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基于遥感技术矿区塌陷区动态监测方法研究.rar

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    编号:20180915222317176    类型:共享资源    大小:16.83MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    金币
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    基于 遥感技术 矿区 塌陷 动态 监测 方法 研究
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    山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )摘 要伴 随 我 国 采 煤 事 业 的 迅 速 发 展 , 许 多 地 区 出 现 了 十 分 严 重 的 地 面 塌 陷 。本 文 以 肥 城 市 矿 区 采 煤 塌 陷 区 环 境 监 测 为 例 进 行 动 态 时 空 监 测 。 采 用 遥 感 技术 对 采 煤 塌 陷 区 域 地 面 环 境 进 行 监 测 , 最 终 达 到 对 塌 陷 区 生 态 环 境 进 行 宏 观的 、 快 速 的 、 准 确 有 效 的 监 测 , 为 政 府 部 门 的 决 策 起 到 重 要 的 参 考 作 用 。本 文 以 肥 城 市 北 部 煤 矿 塌 陷 区 为 例 , 选 取 了 3 种 传 感 器 、 3个 时 相 、 时间 跨 度 长 达 26 年 的 遥 感 图 像 , 即 1987 年 的 Landsat5 TM 数 据 、 2000 年 的Landsat7 ETM+和 2013年 的 Landsat8 OLI数 据 。 本 文 首 先 对 各 个 遥 感 影 像进 行 波 段 统 计 和 最 佳 指 数 因 子 的 计 算 来 选 择 最 佳 波 段 组 合 , 再 对 三 期 数 据 做预 处 理 , 包 括 辐 射 定 标 、 大 气 校 正 、 几 何 配 准 等 。 然 后 , 利 用 分 类 后 比 较 法 、主 成 分 分 析 法 和 图 像 融 合 法 对 研 究 区 内 的 变 化 信 息 进 行 提 取 , 并 进 行 了 定 量和 定 性 统 计 分 析 , 最 后 制 作 出 动 态 监 测 变 化 图 。 三 种 方 法 相 互 比 较 , 互 为 补充 保 证 了 结 果 的 精 度 。 其 中 在 分 类 后 处 理 过 程 中 , 本 文 还 用 了 GoogleEarth平 台 作 为 目 视 解 译 和 分 类 修 改 的 辅 助 工 具 。本 文 对 于 图 像 的 信 息 提 取 及 分 类 是 很 有 效 的 , 提 高 了 整 体 工 作 效 率 , 为环 境 重 建 和 复 垦 工 作 提 供 了 迅 速 、 有 力 的 科 学 依 据 , 并 对 政 府 部 门 做 出 快 速 、正 确 的 决 策 提 供 了 重 要 的 科 学 参 考 。关 键 词 : 采 煤 塌 陷 区 ;动 态 监 测 ;多 源 多 遥 感 影 像 ; 变 化 信 息山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )AbstractWith Chinese mining industry developing rapidly, many areas have very seriousground subsidence. Based mining subsidence area of Kailuan coal mine as anexample of environmental monitoring, we make the dynamic and space-timmonitoring. The surface environmental monitored by Remote sensing (RS) andGeographic Information System (GIS) technology in mining subsidence area,eventually, we will attain a aim that the monitoring is macro, fast, accurate andeffective to the ecological environment of subsidence area. It can play animportant role in the decision-making of government and the mining area ofecological reconstruction and plan.In this paper, based on the mining subsidence area in the north of Feicheng.we choose the three kinds of sensors and three