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I 论文题目彬长煤矿地表沉陷区植被变化遥感监测研究 专 业地图学与地理信息系统 硕 士 生李小静 （签名） 指导教师汤伏全 （签名） 摘 要 随着我国煤炭开采量的不断增加，矿区地面沉陷给经济社会发展和生态环境造成了 极大影响，其主要表现为采煤区水资源破坏、地表沉陷、生态环境破坏等。西部矿区水 资源匮乏、人居生态环境脆弱、地貌地质条件复杂，地下采煤引起的地面破坏比其他矿 区更为严重。为了保证矿区经济社会的可持续发展，必须对开采区地表沉陷及生态变化 进行有效监测和控制，为采煤区综合治理提供科学依据。 目前，遥感技术已成为监测地表形变及植被变化的重要手段。本文以陕西省彬长煤 矿为试验研究区域，利用雷达遥感技术和光学遥感技术相结合的方法对煤矿地表沉陷区 植被演变进行监测。 通过对研究区沉陷前后的多幅 SAR 影像进行 DEM 反演和差分干涉， 从差分干涉影像中得到地表沉陷区信息。同时，针对研究区 2005 年到 2009 年之间的多 幅 Landsat5TM 影像数据，采用像元二分模型方法从影像中提取沉陷区地表植被指数 NDVI 值，从而研究沉陷区植被变化的时空特征，揭示开采沉陷与地表生态环境之间的 量化关系。 本文融合 D-InSAR 技术和常规遥感技术实现了西部煤矿地表沉陷区范围及其 植被演化的遥感监测，得出以下结果 1通过对研究区两景 ALOS PALSA 影像数据进行差分干涉处理，获得了相应的沉 陷区域分布情况，确定了地表沉陷的分布范围。将 SAR 数据和 Landsat TM 数据进行叠 加和校正，在 TM 数据中提取到三块感兴趣区域，即地表沉陷区 A、B、C。 2对 2005 年到 2009 年 5 期 Landsat5 TM 影像提取沉陷区A、B、C的 NDVI 值， 发现上述沉陷区地表 NDVI 值变化与开采活动具有时间相关性，并随着时间推移其 NDVI 呈现先降后升的特征。 3对影像进行空间相关性分析发现，TM 影像中三个沉陷区域的 NDVI 值变化比分 别为 5.20、-9.18和-15.51，沉陷区的 NDVI 值随着时间推移呈现逐年降低的趋势， 且 NDVI 值和沉陷区范围和程度具有一定相关性，而邻近非沉陷区地表植被 NDVI 值 却呈逐年增加的趋势。 本文的研究揭示了彬长矿区开采沉陷区与地表生态环境演化的关系，为西部矿区大 范围开采沉陷及其植被变化的遥感监测提供了技术借鉴。 II 关键字遥感技术，开采沉陷区，D-InSAR，植被指数 ，监测 研究类型应用研究 III Subject Research of Vegetation Change Trend with Remote Sensing Technology in Coal Mine Surface Subsidence Area of BinChang Specialty Cartography and Geographic Ination System NameLi Xiao-jing （（Signature）） InstructorTang Fu-quan （（Signature）） ABSTRACT In recently years, with the exploitation of coal mine continues to increase, mining ground subsidence caused great influence to the economic development and ecological environment. Coal mining to promote regional economic development, due to the coal resources belong to the primary energy, do not have the ability to regenerate, although in a certain period of time to promote regional economic development, but the damage is immeasurable. Mainly on water resources in mining area, the destruction caused by surface subsidence, cracks etc.. So the coal mining and the destruction caused by the exploitation of the industrial development is not sustainable, must surface to mining subsidence hazard monitoring and prevention, and provide the necessary data and decision basis for governance follow-up mining area. combining InSAR technique and conventional remote sensing technology for monitoring surface subsidence of Binchang mining area of Shaanxi province. This paper uses the data mainly includes Landsat data from 2006 to 2007 two SAR data in 2005 and 2009 to 5 years. Area