基于ArcGis的开采沉陷区数字地形特征研究(1).pdf

论文题目基于 ArcGis 的开采沉陷区数字地形特征研究 专 业地图学与地理信息系统 硕 士 生白峰 签名 指导教师汤伏全 签名 摘 要 GIS 技术已成为研究矿山开采沉陷的重要手段之一。利用 GIS 技术对矿山开采沉陷 前后的地形因子进行定量分析，确定开采沉陷对于黄土沟壑区地形特征的影响规律，可 为煤矿开采沉陷治理与环境评价提供基础信息和技术支持。 本文以大佛寺煤矿 40301 开采工作面地表为研究区域，基于概率积分法预计模型对 开采引起的地面沉陷进行预测，采用 ArcGis 软件对开采沉陷区地形因子进行提取，通过 实例综合分析了开采沉陷与地形因子之间的量化关系。 论文研究的主要内容及结果如下 1 将地形图数据转换为 ArcGis 支持的文件格式。 确定了高程点直接转化处理以及 地物快速导入个人地理关系数据库的数据转换方法。 2 针对现有的地质开采条件选取适当的预测参数，使用 MATLAB 编写了开采区 地表沉陷和水平移动的概率积分法预测程序，应用预测数据对沉陷区 DEM 进行了实时 更新。 3 选择适合的地形因子对沉陷区的数字地形特征进行提取，使用趋势分析法找出 了适合沉陷区地形因子的栅格尺寸，利用移动窗口分析法和均值变点分析法确定了合适 的分析窗口，为黄土沟壑矿区数字地形特征分析提供了可行的研究方法。 4 利用 SPSS 软件分析了开采沉陷前、后各个地形因子变量之间的关系。发现平 均坡度与平面曲率、起伏度、沟壑密度、平均高程之间，以及平均坡度变量与剖面曲率 变量、平面曲率变量、高程变异系数变量、平均高程变量以及平均起伏度变量之间均存 在着较为稳定的线性关系， 将有助于建立开采沉陷与具体地形因子变动之间的量化关系。 本文的研究初步揭示了矿山开采沉陷区地形特征的变化规律，研究手段和结果可以 为矿山开采沉陷区生态环境保护研究提供一定的借鉴。 关 键 词开采沉陷；ArcGis；数字高程模型；地形因子 研究类型应用研究 Subject Digital Terrain Feature Study Of Mining Subsidence Area Based On ArcGis Specialty Cartography and Geographic Ination System Name Bai Feng Signature Instructor Tang Fu− −quan Signature ABSTRACT Gis technology has become an important means for mining subsidence research. Application of GIS for quantitative analysis of terrain factors to determine the mining subsidence effects of terrain features in the loess gully region. This research can provide the basic ination and the technical support for mining subsidence government and environmental assessment. This paper regards 40301 working face of Dafo Temple mine as the research object, using probability integral prediction model to calculation of the change after mining subsidence. Base on ArcGIS software to extracting several terrain factors in mining subsidence area. Comprehensively analyses the quantitative relationship between mining subsidence and terrain factors by case. The main contents and results as following 1 for AutoCAD topographic map data conversion for ArcGis at data. The data transation is defined for dealing with elevation points directly into processing and quickly importing surface features into personal geography database. 2 Based on the existing geological working condition to select the appropriate predictive parameter, it writes the procedures of surface subsidence and level shift in exploitation region by using MATLAB, the probability integral . Also, it applies the predicted data to update the settlement DEM. 3 Choosing the proper topographic factors collects the digital terrain features in the settlement. By applying the trend analysis approach, it finds out the cell size suitable for the topographic factors of the settlement. It takes advantage of window analysis and mean change−point analysis to define the applicable analysis window, providing feasible research s for analyzing the digital topographic factors of mining area in loess gully region. 4 Taking SPSS software analysis the relationship of each topographic factor variables before and after the mining subsidence. It points out that there exists relatively stable linear relationship between average slope, plan curvature, RDLS and average height, as well as average slope variables, profile curvature variables plan curvature variables ,CV variables, average height variables and RDLS variables ,in favor of establishing quantitative relation of mining subsidence and specific terrain factors. This study reveals changes in the topographical features of the mining subsidence area rule, means and the results of its research for research on ecological environmental protection in mining subsidence area to provide a reference. Key words Mining Subsidence; ArcGis; Digital Elevation Model;Terrain Factor Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及研究意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 1 1.2.1 开采沉陷预计的研究现状 .............................................................................. 