time images, which are the TMdata of Landsat 5 in 1987, and the ETM+ data of Landsat7 in 2000 and theLandsat8 OLI data in 2013. The remote sensing images have a time-span of 26years. In this paper, we first select the best combination of band and the optimumindex factor for each remote sensing image, and then preprocess the three-stagedata, including radiation correction, tmospheric correction and geometricregistrationa.Then, the post-classification comparison method, the principalcomponent analysis method and the image fusion method are used to extract thechange information in the study area, and the quantitative and statistical analysisis carried out. Finally, the dynamic monitoring change map is made.The threemethods are compared with each other and complement each other to ensure theaccuracy of the results. Which in the classification of post-processing process,this article also used the Google Earth platform as a visual interpretation andclassification of auxiliary tools.山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )It is very effective to extract images information and classification. Itimproves the efficiency of the entire work. This paper provides a rapid andstrong scientific basis for environmental redevelopment and reclamation toFeicheng Mining SubsidenceAreas.K ey words: Coal mining subsidence area; Dynamic monitoring m; Multi-sourceremote sensing image; Change information山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )目 录1 绪 论 ....................................................................................................11.1研 究 区 背 景 .............................................................................................................11.2研 究 目 的 及 意 义 ....................................................................................................31.3国 内 外 研 究 现 状 ....................................................................................................41.4研 究 内 容 、 研 究 方 法 及 技 术 路 线 ...................................................................62 研 究 区 概 况....................................................................................................................92.1研 究 区 范 围 .............................................................................................................92.2自 