are determined by SAR image processing to get the surface subsidence Binchang mining area, the s of obtaining mainly differential interferometry and DEM inversion by two images obtained before and after the settlement, differential interferometric imaging, and interference from difference image is extracted mining surface subsidence area. Vegetation is all land plants in general, vegetation changes for the whole of the earths ecological environment is very sensitive, so it is the most valuable imaging factor. Based on the research of mining subsidence images to extract vegetation index as the main influence factors, to study the relationship between mining subsidence and surface ecological environment and influence each other. s using pixel two model to achieve the extraction of vegetation index from Landsat images, change of subsidence area vegetation index from time and space. In accordance with the basic research ideas and test on the above, this paper uses IV D-InSAR technology and remote sensing technology the perfect combination of mining subsidence area was extracted and NDVI value. According to the research and test results obtained the following results 1 through the two scenes of ALOS PALSA images differential interferometry processing, the subsidence distribution corresponding, accurately determined experimental area land surface subsidence distribution. 2 TM images of 2005 to 2009 period of interest extraction subsidence area A, B, C NDVI value of surface mining subsidence area, find experimentation area surface NDVI change and mining activities with temporal correlation, with the passage of time and its increased after the first drop phenomenon. 3 For the spatial correlation analysis of images, TM images of three found that changes in the region of interest respectively 5.20, -9.18 and -15.51. The non vegetation NDVI subsidence area values showed an increasing trend year by year; surface subsidence area NDVI value with the passage of time gradually decreased, and the value of NDVI and subsidence range and degree is certain correlation. Keywords Remote Sensing, D-InSAR, Vegetation Index, NDVI, Temporal and spatial regulation Thesis Application Research 目录 IX 目录 1 绪论 .................................................................... 1 1.1 选题的背景及研究的意义 ......................................................................................... 