,绘制沉陷等值线图；然后将等值线图（工程平面图坐标）中坐标转换至大地坐标，最终确定待测土地损伤地区的范围（如图3所示的底图为IRS-P5卫星图像，虚线表示土地损伤初步范围边界）。
2）基于卫星遥感数据源的土地损伤信息提取:基于步骤1)所确定的范围获取相应范围地区的卫星遥感图像及卫星影像立体相对；对所述卫星遥感图像进行几何校正、图像彩色合成、图像融合处理，并根据步骤1)中确定的范围边界从卫星遥感图像中删除边界外的图像区域,同时进行卫星遥感图像与沉陷等值线图进行叠加。收集矿区土地利用现状图并结合土地利用现状图确立解译标志，然后根据解译标志，在该图像上直接提取出目标损害类型的位置和信息，另外利用图像分割、监督分类、非监督分类等方法对卫星遥感图像进行分类，获取待测区的土地利用、植被、沙漠化等信息；二是充分利用遥感影像的光谱信息，建立空间分析模型，编辑光谱处理流程来获取植被指数、水指数等信息；以及利用多变量统计分析方法——对应分析（Correspondence Analysis，简称CA）法，并将其与影像差值法相结合混合探测变化信息，用以对矿区地表环境的变化分析；其中CA差值法处理流程如图4所示,首先对两个不同时相的影像进行图像匹配处理，然后通过CA转换并做差值处理，从而达到自动检测变化区域的目的；用多尺度小波变换边缘检测的方法从遥感图像中确定获取沉陷水域边界信息，监测结果的塌陷区水域，如图5所示中的块状图案；
3）基于航空遥感数据源的土地损伤信息提取：基于步骤1)所确定的范围进行航空遥感监测（其中含有步骤2）卫星遥感未能获得信息的区域）获取航空遥感影像立体相对,应用解析摄影测量的方法对卫星影像立体相对和航空遥感影像立体相对进行处理得到该待测地区的地面高程模型DEM；利用所获取的至少2个以上不同时相的DEM进行叠加，用以对步骤2）中提取的卫星遥感的土地损伤信息进行确认，并进一步获取沉陷坑高程信息、小型矸石压占场地边界（这些信息卫星遥感无法确定）的土地损伤信息；
结合地面实地调查确定矿区主要损伤类型的解译判读标志，如山区型煤矿区煤矸石的遥感解译判读标志是堆放形状有一定的规则，长条形、圆锥型堆放居多，在航空遥感影像上可以有清晰的边界及形状反映；圆锥形煤矸石山在高分辨率遥感影像上显示为漏斗型，边界十分清晰；颜色上，在RGB彩色合成的正摄航片上，煤矸石以铁青色显示，如图6所示，图中为基于航空影像的煤矸石解译图，曲线为矸石山边界解译结果；山区型非积水塌陷坑的判读特征在航空遥感影像上一般有突出显示，一般高于周边地形，形状多呈圆型状；主要影像特征是黑色圆形外加半圈白色月牙形；最后在解译标志的支持下获取研究区域的煤矸石、塌陷坑等土地损伤数据。
4）基于地面信息数据源获取技术的土地损伤信息提取：利用采矿前地形图和采矿过程中更新的地形图中的地面信息，以及实地的土地调查数据，对步骤3）获取的土地损伤信息进行进一步确认和补充；
首先在遥感图像上随机选取均匀分布的样本点，评价遥感信息提取的精度，对遥感解译结果进行验证；对遥感信息不能提取的裂缝、塌陷等地质破坏情况通过GPS定位及监测进行记录，形成对遥感解译的补充；除此以外，煤矿区的土地生态损伤还往往包括各种污染，因此地面调查还包括对植被覆盖度变化大、煤矸石压占区域进行样点建立并采集样品，带回室内进行分析，调查研究区环境污染情况。
5）划分土地损伤等级图:在地理信息系统软件的支持下，依据待测土地损伤地区潜水位的大小，对步骤4）获取的土地损伤信息划分不同的损伤等级，分别为：轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区，相对应的破坏程度依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，同时生成土地损伤等级图，如图7所示为本实施例的待测区土地损伤结果，浅灰色为轻度损伤区，中灰色为中度损伤区，深灰色为重度损伤区），为损毁土地的修复与保护提供依据。
Claims (2)
1.一种基于多数据源的矿区土地生态损伤信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）基于井下数据源对待测土地损伤地区范围的确定：首先获取矿区煤炭分布和煤层信息以及开采信息，进行开采沉陷预计,绘制沉陷等值线图,确定待测土地损伤地区的范围；
2）基于卫星遥感数据源的土地损伤信息提取:基于步骤1)所确定的范围获取相应范围地区的卫星遥感图像及卫星影像立体相对；对所述卫星遥感图像进行几何校正、图像彩色合成、图像融合处理，并根据步骤1)中确定的范围边界从卫星遥感图像中删除边界外的图像区域,同时进行卫星遥感图像与沉陷等值线图进行叠加,用多尺度小波变换边缘检测的方法从卫星遥感图像中获取土地利用类型变更信息、沉陷水域边界、植被覆盖度损伤信息、大型矸石压占场地边界的土地损伤信息；
3）基于航空遥感数据源的土地损伤信息提取：基于步骤1)所确定的范围进行航空遥感监测获取航空遥感影像立体相对,应用解析摄影测量的方法对卫星影像立体相对和航空遥感影像立体相对进行处理得到该待测地区的地面高程模型DEM；利用所获取的至少2个以上不同时相的DEM进行叠加，用以对步骤2）中提取的卫星遥感的土地损伤信息进行确认，并进一步获取沉陷坑高程信息、小型矸石压占场地边界的土地损伤信息；
4）基于地面信息数据源获取技术的土地损伤信息提取：利用采矿前地形图和采矿过程中更新的地形图中的地面信息，以及实地的土地调查数据，对步骤3）获取的土地损伤信息进行进一步确认和补充；
5）划分土地损伤等级图:依据待测土地损伤地区潜水位的大小，对步骤4）获取的土地损伤信息划分不同的损伤等级，分别为：轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区，相对应的破坏程度依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，同时生成土地损伤等级图。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5）中的轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区的划分依据为：对于沉陷区，根据该区域潜水位大小，沉陷深度小于最小潜水位的区域为轻度损伤区，沉陷深度大于最大潜水位的区域为重度损伤区，介于所述两种情况之间的为中度损伤区；大型矸石压占场地为重度损伤区，对于土地利用类型变更、植被覆盖度改变30%以下的为轻度损伤区，30%-60%的为中度损伤区，大于60%的为重度损伤区。
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