然 地 理 条 件 ......................................................................................................102.3社 会 人 文 条 件 ......................................................................................................112.4塌 陷 区 现 状 分 析 ..................................................................................................113 数 据 源 与 数 据 预 处 理 ............................................................................................133.1数 据 源 ....................................................................................................................133.2最 佳 波 段 选 择 ......................................................................................................143.3遥 感 图 像 预 处 理................................................................................................. 244 矿 区 塌 陷 区 遥 感 动 态 监 测 理 论 及 实 例 分 析 ...........................................284.1塌 陷 区 遥 感 影 像 特 征 ........................................................................................284.2遥 感 变 化 监 测 理 论 .............................................................................................294.3研 究 区 实 例 分 析 ................................................................................................. 304.4结 果 分 析 ............................................................................................................... 425 结 论 与 展 望 ..................................................................................................................455.1总 结 ....................................................................................................................455.2 存 在 的 问 题..........................................................................................................46山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )5.3 建 议 与 展 望 ..........................................................................................................46参 考 文 献 ............................................................................................................................48致 谢 ..................................................................................................................................50附 录 ..................................................................................................................................51山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )11 绪 论1.1 研 究 区 背 景建 国 50年 来 , 我 国 的 矿 业 发 展 很 快 , 矿 产 开 发 总 规 模 居 世 界 第 三 位 ,己 成 为 世 界 上 的 矿 业 大 国 之 一 。 