1 1.2 国内外研究动态 ......................................................................................................... 3 1.2.1 InSAR 技术国内外研究现状 ........................................................................... 3 1.2.2 NDVI 的国内外研究现状 ................................................................................ 5 1.2.3 植被覆盖动态监测国内外有关研究的综述 ................................................... 6 1.3 论文研究内容 ............................................................................................................. 8 2 研究区域及遥感数据处理 .................................................. 9 2.1 研究区介绍 ................................................................................................................. 9 2.1.1 矿区位置及范围 ............................................................................................... 9 2.1.2 地层及构造 ....................................................................................................... 9 2.1.3 研究区生态综述 ............................................................................................... 9 2.1.4 矿区井田规划 ................................................................................................. 10 2.2 遥感数据及其预处理 ............................................................................................... 11 2.2.1 数据获取 ......................................................................................................... 11 2.2.2 数据预处理 ..................................................................................................... 16 3 基于 SAR 影像的地表沉陷区确定 ........................................... 24 3.1 InSAR 及 D-INSAR 技术介绍 .................................................................................. 24 3.2 地表沉陷区提取 ........................................................................................................ 25 4 基于 TM 影像的地表沉陷区覆被研究 ........................................ 30 4.1 地表覆被研究方法 .................................................................................................... 30 4.1.1 植被覆盖度估算方法 ..................................................................................... 30 4.2.2 地表植被指数 NDVI 简介 ............................................................................. 32 4.2 研究区地表 NDVI 的提取方法 ............................................................................... 34 4.2.1 ENVI 中提取 NDVI 值的流程 ....................................................................... 34 4.2.2 时相归一化处理 ............................................................................................. 