CN108416508A - 一种地表生态影响边界的提取方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地表生态影响边界的提取方法及系统，所述地表生态影响边界的提取方法包括：对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数；提取待测区域中非积水范围内所有像元中心点，并计算像元中心点距积水区边缘的距离；分析遥感指数随像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出遥感指数的参数稳定范围；根据遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。本发明基于遥感影像提取采煤沉陷对地表生态影响边界的方法，不需要野外实测数据，可以很大程度上提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及遥感测绘和环境监测技术领域，特别涉及一种地表生态影响边界的提取方法及系统。
背景技术
《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称《三下采煤规程》)中以下沉10mm作为地下采煤对地表扰动的边界，该边界是基于对建筑物影响划分的。长期以来，对开采沉陷对生态的影响边界采用10mm下沉等值线一直存有疑义。土地复垦理论中普遍选取地表水平变形、附加倾斜、下沉深度、沉陷后潜水位埋深以及耕地生产力下降程度标准对土地损毁程度分级评定，进而获取耕地的损毁范围，由于现行的耕地损毁边界评定需要大量的实测参量，耕地的生产力下降测算可操作性差，在实际的研究中局限性明显。
目前现有《三下采煤规程》从地表下沉深度角度出发，定义下沉盆地，由于仪器存在观测误差，一般用水准测量的误差(约为10mm)作为地下采煤对地表扰动边界的界定指标，开采沉陷理论中地表下沉10mm边界通过沉陷预计获取。《三下采煤规程》中给出地表下沉10mm边界是基于对建筑物影响划分的，根据矿区开采相关资料，通过沉陷预计可求得。地表下沉10mm边界是基于对建筑物影响划分的，是否适用于开采沉陷对生态的影响边界存在一定的质疑。
《土地复垦方案编制规程》中从土地损毁程度出发，在地表下沉指标的基础上，充分考虑地形条件、地下潜水位以及植被生产力等指标，作为矿区土地重度、中度、轻度损毁的评价标准，并以轻度损毁范围边界作为采煤对土地影响的边界。各土地利用类型损毁程度评价参考标准如表：
表1水田损毁程度分级
表2水浇地损毁程度分级
表3旱地损毁程度分级
表4林地、草地损毁程度分级
注：附加倾斜指受采煤沉陷影响而增加的倾斜(坡度)；任何一项指标达到相应标准即认为土地损毁达到该损毁等级。
《土地复垦方案编制规程》中给出的损毁参考指标包括：水平变形、附加倾斜、下沉、沉陷后潜水位埋深以及生产力降低，损毁程度界定以任何一项指标达到相应标准即可，根据大量实测数据可以判定。《土地复垦方案编制规程》中给出的土地损毁程度评价参考标准中生产力的评价指标是一致的，而其他损毁参考指标水平变形、附加倾斜、下沉深度、沉陷后潜水位埋深不同地类标准不统一，且损毁程度界定以任何一项指标达到相应标准即可，所以采煤对地表土地损毁等级及进一步的范围确定缺乏有效的标准，且土地复垦理论中有关土地损毁的指标需要大量实测数据，效率较低。
近年来，随着遥感理论、技术的发展及遥感数据源不断开放，遥感以其不同高度、大范围、快速和多谱段周期性观测、信息量大等特点，在定量反演陆地表面参量及矿区生态变化动态监测中的应用日益广泛。植被、土壤作为重要的生态系统要素，对生态系统扰动极为敏感，成为评价人类活动和环境对生态系统影响评价的重要指标。因此，基于遥感影像，选取合适的植被、土壤指数，定量的提取塌陷积水区生态影响边界成为一种可能。
发明内容
本发明提供了一种地表生态影响边界的提取方法及系统，解决了土地损坏的指标需要大量实测数据、效率较低问题。
本发明第一方面提供了一种采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法，包括：对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数；提取待测区域中非积水范围内像元中心点，并计算所述像元中心点距积水区边缘的距离；分析所述遥感指数随所述像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出所述遥感指数的参数稳定范围；根据所述遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。
优选地，所述遥感指数，包括：地表温度、植被指数、土壤湿度。
优选地，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式为：
y＝(a-c)*ebx+c；
其中，y代表拟合值，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
优选地，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式与均方根误差RMSE相结合，求出所述遥感指数的参数稳定范围的公式为：
(a-c)*ebx+c±RMSE＝c；
其中，RMSE代表均方根误差，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
本发明第二方面提供了一种采煤沉陷对地表生态影响边界的提取系统，包括：对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数；提取待测区域中非积水范围内像元中心点，并计算所述像元中心点距积水区边缘的距离；分析所述遥感指数随所述像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出所述遥感指数的参数稳定范围；根据所述遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。