随 着 国 民 经 济 对 煤 炭 需 求 的 日 益 增 加 , 我 国煤 炭 产 量 有 逐 年 上 升 趋 势 。 然 而 在 火 热 的 煤 炭 生 产 背 后 , 却 存 在 着 一 个 很 严重 的 无 法 回 避 的 问 题 , 那 就 是 采 空 地 面 塌 陷 。采 空 地 面 塌 陷 是 指 地 表 岩 、 土 体 在 自 然 或 人 为 因 素 作 用 下 , 向 下 陷 落 ,并 在 地 面 形 成 塌 陷 坑 的 一 种 地 质 现 象 。 当 这 种 现 象 发 生 在 有 人 类 活 动 的 地 区时 , 便 可 能 成 为 一 种 地 质 灾 害 。 它 可 以 在 地 上 的 山 体 中 , 也 可 以 在 地 下 的 矿场 中 。 矿 山 采 空 区 地 面 塌 陷 , 许 多 矿 区 均 有 发 育 , 尤 以 北 方 煤 田 区 最 为 严 重 。采 煤 塌 陷 区 的 大 小 和 分 布 与 各 地 区 煤 炭 的 累 计 开 采 量 成 正 比 。 根 据1949-2002年 统 计 资 料 分 析 , 山 东 累 计 原 煤 产 量 占 到 全 国 比 重 的 6.57%, 位于 各 省 产 煤 量 前 列 。 由 此 可 知 , 山 东 省 境 内 也 存 在 较 为 严 重 的 煤 矿 地 面 塌 陷的 现 象 。 地 面 塌 陷 区 的 迅 速 增 加 , 带 来 了 很 多 危 害 , 直 接 威 胁 着 人 民 群 众 生活 和 生 产 的 发 展 , 制 约 了 国 民 经 济 和 社 会 事 业 长 远 规 划 的 实 现 。 而 采 煤 塌 陷地 危 害 主 要 表 现 在 以 下 几 方 面 :(1)破 坏 耕 地我 国 是 一 个 农 业 大 国 , 土 地 资 源 紧 张 , 耕 地 资 源 更 是 紧 张 。 由 于 地 面 塌陷 改 变 了 原 来 的 地 面 形 态 , 变 得 凹 凸 不 平 , 在 地 下 水 位 浅 的 地 段 , 形 成 长 年积 水 洼 地 , 大 部 分 耕 地 无 法 很 好 的 耕 种 , 失 去 了 原 来 的 生 产 水 平 , 有 的 甚 至绝 产 , 造 成 了 土 地 资 源 的 极 大 浪 费 。(2)对 矿 区 水 环 境 的 影 响在 我 国 中 、 西 部 干 旱 的 丘 陵 地 区 , 采 煤 塌 陷 改 变 了 矿 区 的 水 文 地 质 条 件 。采 煤 引 起 的 地 表 移 动 , 不 仅 会 导 致 灾 害 性 透 水 事 故 、 浅 层 地 下 水 位 下 降 或 丧山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )2失 、 地 表 水 系 受 到 破 坏 、 河 流 水 井 枯 竭 , 而 且 也 使 得 耕 作 土 更 容 易 受 风 、 水等 侵 蚀 , 引 起 土 地 沙 漠 化 以 及 土 地 滑 坡 和 泥 石 流 。 而 在 我 国 平 原 矿 区 , 常 形成 积 水 塌 陷 坑 或 季 节 性 积 水 塌 陷 坑 , 或 者 由 于 采 空 造 成 地 表 岩 移 和 塌 陷 , 使原 灌 溉 水 渠 和 河 道 标 高 发 生 了 改 变 , 排 水 系 统 失 效 , 难 以 泄 洪 , 从 而 使 农 田受 淹 。(3)对 矿 区 土 壤 环 境 的 影 响采 煤 塌 陷 对 水 环 境 的 影 响 也 直 接 影 响 土 壤 环 境 。 干 旱 矿 区 的 地 下 水 位 下降 , 使 土 壤 微 气 象 变 得 干 燥 , 土 地 干 裂 。 塌 陷 坑 和 地 裂 缝 扰 乱 了 原 来 相 对 稳定 的 土 壤 结 构 , 水 肥 沿 倾 斜 的 地 面 和 开 裂 的 裂 缝 渗 漏 流 失 , 土 壤 肥 力 不 断 下降 。(4)对 地 表 建 筑 物 的 破 坏采 煤 引 起 的 地 表 移 动 , 其 方 向 多 变 , 速 度 不 匀 , 引 起 地 表 建 筑 物 的 破 坏 。在 移 动 盆 地 中 央 , 地 表 主 要 表 现 为 下 沉 塌 陷 , 如 不 积 水 , 对 建 筑 物 的 损 害 较轻 , 而 在 采 空 区 四 周 边 内 侧 上 方 地 表 附 近 , 是 各 种 变 形 的 集 中 区 , 对 建 筑 物的 损 害 较 重 。(5)对 矿 区 铁 路 和 公 路 的 破 坏地 面 不 均 匀 的 塌 陷 , 使 得 矿 区 公 路 变 得 波 状 起 伏 。 铁 路 也 受 到 不 同 程 度的 影 像 , 矿 区 的 铁 路 和 公 路 多 次 进 行 维 修 和 重 建 。