35 5 地表沉陷区覆被变化分析 ................................................. 37 5.1 研究区 NDVI 时间变化特征 .................................................................................... 37 5.1.1 地表植被 NDVI 均值分析 ............................................................................. 37 5.1.2 地表植被 NDVI 均值方差分析 ..................................................................... 39 5.2.2 研究区 NDVI 的空间变化特征 ..................................................................... 40 6 结论与展望 ............................................................. 44 西安科技大学硕士学位论文 X 6.1 结论 ............................................................................................................................ 44 6.2 存在问题及展望 ........................................................................................................ 44 致 谢 ................................................................... 46 参考文献 ................................................................. 47 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究的意义 众所周知我国物产资源丰富、地域广阔是一个资源大国。在众多的资源中，煤炭资 源在我国发挥着不可估量的作用。我国的煤炭资源主要分布在华北、西北和东北地区， 其中仅山西、 内蒙、 陕西、 新疆、 宁夏等六省区， 煤炭保有储量就占全国煤炭储量的 80 以上。 煤炭行业在我国国民经济中起着举足轻重的作用，系国民经济健康发展和民生改善 的基石，煤炭资源作为一次不可再生能源，不是取之不尽用之不竭的，因此科学合理的 开发利用煤炭资源和保护煤炭开采过后的生态环境是非常重要的。但是我国发展到目前 为止，煤炭资源的开发利用给生态环境造成了无法弥补的损失。煤炭资源开采对生态环 境的影响首要表现是地表沉陷、土地挖损、煤矸石堆存占地等三个方面。如果上述环境 问题不能得到科学合理的治理，便会造成更为严重的生态问题，如水土流失加剧、耕地 丧失、土地荒漠化等。 煤炭资源在开采的过程中，由于采掘使得掘进巷道周围岩体的原始状态遭到破坏， 岩体周围的应力需要重新分布，以达到一种新的平衡，在此过程中造成了岩层和地面的 移动、变形和非连续的破坏，这种现象就叫做“开采沉陷”[1]。目前相关部门对我国煤 炭开采造成的地表沉陷调查结果显示煤炭地下开采历年形成塌陷区已经达 4000 km2， 每年形成塌陷土地 150～200km2，其中耕地占 30[2]。煤炭产业发展以付出生态环境为 代价，不利于煤炭产业的可持续发展。 本文的研究对象是全国大型煤炭生产基地之一的彬长矿业，矿区位于彬长县、长武 县境内，属于黄陇侏罗纪煤田中部，煤炭储量超过 67 亿吨，其中隶属于彬长集团就达到 50 亿吨。矿区的位置是位于西部地区的陕西省中部，这一地区的煤炭资源具有资源储量 丰富，煤层稳定、水文地质条件简单，生态环境脆弱等特点。本研究区域内的煤矿开采 已经对当地的生态环境造成了影响，特别是在采煤区已经出现不同程度的地表沉陷，使 得当地原本就脆弱的生态环境进一步的恶化。 本文研究的彬长矿区随着采掘的不断推进带来了一系列的生态环境问题，矿区处在 南北分界线秦岭山区地带，水资源相对短缺，采掘过程大量地下水外排，造成了当地生 活工业用水困难；由于煤炭的开采引起地下水位下降，地表水分大量流失，气候干燥， 植被相对较少，加剧了当地水土流失和沙漠化等生态环境的破坏。 矿区在开采的过程中地表开始沉陷，对当地的农业生产作业、水文地质环境、地面 设施及建筑物、土地利用效果等方面造成不可磨灭的损害。从农业方面来讲矿区开采沉 西安科技大学硕士学位论文 2 陷造成当地部分耕地无法种植农作物，使得当地人丧失了土地收益。从水文环境来讲， 由于开采出现塌陷区域，地表水系严重失衡，地表水汇集于塌陷区域，造成局部出现沼 泽或是湖泊，开采周边由于地下水位下降，无法满足当地居民在饮用水和灌溉用水的需 求。无论是以上哪种情形都会使得耕地无法耕种，生态环境恶化的状况出现，而且由于 地下地质环境的变化，造成地下岩层净化水功能弱化，使得当地水质恶化。对于地面建 筑物和设施来说，由于煤矿才开的进行，破坏了地下岩层的应力平衡，局部地区出现塌 陷和断裂，破坏了当地的水利、道路、房屋等设施，对生态环境造成了不可修复的损伤。 由于开采沉陷的不断进行，造成矿区土地利用出现不可调节的矛盾，可用来建设的用地 逐步减少，造成矿区人民大范围拆迁和搬移等棘手问题。