1 1.2.2 数字地形分析研究现状 .................................................................................. 3 1.3 研究内容与技术路线 ................................................................................................. 4 1.3.1 研究内容 .......................................................................................................... 4 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................... 5 2 开采沉陷区数字高程模型的建立 ........................................................................................ 6 2.1 研究区概况 ................................................................................................................. 6 2.1.1 地理交通 .......................................................................................................... 6 2.1.2 地形地貌 .......................................................................................................... 7 2.1.3 水文气候 .......................................................................................................... 8 2.1.4 开采情况 .......................................................................................................... 8 2.2 开采沉陷区数据的处理 ............................................................................................. 9 2.2.1 矿区坐标系处理 .............................................................................................. 9 2.2.2. 开采沉陷影响范围的确定 ........................................................................... 10 2.2.3 矿区数字地形图信息提取 ............................................................................ 10 2.3 开采沉陷预计 ........................................................................................................... 12 2.3.1 概率积分法计算公式 .................................................................................... 12 2.3.2 模型预计参数的确定 .................................................................................... 13 2.3.3 MATLAB 实现预计程序 ................................................................................ 15 2.4 沉陷区 DEM 的生成 ................................................................................................ 16 2.4.1 变化后坐标的获取 ........................................................................................ 16 2.4.2 规则格网 DEM 的创建 ................................................................................. 16 2.4.3 沉陷区 DEM 的处理 ..................................................................................... 17 3 开采沉陷区地形因子提取 .................................................................................................. 19 3.1 地形因子分类体系 ................................................................................................... 19 3.2 微观地形因子的提取方法 ....................................................................................... 20 3.2.1 坡度的计算 .................................................................................................... 20 3.2.2 坡向的计算 .................................................................................................... 21 3.2.3 曲率的计算 .................................................................................................... 21 3.3 宏观地形因子的提取方法 ....................................................................................... 22 目 录 II 3.3.1 沟壑密度的计算 ............................................................................................ 