(6)对 其 它 设 施 的 破 坏包 括 对 桥 涵 、 管 线 、 输 电 线 路 、 河 堤 等 的 破 坏 。 地 表 移 动 产 生 的 变 形 使管 壁 断 裂 , 改 变 管 路 的 原 坡 度 , 导 致 流 通 不 畅 ; 对 输 电 线 路 的 损 害 也 是 受 地表 移 动 变 形 影 响 , 塔 杆 歪 斜 、 杆 距 改 变 , 从 而 影 响 线 路 的 弛 度 和 高 度 。要 掌 握 塌 陷 地 随 开 采 活 动 的 扩 展 规 律 、 塌 陷 区 面 积 、 破 坏 程 度 、 积 水 区范 围 等 数 据 资 料 , 运 用 常 规 手 段 对 采 煤 塌 陷 区 进 行 动 态 监 测 是 难 以 达 到 的 ,不 仅 会 耗 费 大 量 人 力 、 物 力 和 财 力 , 并 且 也 会 因 耗 时 过 长 而 达 不 到 及 时 、 准山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )3确 和 快 速 监 测 的 目 的 , 特 别 是 在 历 史 数 据 的 获 取 、 动 态 监 测 的 时 间 以 及 数 据的 更 新 等 方 面 无 法 满 足 要 求 。遥 感 特 有 的 宏 观 、 综 合 、 动 态 、 快 速 的 特 点 , 决 定 了 它 能 够 被 广 泛 地 应用 于 国 民 经 济 与 社 会 发 展 的 各 个 领 域 , 解 决 地 球 的 资 源 与 环 境 等 问 题 服 务 。由 于 遥 感 信 息 所 具 有 的 多 源 性 , 丰 富 和 扩 充 了 常 规 野 外 测 量 所 获 取 数 据 的 不足 和 缺 陷 , 以 及 在 遥 感 图 像 处 理 技 术 上 的 巨 大 成 就 , 使 人 们 能 够 从 宏 观 到 微观 的 范 围 内 , 快 速 而 有 效 地 获 取 和 利 用 多 时 相 、 多 波 段 的 地 球 资 源 与 环 境 的影 像 信 息 , 并 进 而 为 改 造 自 然 、 为 人 类 造 福 服 务[1]。 因 此 , 遥 感 图 像 能 快 速 、周 期 性 地 提 供 塌 陷 区 的 大 量 有 关 信 息 , 为 采 煤 塌 陷 区 动 态 监 测 工 作 服 务 。1.2 研 究 目 的 及 意 义1.2.1 研 究 目 的为 了 解 决 采 煤 塌 陷 区 动 态 变 化 监 测 难 题 , 本 文 以 肥 城 市 北 部 矿 区 为 例 ,采 用 遥 感 技 术 对 采 煤 塌 陷 区 地 面 环 境 进 行 监 测 , 分 析 得 到 塌 陷 区 分 布 情 况 变化 、 面 积 变 化 以 及 塌 陷 区 的 复 垦 情 况 , 为 塌 陷 区 环 境 保 护 和 生 态 重 建 、 资 源的 有 效 利 用 及 其 可 持 续 发 展 提 供 有 效 的 决 策 规 划 依 据 , 最 终 达 到 对 塌 陷 区 生态 环 境 进 行 宏 观 的 、 快 速 的 、 准 确 有 效 的 监 测 , 为 政 府 部 门 的 决 策 提 供 重 要的 参 考 , 为 矿 区 生 态 重 建 和 规 划 服 务 。1.2.2 研 究 意 义煤 炭 是 我 国 的 主 要 能 源 之 一 , 在 我 国 的 生 产 和 消 费 资 源 中 占 据 主 要 地位 。 然 而 , 煤 炭 资 源 的 开 发 在 支 持 国 家 经 济 建 设 、 改 善 人 民 物 质 生 活 的 同 时 ,也 引 发 了 一 系 列 矿 山 地 质 灾 害 。 煤 炭 资 源 的 大 规 模 开 采 , 破 坏 了 上 覆 岩 层 的稳 定 性 , 导 致 地 表 的 下 沉 、 塌 陷 。 而 采 煤 造 成 的 地 表 塌 陷 , 破 坏 当 地 的 水 文 、土 壤 条 件 影 响 农 业 生 产 , 影 响 地 面 基 础 设 施 和 建 筑 物 的 质 量 , 甚 至 塌 陷 地 表造 成 的 积 水 给 矿 区 周 围 区 域 带 来 了 较 为 严 重 的 污 染 。 采 煤 塌 陷 区 已 经 严 重 影山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )4响 了 人 民 生 活 和 生 产 活 动 , 成 为 制 约 经 济 发 展 的 重 大 障 碍 。 如 何 有 效 及 时 地监 测 采 煤 塌 陷 区 的 变 化 , 做 好 塌 陷 区 的 复 垦 工 作 , 已 成 为 目 前 亟 待 解 决 的 问题 。 肥 城 市 地 处 山 东 省 中 部 , 是 山 东 省 重 要 的 煤 炭 基 地 , 自 1958年 建 矿 以来 , 先 后 有 13座 煤 矿 建 设 投 产 。 由 于 地 下 煤 炭 资 源 的 不 断 开 采 , 造 成 大 面积 塌 陷 , 使 耕 地 面 积 逐 年 减 少 , 采 煤 塌 陷 涉 及 肥 城 市 4个 乡 镇 71个 行 政 村 。由 于 地 面 塌 陷 , 交 通 、 村 庄 、 水 利 、 农 业 基 础 设 施 遭 到 严 重 破 坏 , 大 面 积 的良 田 变 成 沼 泽 水 域 , 杂 草 丛 生 , 荆 棘 遍 地 , 生 态 环 境 恶 化 , 人 民 的 正 常 生 产和 生 活 受 到 严 重 影 响 。