在开采的过程中采掘得到大量 的煤矸石也会破坏当地的自然景观和人文环境，由于大量煤矸石的堆积及其容易在强降 雨等环境下形成泥石流，对当地人民的生命安全和财产造成巨大的损失，同时破坏了当 地的生态环境。开采造成地质环境的改变，也会在某一不定时期发生塌陷型地震[3,4]。综 上所述矿区的开采对生态环境、人生安全、财产安全、土地利用都形成了巨大的隐患， 因此上我们必须要对其进行深入的了解。 煤矿的开采对国民经济的发展和人民生活的提高都有着重要的意义。但由于开采沉 陷是造成矿区环境地质灾害的直接根源，从以上可以看出采煤区地表沉陷对生态环境的 影响是很严重的，已经引起了人们的广泛关注。因此，对于煤矿矿区地表沉陷区的研究 势在必行的。矿区生态环境的破坏主要体现在对植被的影响，绿色植被不仅是生态环境 的最敏感和最主要的环境要素，同时也能间接的反映其他的环境因素。 归一化植被指数（NDVI）在各个行业的应用是最广泛的，同时作为植被指数最常 用的一种，在应用于煤矿沉陷区的生态环境监测中，能够反映煤矿矿区生态环境的变换 情况。归一化植被指数实现对矿区制备指数的定量化分析，对于研究是十分有利的。本 文拟通过对矿区地表覆被的动态监测，寻找矿业沉陷区与非沉陷区植被指数 NDVI 的 变化，为煤矿环境综合治理提供有力的实验支持和理论依据。 目前，遥感技术已经在生态环境研究领域得到广泛应用，成为快速获取时空变化信 息、进行区域性环境资源调查与研究的有利手段。尤其在区域环境资源系统的结构、功 能和过程研究中成为主流，丰富和完善了生态环境演化研究的方法体系[5-7]。通过遥感技 术可以进行生态环境资源空间信息的定位研究，如通过遥感技术反演地表信息的不同特 征，解译分析区域生态环境资源的空间分布和数量；利用遥感的快速性、周期性、长期 性等特点，进行生态环境资源动态的连续、快速监测；以及借助 GIS 技术进行生态环境 系统的定量综合分析等。所以，应用遥感技术进行开采沉陷区生态环境演化研究具有重 要的方法优势。 1 绪论 3 1.2 国内外研究动态 1.2.1 InSAR 技术国内外研究现状 1国外研究现状 国外在 InSAR 方面的起步较早，并在上世纪 80 年代末期 Grabriel 等科研人员就利 用 D-InSAR 技术对地表沉降进行了研究，为 InSAR 技术在沉降监测的应用率先做出了 探索。近年来随着研究的不断深入，理论与方法的不断完善，硬件设备和软件技术的不 断建立，使得利用 D-InSAR 技术对城市、矿区等区域沉降监测的研究，成为了国内外学 者的研究热点，并进行了不断的创新和探索，取得了丰硕的成果。 欧洲是目前研究 D-InSAR 技术最为活跃的区域， 利用该技术对煤矿开采沉陷进行监 测，根据监测数据和监测结果进行分析，研究人员得出以下几点成果 ①可监测得到矿区开采沉陷的微小变化； ②能够根据监测推理分析得出地表沉陷的演变规律； ③根据监测数据得到地表的沉陷速度。 德国 DSK 煤矿公司将 D-InSAR 技术应用于煤矿地区地表沉陷监测研究是具有代表 性的。其在研究煤矿沉陷区的过程根据沉陷速度和地表移动速度的不同采用空间基线长 度不同和时间基线长度不同的 ERS 影像进行研究， 然后对不同沉陷区与的影像进行差分 干涉处理，但是这样处理得到的观测数据的结果并不是十分精确的，特别是对于时间基 线长的情况下，因此为了能够能到精确地观测结果，在时间基线较长的干涉图中假如必 要的气象改正，以提高精度，然后再进行相位差分，获得较好的监测数据。 波兰大学 Z.Perski 等研究人员也利用 D-InSAR 技术对矿区开采沉陷进行了监测， 并 且通过他们的努力，成功从监测数据中提取得到开采沉陷的边界和矿区地表沉陷的演变 规律。通过 Z.Perski 等的研究，他们认为对于矿区的局部地面沉降，D-InSAR 技术比传 统的测量手段更具优势，可以作为传统测量手段的有益补充，尤其对持续 2-3 个月时间 内的快速地表沉陷[8]。 Linlin Ge 等研究学者对澳大利亚的 Appin、Westcliff 和 Tower 三个矿区开采沉陷区 进行试验，其采用的是日本 JERS-1 数据，采用穿透性最好的 L 波微波信号，获得干涉 结果达到最优的效果。其整个处理流程分为 ① 利用时间基线为 1 天的两幅 ERS1/2 数据生成只含有地形相位的干涉图； ② 利用时间基线为一个或多个重访周期的 JERS-1 图像来生成包含地形相位和地表 形变相位的干涉图； ③对两幅干涉图做差分干涉处理，即得到只有地表形变相位的差分干涉图，最终得 到煤矿区的沉陷监测结果。 西安科技大学硕士学位论文 4 2国内研究现状 最近几年国内的教授学者才将合成孔径雷达干涉测量技术InSAR用于监测地表微 量形变的测量技术的研究。 其主要的研究对象集中在城市变形监测和矿区变形监测方面， 通过国内学者和研究人员不断努力，目前已经取得一定的研究成果。 在城市地表变形监测方面国内学者做了很多探索性的研究，如天津市相关研究人员 利用欧空局 ERS-1/2 卫星数据，经过差分干涉处理之后获得 1995-1997 年的地面沉降趋 势图，通过与精密水准测量获得的地面沉降等值线图对比发现，两者最后的结果呈现一 致性。 王超等人收集了苏州地区 1993 年到 2000 年间的 11 景 ERS-1/2 卫星的 SAR 数据， 对其地面沉降分析，获取了该地区地面的垂直形变量及沉降速率，也得到了地面水准测 量数据的验证。 本世纪初，刘国祥等人针对香港赤腊角机场的填海区域进行地表沉降监测，采用了 欧空局的 ERS-2 卫星获取的合成孔径雷达影像，监测结果表明机场填海区域内的沉降量 在 50mm 之内，与精密水准测量数据结果一致，充分证明采用 InSAR 技术对地表沉降进 行监测，并且其监测精度相对较高，与事实相吻合。 