论文部分内容阅读
我国采矿历史悠久，矿业在国民经济和社会发展中发挥着重要的基础性作用。矿产资源的大规模开发利用，在为人类创造出具大物质财富的同时，也不可避免地改变了周围的环境状况。
长期的矿山开发，加之对环境保护的重视不足，导致植被破坏，土地流失，环境不断恶化，给该地区的社会经济的持续发展带来严重影响。同时，大部分矿山资源都已达到或接近最大可开采量，呈现资源枯竭的趋势，经济转型工作势在必行。所有的一切都迫切需要快速、客观、准确的了解矿山开发利用状况，掌握其变化动态。为此，开展本项研究，以期获得适合本地区的矿山开发和矿山环境遥感监测技术方法，为区域矿山环境的科学管理提供技术支持。研究的具体内容如下：
1．矿山环境遥感解译的机理分析，遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。只有了解不同物体各自具有的电磁辐射特性，才有可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。在介绍电磁波谱、大气对电磁波传输过程的影响、一般地物的光谱特性及环境对地物光谱特性的影响等基本理论知识的基础上，结合本项研究工作的需要，重点对与矿山环境监测相关的典型地物进行波谱分析和遥感解译机理分析，包括：水体遥感机理分析、植被遥感机理分析、矿区遥感解译机理分析、居民地遥感解译机理分析和地质灾害遥感解译机理分析。
2．不同数据源的特征、使用范围以及遥感数据源的选择。重点介绍了TM、ETM+、SPOT和QuickBird卫星的观测参数和各波段特征。要实现矿山开采动态与环境监测的目的，遥感数据源类型及时相的选择是有效提取专题信息的关键。在充分考虑工作区气候和监测对象的地物光谱特征，以及遥感数据的特征参数并比较其可靠性等各方面因素基础上，选择了TM／ETM、SPOT-5、QuickBird三种不同遥感数据类型作为本次研究采用的遥感卫星数据源。
3．遥感数据的处理分析。为了消除遥感成像时的几何畸变，使处理后的图像能更好的接近原始地物，采用多种方法对原始遥感数据进行了图像校正。在对校正后的遥感图像光谱特征进行统计分析的基础上，对矿山环境解译工作中信息提取最佳波段的选取进行了研究，分别基于TM／ETM和QuickBird数据对水体、矿区、植被、居民区和地质灾害提出了对应信息提取的最佳波段组合。考虑到本项研究中获取的sPOT-5图像只是全色一景，不具有统计意义，所以充分利用其高空间分辨率的特点与TM／ETM图像进行融合处理，进行后续的目视解译。通过对QuickBird数据各波段光谱值多元统计分析，研究中发现QuickBird多光谱卫星数据的4个波段间的相关性比较大，呈现数据冗余量大、光谱信息不够丰富的特征。根据监测区矿点多分布空间广、金属矿与非金属矿混合开采、地下开采与露天开采方式多样性等特点，为了提高解译结果的精度，在遥感信息解译前对遥感图像进行包括图像剪裁、拉伸、图像增强等一系列处理。
4．矿山环境遥感图像解译流程的建立。在对遥感图像进行图像校正和图像增强处理的基础上，对研究区矿山环境各要素进行遥感解译，提取所需矿山环境信息。本次研究充分利用了不同遥感数据源的空间、时间和光谱分辨率特点，针对不同层次的研究对象和研究问题进行了综合研究，尝试用遥感手段解决矿山环境监测的问题，并通过目视解译和计算机自动解译两个方面分别进行了阐述。考虑到TM／ETM的空间分辨率较低的问题，目视解译主要针对SPOT-5与QuickBird两种数据进行。在综合比较国内外融合理论和融合方法的基础上，分别采用IHS和PCA主成分融合分析方法对SPOT-5与TM／ETM图像进行了融合增强处理，分别采用了直接判读法、对比分析法、信息复合法、综合推理法和地理相关分析法等方法进行了目视解译工作。在解译过程中采用遥感信息与非遥感信息复合技术，辅助遥感解译。为了确定矿区矿种类型，将已经登记的矿山企业Excel表根据其地理坐标转化为点文件，同时再将研究区1:5万地质图中的矿点矢量化，将非遥感信息叠加到遥感影像上，辅助判别矿种类型。经过室内分析与野外验证，最后得到矿区分布遥感解译图。采用IHS和PCA主成分融合分析方法对QuickBird的多光谱和全色数据进行了融合处理，同时采用自然彩色变换模拟对QuickBird融合数据进行自然色彩变换，输出自然色彩图像。由于融合后的图像空间分辨率达到0.61m，从QuickBird图像中完全可以提取出矿区开发状况的有关信息。通过以上分析初步建立了利用遥感数据目视解译矿山开发状况的基本流程。
5．地物的光谱知识是遥感信息提取中最重要的基础信息。发现光谱知识的方法有典型采样法、光谱曲线法和光谱剖面线法。运用监督分类方法前，在研究区进行了大量的野外调查和室内光谱特征对比研究，已经大致建立了地物与光谱特征的对照表。