目 前 在 塌 陷 区 尺 度 上 , 地 表 形 变 测 量 等 常 规 方 法 成 本 高 , 没 有 统 一 规 范 ,更 没 有 建 立 起 一 套 可 行 的 持 续 获 取 塌 陷 区 监 测 数 据 的 方 法 , 对 采 煤 塌 陷 区 的生 态 环 境 演 变 问 题 尚 无 法 提 供 充 分 的 数 据 与 技 术 的 支 持 。 要 掌 握 塌 陷 区 随 开采 活 动 的 扩 展 规 律 、 塌 陷 区 面 积 、 破 坏 程 度 、 积 水 区 范 围 等 数 据 资 料 , 运 用常 规 手 段 对 采 煤 塌 陷 区 进 行 动 态 监 测 是 难 以 达 到 的 , 不 仅 会 耗 费 大 量 人 力 、物 力 和 财 力 , 并 且 也 会 因 耗 时 过 长 而 达 不 到 及 时 、 准 确 和 快 速 监 测 的 目 的 ,特 别 是 在 历 史 数 据 的 获 取 、 动 态 监 测 的 时 间 以 及 数 据 的 更 新 等 方 面 无 法 满 足要 求 。 因 此 , 遥 感 图 像 能 快 速 、 周 期 性 地 提 供 塌 陷 区 的 大 量 有 关 信 息 , 为 采煤 塌 陷 区 动 态 监 测 工 作 服 务 。1.3 国 内 外 研 究 现 状1.3.1 国 外 研 究 现 状利 用 遥 感 技 术 进 行 国 内 外 动 态 监 测 应 用 范 围 很 广 , 其 中 矿 区 塌 陷 区 的 监测 就 是 其 中 一 个 领 域 , 很 多 国 家 在 这 方 面 开 展 过 研 究 。美 国 利 用 3S技 术 对 煤 矿 生 产 产 生 的 煤 歼 石 堆 进 行 动 态 监 测 , 防 止 研 石堆 发 生 爆 炸 ;同 时 , 他 们 利 用 GPS对 控 制 点 进 行 采 集 , 用 RS对 煤 矿 区 土 地 复山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )5垦 效 果 进 行 动 态 监 测 , 为 土 地 复 垦 管 理 提 供 客 观 的 资 料 , 并 应 用 GIS进 行 数据 的 管 理 , 提 高 了 资 源 一 环 境 管 理 部 门 的 执 法 力 度 [2]。澳 大 利 亚 也 进 行 土 地 评 估 规 划 , 它 是 一 个 矿 业 为 主 的 国 家 , 也 是 世 界 上先 进 而 成 功 处 理 扰 动 土 地 的 国 家 。 它 们 实 现 了 由 卫 星 遥 感 提 供 生 态 治 理 设 计的 基 础 参 数 并 选 择 场 地 位 置 , 计 算 机 完 成 场 地 地 形 地 貌 的 最 佳 化 选 择 。 澳 大利 亚 还 进 行 过 “ ACLEP” ,这 是 一 项 土 地 评 估 项 目 , 主 要 是 由 遥 感 技 术 得 到 的信 息 和 用 遥 感 动 态 监 测 手 段 得 到 的 环 境 动 态 数 据 , 应 用 于 城 市 环 境 监 测 综 合管 理[3]。1.3.2 国 内 研 究 现 状煤 炭 部 用 3S技 术 对 我 国 东 部 煤 矿 区 进 行 了 监 测 和 治 理 , 采 用 GPS作 控制 点 定 位 测 量 , 利 用 法 国 SPOT卫 星 遥 感 图 像 资 料 以 及 不 同 时 相 的 彩 色 红 外和 黑 白 全 色 航 空 遥 感 像 片 , 进 行 计 算 机 几 何 纠 正 和 图 像 处 理 , 最 后 得 到 红 、绿 、 蓝 3色 的 假 彩 色 多 波 段 匹 配 图 像 。 不 同 色 调 可 以 反 映 开 采 塌 陷 区 的 积 水状 态 和 历 史 变 化 , 因 此 , 以 1:10000地 形 图 作 为 地 理 底 图 , 对 解 译 的 遥 感 图像 进 行 投 影 转 绘 , 形 成 反 映 不 同 积 水 深 度 塌 陷 区 范 围 及 其 年 代 变 化 的 专 题图 , 结 合 矿 区 实 际 情 况 总 结 出 的 塌 陷 区 类 型 及 其 遥 感 图 像 解 译 标 志[4]。2002年 彭 淑 萍 、 王 磊 等 利 用 多 时 相 TM图 像 , 提 取 煤 矿 区 积 水 塌 陷 面 积扩 展 变 化 的 信 息 , 为 矿 区 积 水 塌 陷 区 的 监 测 治 理 和 综 合 利 用 提 供 依 据 。 主 要采 用 不 同 时 相 的 TM数 据 作 为 一 个 混 合 数 据 集 进 行 主 成 分 变 换 处 理 , 使 得 积水 塌 陷 区 扩 展 变 化 信 息 充 分 体 现 出 来 。 由 于 客 观 成 像 条 件 、 环 境 条 件 等 诸 多因 素 的 不 同 , 因 此 采 用 “ 拟 合 归 一 化 ” 方 法 , 提 高 不 同 时 期 原 始 TM数 据 的“ 一 致 性 ” 和 “ 可 比 性 ” 。 并 且 用 GPS进 行 控 制 点 的 采 集 , 用 GIS对 所 得 煤矿 区 积 水 塌 陷 面 积 扩 展 变 化 的 信 息 进 行 有 效 的 管 理[5]。
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