22 3.3.2 地表粗糙度的计算 ........................................................................................ 22 3.3.3 地形起伏度的计算 ........................................................................................ 23 3.3.4 地形切割深度的计算 .................................................................................... 23 3.3.5 高程变异系数的计算 .................................................................................... 23 3.4 栅格尺寸对地形因子精度关系 ............................................................................... 23 3.4.1 栅格尺寸对坡度的影响 ................................................................................ 24 3.4.2 栅格尺寸对坡向的影响 ................................................................................ 25 3.4.3 栅格尺寸对曲率的影响 ................................................................................ 26 3.4.4 栅格尺寸对地表粗糙度的影响 .................................................................... 28 3.4.5 栅格尺寸对沟壑密度的影响 ........................................................................ 28 3.5 分析窗口与地形因子精度关系 ............................................................................... 29 3.5.1 均值变点分析法 ............................................................................................ 29 3.5.2 地形起伏度最佳分析窗口的确定 ................................................................ 31 3.5.3 地形切割深度最佳分析窗口的确定 ............................................................ 32 3.5.4 高程变异系数最佳分析窗口的确定 ............................................................ 33 4 开采沉陷区地形特征演变分析 .......................................................................................... 36 4.1 沉陷区中央地形变化分析 ....................................................................................... 36 4.1.1 中央区地形因子变化分析 ............................................................................ 36 4.1.2 中央区地形因子间单相关分析 .................................................................... 41 4.1.3 中央区地形因子多元回归分析 .................................................................... 42 4.2 沉陷区边缘地形变化分析 ....................................................................................... 43 4.2.1 沉陷区边缘地形因子变化分析 .................................................................... 43 4.2.2 沉陷区边缘地形因子间单相关分析 ............................................................ 48 4.2.3 沉陷区边缘地形因子多元回归分析 ............................................................ 49 4.3 不同地物所在区地形因子变化关系分析 ............................................................... 50 4.3.1 不同地物所在区地形因子单相关分析 ........................................................ 51 4.3.2 不同地物所在区地形因子多元回归分析 .................................................... 53 5 结论与展望 .......................................................................................................................... 54 5.1 结论 ................................................................................................................... 54 5.2 展望 ................................................................................................................... 54 致 谢 ........................................................................................................................................ 56 参考文献 .................................................................................................................................. 57 附 录 ........................................................................................................................................ 60 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及研究意义 我国是重要的煤炭生产与消费国。煤炭资源的分布主要表现为北多南少、东多西 少这一现象。根据第二次全国煤田调查的结果，山西、陕西、内蒙古、宁夏、甘肃、新 疆六省自治区的煤炭储量占全国煤炭资源总量的 82.8。 黄土地区作为重要的煤炭生产 基地，多数地处半干旱半湿润地区，水土流失严重，地表生态环境十分脆弱。