优选地，所述遥感指数，包括：地表温度、植被指数、土壤湿度。
优选地，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式为：
y＝(a-c)*ebx+c；
其中，y代表拟合值，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
优选地，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式与均方根误差RMSE相结合，求出所述遥感指数的参数稳定范围的公式为：
(a-c)*ebx+c±RMSE＝c；
其中，RMSE代表均方根误差，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
本发明基于遥感影像提取采煤沉陷对地表生态影响边界的方法及系统，不需要野外实测数据，可以很大程度上提高效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的研究区示意图；
图4为本发明实施例提供的距积水区600m范围内像元中心点；
图5为本发明实施例提供的LST、NDVI、TVDI平均值随距积水区边缘距离的变化特征图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
地表生态影响边界是指受采煤沉陷的影响，地表生态受到扰动与非扰动的边界即为地表生态影响边界。以遥感参量作为生态扰动检测指标，遥感参量从受扰动状态的“异常值”到趋于“正常值”的临界距离定义为采煤对地表生态的扰动边界。
图1为本发明实施例提供的一种采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法的流程图。如图1所示，本发明提出了一种采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法，其具体步骤包括：
步骤S101，对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数。
具体的，卫星、航天飞机或无人机对研究区进行遥感摄影中，会有各种因素影响，所以要对多光谱遥感影像或航片等进行预处理，主要包括大气校正、几何校正、波段合成、云及阴影掩膜、影像裁剪等，然后计算遥感指数。
其中，其中，遥感指数可以包括为地表温度、植被指数、土壤湿度等，根据实际工作或研究需要，可以优选单一或多项指标。
步骤S102，提取待测区域中非积水范围内像元中心点，并计算像元中心点距积水区边缘的距离。
具体的，在遥感影像中，提取研究区中塌陷积水区边缘一定范围内像元中心点，并计算各个像元中心点距积水区边缘的距离。
步骤S103，分析遥感指数随像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出遥感指数的参数稳定范围。
得到遥感指数的地表温度、植被指数、土壤湿度和像元中心点距积水区边缘的距离后，将地表温度、植被指数、土壤湿度和像元中心点距积水区边缘的距离按照公式：
y＝(a-c)*ebx+c (1)
进行拟合。其中，y代表拟合值，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
其中，可以将方程(1)与均方根误差RMSE性结合，对随积水区往外各遥感指数达到稳定的范围进行评估，具体求解公式为：
(a-c)*ebx+c±RMSE＝c (2)
其中，RMSE代表均方根误差，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
步骤S104，根据遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。
分别求得各遥感指数的参数稳定范围后，可以综合考虑选取最大值作为采煤沉陷对生态的影响边界；也可根据研究目的需求确定最终的生态影响边界；如当研究目标为采煤沉陷对植被影响时，可以以植被指数求得的稳定边界作为生态影响边界。
根据本发明提出的方法，通过分析遥感指数随研究区中像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，对随积水区往外各遥感指数达到稳定的范围进行评估和计算，得到各遥感指数的参数稳定范围，来确定生态影响边界，这种方法不需要我们去野外进行大量测量数据，很大程度上提高效率。
另外，本发明通过一个具体实施例，结合图2进行详细描述实现过程。
根据图3，以兖州煤田为研究区，以Landsat TM遥感影像作为数据，对影像进行预处理，主要包括大气校正、几何校正、波段合成、云及阴影掩膜、影像裁剪等，计算LST(LandSurface Temperature，地表温度)、NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数)、TVDI(Temperature Vegetation Drought Index，温度植被干旱指数)。
以图3中某一井工开采工作面为例，提取积水区上方及周围600m范围内的像元中心点，见图4，并统计各指数随距积水区距离变化的特征值，见表5-表7。
表5 LST随距积水区边缘不同距离的统计特征值
表6 NDVI随距积水区边缘不同距离的统计特征值
表7 TVDI随距积水区边缘不同距离的统计特征值
将LST、NDVI、TVDI的平均值与距积水区边缘距离按照公式(1)进行拟合，结果如图5所示。然后将拟合所得各方程分别与均方根误差RMSE相结合，对随积水区往外LST、NDVI、TVDI达到稳定的范围进行估计，从积水区往外，根据公式(2)算出LST、NDVI、TVDI到达稳定的距离分别为269m、186m、241m。
本实例以LST、NDVI、TVDI到达稳定的距离最大值作为生态扰动的影响边界。