路旭等人运用 InSAR 技术对天津市的地表沉陷进行了研究， 通过采用 ERS-1/2 的雷 达影像数据，选取空间基线长度较长和时间基线合适的多组影像进行差分干涉处理，提 取得到天津市不同时期的沉降变化量。 众所周知由于西安市地下水位的下降，引起西安地区的大面积地表沉降。因此张勤 教授、 杨成生博士等人对西安市区的地表沉降进行监测， 采用 ERS-1 西安地区影像数据， 通过 InSAR 和 D-InSAR 技术进行数据处理，获得了西安地区沉降变化量的干涉图，精 度可以达到厘米级，这一结果为西安市城市建设和发展提供及时有效的决策依据。 由于近些年来对煤炭需求的持续旺盛，导致煤矿采掘量的不断加大，然而人们在取 得高额经济效益的时候，却发现煤炭开采已经对生态环境严重的影响。矿区出现了地表 沉陷等严重制约煤矿生产安全、破坏土地资源、对矿区人民群众的生产生活带来严重的 危害，引起了众多学者的关注。 董玉森等人利用 InSAR 技术对煤矿区进行沉陷监测， 结果表明该技术应用于煤矿区 沉降监测具有很大优越性[9]。 刘国林等学者采用 InSAR 数据与 GPS 数据融合技术对矿区 地表形变监测研究，分析得出可靠结果。吴立新、葛大庆等人利用在矿区 InSAR 方法对 工矿区地表沉陷监测，试验表明作为数字矿山的关键技术之一，可以利用多时相 D-InSAR 技术结合角反射器或平面反射器方法进行工矿区地表沉陷监测[10]。李学军将 InSAR 技术应用于大同矿区沉陷监测研究，获取了多处形变场。长安大学张勤教授、杨 成生博士等人，他们利用 D-InSAR 技术在陕北神木地区矿区进行试验，得到一定的研究 1 绪论 5 成果，证明了该技术对矿区塌陷、轻微矿震监测的可行[11,12]。 1.2.2 NDVI 的国内外研究现状 NDVI 即是指归一化植被指数，其是研究区域内植被覆盖情况的重要数据，反映了 植物生长状态和空间分布密度之间的关系，其与空间分布密度之间具有线性正相关性， 而且目前被众多研究学者广泛接受。本文中 NDVI 的计算公式如下式 1.1 所示。 rnir rnir NDVI      1.1 式中 nir  代表近红外波段0.75～1.10μm的反射比； r  代表的是红光波段0.58～ 0.68μm的反射比。由 NDVI 的计算公式我们分析得知，此种计算方式将非植被信息的 噪音降低到了最低，针对太阳高度角、观测方向、地表高程变换等情况进行了处理，获 得的遥感数据植被信息得到了增强。 NDVI 值的变化幅度在-1 到 1 之间，其值以 0.1 为分界点；在春季，气候变暖万物 生长之后，若 NDVI0.1 表示该区域有植被覆盖，连续观测 NDVI 不断变大，则说明该 区域植被处在生长期，若 NDVI0.1 则可能该区域没有植被，地表可能是沙漠或者裸土 地带，也有可能是该地表区域处于雪山、湖泊等地带，没有植被生长。但是通过众多学 者的研究发现，NDVI 值特别敏感，周边生态环境、地质环境、气候环境的变化对其影 响特别大。 植被的变化主要是依据当地的生态环境和气候的变化而变化，具有明显的季节性。 据此我们可以得出植被的变化可以反映植被覆盖度情况和气候的变化，这些关键因素的 变化会对植被产生重要的影响，因此实现动态的监测植被指数是非常有必要的。目前国 内外学者在利用遥感监测方法对感兴趣区域的植被指数的研究已经进行了大量的研究， 但是针对煤矿矿区的植被监测较少。NDVI 在监测的研究主要是在植被覆盖率、植被变 化、植被退化、土壤荒漠化以及矿区等相关方面。下面对其国内外研究现状的研究进行 简要描述 1关于植被覆盖率的研究现状 Rouse 等人为了研究一定区域和全球性的植被长势情况，主要采用监测植被指数的 数据来实现其研究， 并且提出了归一化植被指数[15]。 Larson 以 TM 和 Spot 影像作为主要 数据源，研究阿拉伯地区的森林植被和覆盖率的关系，通过进行详细的数据解算，建立 了当地 NDVI 和覆盖率之间的关系模型[16]。 Duncan 等研究学者采用类似的方法， 建立了 墨西哥荒漠地区 NDVI 和覆盖率的关系模型[17]。 2植被变化监测应用的国内外研究现状 国内学者李聪、马明国等人在植被指数对于植被变化监测方面的应用研究做了很多 西安科技大学硕士学位论文 6 工作，李聪学者在研究乌鲁木齐地区草地植被指数随着季节性变化的过程中，采用了最 大合成法，将遥感监测数据与实地测量数据进行相关性分析，从而得到草地随着年月变 化的情况。 马明国学者将中国西北地区 21 年的遥感数据进行了处理， 利用一元线性趋势 法和统计植被面积计算， 模拟了过去 21 年中我国西北地区植被覆盖变化情况， 通过分析 得出空间和植被覆盖变化的关系。 3NDVI 在荒漠评价中的应用 荒漠化的评价指标的选择主要从植被退化、土壤退化这两个表现荒漠化的形式来进 行考虑。这两个指标对荒漠化的反应主要是从侧面形式来表现，其中土壤指标针对的是 土壤有机质含量、结构、质地等物理、化学指标等，而上述的这些指标主要通过实地试 验得到。植被指标针对的是从遥感影像所获取的叶面积、覆盖度等指标，这类植被指标 相比土壤指标具有一定的研究优势。 4NDVI 在矿区环境中的应用 以霍林河露天煤矿区为例王广军、胡振琪等通过遥感方法对其进行了矿区荒漠化分 析，分析过程中通过逐像元的线性内插方法消除了影像季性上对对植被覆盖度的影响， 并取得了较好的效果。而全站军等通过对山西晋城东大煤矿的研究，探索性评价了矿区 地表沉陷对矿植被景观现状所产生的生态影响[19-20]。吴立新、马保东等利用 19992008 年神东矿区的土壤沙化和植被覆盖动态变化，借助一元线性回归方法对土地山花分级进 行了分析，分析表明 10a 矿区的植被指数在整体上呈现增加趋势，因此得出矿区地表植 被覆盖大