6．虽然完全的计算机自动提取解译目前依然存在一定的困难，但是通过研究发现，采用基于知识的决策二叉树的方法来实现矿山环境研究目标的提取，具有简单、明确、直观的分类结构优点，算法不需要关于输入数据分布的假设。
采用基于知识的决策二叉树的方法思想，建立了研究区矿山环境研究目标决策二叉树提取模型图，运用TM/ETM数据分别对矿山的水体、植被、矿区、居民地、耕地、裸地、草地等进行了分类。对于水体进一步细分为重污染水、轻污染、清洁水，植被区进一步细分为林地、灌木，通过反复试验，经过多次野外和室内光谱计算校正，建立了TM图像用于研究区土地覆盖分类知识库表。该知识库的建立为较精确的矿山土地覆盖和环境现状调查提供了可能，并可以为后续的研究提供有益的借鉴。通过试验验证，本次研究提出的分类方法具有很高的分类精度，可以实现区域尺度的矿区变化及矿山环境变化的动态监测。
7．地理信息系统与遥感系统集成技术在矿山环境遥感监测中可以发挥各自的技术优势，遥感技术可以实现整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高了GIS的应用效率。地理信息系统与遥感集成技术可以对遥感手段获取的数据进行快速有效的处理和利用，可以为矿山环境遥感动态监测工作有效进行提供有力的保障。综合考虑矿山动态监测数据库的实用性、动态性及共享性，基于GIS系统为平台，选用了面向对象的空间数据模型Geodatabase来构建工作区矿山动态监测数据库。实现数据库能够汇合空间数据与非空间数据的特征，能有效地实现图形和属性数据的联动。数据内容包括：矢量数据、栅格数据、属性数据、FIN数据。投影系统采用横轴莫卡托(UTM)六度带投影系统，椭球为高斯—克吕格，平面坐标系统为北京坐标系。数据的组织与管理，基于各个专题子库，数据的物理存放以时间序列(1986年，1994年，…)为主题，形成历史数据库。
8．矿区环境动态监测评价中，本项研究主要探索了研究区水体、植被、矿区、居民地和地质灾害等几种主要能够反映环境变化的目标。虽然有一部分水体已经由重污染水体转变为轻污染水体，而且清洁水体也有一定增加，但大量增加的轻污染水使水体污染不容乐观。植被有明显的退化趋势，尤其是矿区周围。居民地飞速增长，2002年的居民地面积将近1986年的4倍，增加的居民地基本分布在采矿区密集区和主要道路边。研究区的地质灾害分布广泛，种类多，规模不一，对生产生活已经造成了比较严重的影响。整个研究区环境已经遭到破坏，并且可能恶化，迫切需要加强采矿企业的管理和矿区环境的有效治理工作。得出的基本结论是：研究区的矿山环境正在恶化，对矿山企业的管理有待于加强。针对研究区的矿山环境问题，提出了防治与保护的建议。
论文在以下几个技术方面有所发展和突破：
1．通过对TM/ETM，SPOT-5，QuickBird卫星数据的光谱分析，提出遥感影像提取不同信息的最佳波段组合，为确定不同研究对象条件的波段组合提供了理论依据。该方法，既考虑了整个影像信息，又考虑到影像提取的地物类型。经过初步试验，该方法能较好地进行最佳特征影像组合的选择，在矿山环境遥感监测多目标体系研究中可以有更广泛的应
2．构建矿山环境典型地物样本的光谱特征库。由于常规选取的训练样本的是基于类型训练样本，而对地类的光谱类别的差异考虑不足。针对上述问题，基于遥感机理和矿山典型地物光谱特征值分析，构建了研究区地物遥感光谱特征库。该方法综合运用了地面调查、地图或屏幕数字化、目视判读，结合GIS技术，实现了遥感信息与非遥感信息的复合，保证了训练样本的光谱特征具有良好的一致性和代表性。
3．提出基于知识与规则的矿山遥感监测的技术路线。针对大冶地区矿山环境复杂，矿山开采点多、矿种混杂，地形多变的特点，提出基于决策二叉树的方法来实现矿山环境研究目标的提取。经过多次野外和室内光谱计算校正，建立了TM图像用于研究区土地覆盖分类知识库表。该知识库的建立为较精确的矿山环境现状调查研究提供了可能，为大冶地区矿山环境遥感监测提供了有力的技术支持。
4．基于面向对象的空间数据模型Geodatabase建立了研究区矿山环境动态监测数据库。实现了数据库汇合空间数据与非空间数据的特征，有效地实现了图形和属性数据的联动。基于各个专题子库，数据的物理存放以时间序列(1986年，1994年，…)为主题，形成历史数据库。该历史数据库，可以为矿山环境动态监测提供可靠的基础数据。
5．分析了矿山环境典型地物空间分布规律，基于GIS空间分析、影像处理及地理空间数据库，对不同矿山环境监测目标的空间分布特征及动态变化进行了定量描述。并以大冶地区为例，对1986-1994-2002时间段内的矿山环境监测目标进行了定量分析，揭示了该地区的矿山环境变化规律。