另外本发明另一方面提出了一种地表生态影响边界的提取系统，包括：对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数；提取待测区域中非积水范围内像元中心点，并计算像元中心点距积水区边缘的距离；分析遥感指数随像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出遥感指数的参数稳定范围；根据遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。
卫星、航天飞机、无人机等对研究区进行遥感摄影中，会有各种因素影响，所以要对遥感影像进行预处理，主要包括大气校正、几何校正、波段合成、云及阴影掩膜、影像裁剪等，然后计算遥感指数。其中，遥感指数可以包括为地表温度、植被指数、土壤湿度。
在遥感影像中，提取研究区中塌陷积水区边缘一定范围内像元中心点，并计算各个像元中心点距积水区边缘的距离。
得到遥感指数的地表温度、植被指数、土壤湿度和像元中心点距积水区边缘的距离后，将地表温度、植被指数、土壤湿度和像元中心点距积水区边缘的距离按照公式：
y＝(a-c)*ebx+c (1)
进行拟合。其中，y代表拟合值，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
其中，可以将方程(1)与均方根误差RMSE性结合，对随积水区往外各遥感指数达到稳定的范围进行评估，具体求解公式为：
(a-c)*ebx+c±RMSE＝c (2)
其中，RMSE代表均方根误差，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
分别求得各遥感指数的参数稳定范围后，可以综合考虑选取最大值作为采煤沉陷对生态的影响边界；也可根据研究目的需求确定最终的生态影响边界；如当研究目标为采煤沉陷对植被影响时，可以以植被指数求得的稳定边界作为生态影响边界。
根据本发明提出的系统，通过分析遥感指数随研究区中像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，对随积水区往外各遥感指数达到稳定的范围进行评估和计算，得到各遥感指数的参数稳定范围，来确定生态影响边界，这种方法不需要我们去野外进行大量测量数据，很大程度上提高效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种地表生态影响边界的提取方法，其特征在于，包括：
对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数；
提取待测区域中非积水范围内像元中心点，并计算所述像元中心点距积水区边缘的距离；
分析所述遥感指数随所述像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出所述遥感指数的参数稳定范围；
根据所述遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。
2.根据权利要求1所述的采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法，其特征在于，所述遥感指数，包括：地表温度、植被指数和土壤湿度。
3.根据权利要求1所述的采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法，其特征在于，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式为：
y＝(a-c)*ebx+c；
其中，y代表拟合值，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
4.根据权利要求3所述的采煤沉陷对地表生态影响边界的提取方法，其特征在于，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式与均方根误差RMSE相结合，求出所述遥感指数的参数稳定范围的公式为：
(a-c)*ebx+c±RMSE＝c；
其中，RMSE代表均方根误差，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
5.一种地表生态影响边界的提取系统，其特征在于，包括：
对待测区域的遥感影像进行预处理，并计算遥感指数；
提取待测区域中非积水范围内像元中心点，并计算所述像元中心点距积水区边缘的距离；
分析所述遥感指数随所述像元中心点距积水区边缘的距离的变化关系，并求出所述遥感指数的参数稳定范围；
根据所述遥感指数的参数稳定范围，确定地表生态影响边界。
6.根据权利要求5所述的采煤沉陷对地表生态影响边界的提取系统，其特征在于，所述遥感指数，包括：地表温度、植被指数和土壤湿度。
7.根据权利要求5所述的采煤沉陷对地表生态影响边界的提取系统，其特征在于，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式为：
y＝(a-c)*ebx+c；
其中，y代表拟合值，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
8.根据权利要求7所述的采煤沉陷对地表生态影响边界的提取系统，其特征在于，所述分析所述遥感指数随距离的变化关系公式与均方根误差RMSE相结合，求出所述遥感指数的参数稳定范围的公式为：
(a-c)*ebx+c±RMSE＝c；
其中，RMSE代表均方根误差，x代表距离，a代表拟合初始值，b代表变化速度，c代表渐近线。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN108416508B (zh) | 2020-10-16 |
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