在此区域 进行开采活动开挖会将使层的原始结构破坏，造成不同岩层出现采动变化，这些变化反 映到地表主要表现为下沉和移动变形，在煤矿开采研究中这种现象常常被称为“开采沉 陷”[27]。开采沉陷不但造成了地层内部的变动，还会带来一系列严重的环境损害。可以 使地表变得更为破碎，造成坡度变化并导致滑坡、崩塌、地裂缝以及泥石流等灾害[33]。 采矿活动会使矿区环境遭到破坏，人民群众的生命财产安全受到威胁。尽管国家每年都 做出了大量安置和赔偿，但是对于矿山开采沉陷影响的研究还有待深入[30]。 二十世纪九十年代至今，计算机技术和三维可视化技术的发展使得开采沉陷研究进 入了新的阶段。矿区生产需要大量使用数字地形图，但地形图上显示的信息主要局限在 地貌地物的表达上，不便于对地形特征及其变化进行分析和比较。DEM是国家测绘数 据库中的重要空间信息产品，其实质是包含地理位置的空间点的集合，它的生产与编辑 极其简单。通过DEM可以快速及时地进行地形特征分析和地形更新，并能方便地进行 可视化表达。矿山开采和地表沉陷是不断变化的，通过对开采引起的地表沉陷变形进行 分析预测，能够获取地表高程及平面位置的变化。借助 GIS 软件可对开采沉陷前后的 DEM进行叠加更新，从而揭示开采沉陷引起的地形特征变化规律，对开采沉陷可能造 成的损害做出评估和判断，为决策分析提供信息支持。 本文利用 ArcGis 软件对开采沉陷区的数字地形特征进行研究， 将数字地形图蕴含的 有关信息进行提取，结合概率积分法对矿山开采沉陷区的DEM进行预测更新。通过对 沉陷区不同地块的地形因子变化分析来确定开采沉陷与地形因子之间的量化关系。其技 术方法将为西北矿区环境评价与土地复垦提供科学借鉴，其研究结果将为开采沉陷治理 与矿区生态重建提供基础信息。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 开采沉陷预计的研究现状 采矿业是随着工业革命的发展兴旺起来的一门以原始材料获取为目的的行业，采矿 西安科技大学硕士学位论文 2 的进行往往导致地表沉陷、建筑物下沉破损以及农业生产的破坏，矿区环境的破坏严重 影响着附近居民的生活。二十世纪四十年代以来，前苏联以及波兰等国的研究对的国内 沉陷预计影响巨大而深远。 前苏联学者阿维尔申1947出版了煤矿地下开采的岩层移动这本开采沉陷学专 著， 该书使用塑性力学理论研究地表移动的规律,得出了水平移动与地面倾斜成正比这一 观点,提出了下沉剖面方程呈指数函数形式的理论，该理论已被大量实践所证实。全苏矿 山测量研究院1958出版了一本对我国矿山研究影响非常深刻的沉陷学专著地层与地 表移动 ，该书首次提出了“三带理论” ，即采空区以上分为垮落带、断裂带和整体弯曲 带； 该书还系统地分析研究了地表移动和变形分布规律及各个参数之间的规律,提出了适 用于原苏联预测地表移动变形的典型曲线法。波兰学者Knothe1950提出了地表点下沉 动态预测的时间函数模型，得出了正态分布的影响函数；Budryk解决了Knothe提出的下 沉盆地中的水平移动和水平变形这一问题，此理论在使用高斯型的影响曲线对近水平煤 层的下沉描述方面十分成功；Litwiniszyn1954把岩石视为不连续介质,将岩层移动过程 作为一个随机过程,提出了开采沉陷的随机介质理论和概念,是开采沉陷理论研究的进一 步提高；Gu guen2009利用DInSAR技术实现了煤矿开采剩余沉降的实时监测，拓展了 沉陷研究的理论与方法； 。 国内学者刘宝深和廖国华1965在Litwiniszyn随机介质理论的基础上解决了地表移 动平面的预计问题，并且将成果编撰成为煤矿地表移动的基本规律一书，概率积分 法在中国开始逐渐为人们所知道。何国清1981教授提出了地表下沉盆地剖面的偏态表 达式“威布尔分布” ；余学义1997在Budryk−Knothe的理论基础上引入极坐标，得出了 任意形状下地表移动变形的极坐标计算公式[42]；吴立新等1994提出了建筑物下压煤条 带开采的覆岩保护托板理论；崔希民1996提出了开采沉陷的流变模型；于广明1998 将分形等非线性方法引入矿山开采研究中，拓展了开采沉陷研究的方法；中国矿大的吴 侃和周鸣1999使用Visual Basic语言开发了矿区沉陷预测预报系统MSPS；赵晓东等 2003在GIS平台下构建了开采沉陷预测的GIS面元栅格数字化模型系统[25]；2004年郭增 长对地表移动变形预计的概率密度函数法进行了研究；柴华彬2004使用VC调用 SuperMap 3D 控件，实现了开采沉陷预计分析的可视化分析与操作[2]；于广明等2004 利用GIS 、 AutoCAD与概率积分方法计算模型结合建立了基于GIS 的地表沉陷预计程序 模型，实现了计算结果的统计和分析[24]；孟峰2006研究了将Surfer软件应用于沉陷三维 可视化预计的方法[12]；武俊红、汪云甲2007用Surfer软件选取合适的内插方法对煤矿离 散数据格网化后绘制等值线图，可以保证等值线图绘制的精度又能提高工作效率[19]；束 立勇、连达军2007研究了开采沉陷理论、概率积分法、Knothe时间函数和坐标转换等 理论，使用Matlab语言对煤矿采空区地表移动变形值计算进行了实现[15]；路璐、刘胜富 2008使用MATLAB的曲线拟合工具对概率积分法的预计参数进行了回归分析，确定了 1 绪论 3 最大下沉值、 影响半径、 最大水平移动值和开采影响传播角这4个参数与矿山地质采矿因 素之间的函数关系[11]；焦明连、高祥伟2008对InSAR技术建立数字高程模型的方法与 过程进行了研究，并将影响DEM精度的因素进行了定性分析[6]；陈绪钰等2009分析了 影响采空区地面稳定性的时间与空间因素，根据不同的稳定状态将煤矿采空区地面分为 三区稳定区、暂时稳定区、不稳定区[3]；史珍珍等2009用三角函数法对地面变形的最 大沉陷量与沉陷面积进行估算，用以预测煤层开采后的危害程度[14]；孙凤余等2009用 概率积分法对矿山环境保护与综合治理中的矿山环境地表移动预测评估进行了研究，用 以确定采煤塌陷对地表各建筑物的影响程度[16]；韩奎峰2009研究了使用双线性重采样 插值法将预计结果数据嵌入矿区DEM的方法[5]；曹化平等2010利用ArcGIS的ArcScene 模块实现了概率积分法开采沉陷预计结果的三维可视化表达[1]。 1.2.2 数字地形分析研究现状 数字地形分析就是依据DEM上的数据对不同区域进行特征识别与分析、以及通过 表面积、体积的量算充分挖掘地形图信息的过程。可以形象地说，数字地形分析的研究 就是DEM的解译过程。数字地形分析主要包括地形地貌因子的提取与分析、提取过 程的误差分析以及地形分析的不确定性分析等方面的研究。 美国学者Jones2001基于“D8”算法提出了一种加权优先级搜索算法能够较好的完 成河长的提取[32]；吴侃等2005利用矿区矢量地形图生成的DEM与开采沉陷下沉DEM 相叠加，对矿区实时DEM进行了更新；周建民2006利用InSAR技术研究了DEM的获取 方法，对影响DEM精度的因素进行了分析，结合外部DEM对生成的DEM的精度进行 评价； 李春雷等2007在金属矿山中使用概率积分法预测开采沉陷， 利用GIS技术对地理、 地质信息进行三维建模，结合GIS空间分析与图形显示方面的优势，直观的反映出开采 沉陷与环境破坏之间的关系[9]； 王京卫等2008将高程修正功能加入开采沉陷下沉预计程 序中，发现此矿区地表塌陷高程数据文件可以生成顾及地貌特征的矿区地表塌陷DEM [18]；闫丽、赵超英2009采用差分合成孔径雷达干涉技术，对陕北大柳塔1990年代的煤 矿沉陷进行了监测试验，研究了大气效应和DEM对形变监测精度的影响[21]；韩奎峰、 康建荣2009提出了一种动态矿区数字高程模型，该模型按时间间隔生成一系列描述塌 陷区的数字高程模型,研究发现模型可以满足动态土地复垦方案决策数据的提取需求[5]； Hyun-Joo等2010建立了地表沉降与坡度、地质条件、采矿方式等其中因素的贝叶斯关 系模型，研究发现该模型可以用于矿山的灾害防治以及土地规划；尹胜男等2010通过 对上湾煤矿沉陷区实地调查结合坡向、坡度、土壤等因子的定性分析, 确定分类依据和 分类方法，用GIS建立起各分类因子的专题数据库和图形数据库,通过对各分类层次的主 导因子及辅助因子的专题图进行叠加, 编制了上湾煤矿沉陷区的立地类型图[23]；钱张书 等2011使用坐标转换理论研究了概率积分法预计时坐标不对应问