煤矿采沉区空间分异变化的GIS分析与可视化研究.pdf

中图分类号P237论文编号HBLG 2016-284 UDC密级公开 硕士学位论文硕士学位论文 煤矿采沉区空间分异变化的煤矿采沉区空间分异变化的GIS 分析与可视化研究分析与可视化研究 作者姓名杨少强 学科名称测绘工程研究方向地理信息系统技术与应用 学习单位华北理工大学学制2.5 年提交日期2015 年 11 月 30 日 申请学位类别工程硕士 导师姓名张永彬教授单位华北理工大学矿业工程学院 崔小刚正高工单位唐山市国土资源局 论文评阅人高均海研究员单位煤炭科学研究总院唐山分院 汪金花教授单位华北理工大学 论文答辩日期2016 年 1 月 13 日答辩委员会主席张云鹏教授 关键词地理信息系统；采沉区；空间分异；可视化 唐山华北理工大学 2016 年 3 月 The Analysis and Visualization of Spatial Differentiation in Subsidence Area of Coal Mine Base on GIS Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Yang Shaoqiang Surveying and Mapping Engineering Supervisor Professor Zhang Yongbin Ph.DCui Xiaogang March, 2016 独创性说明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名日期年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 □ 自授予学位之日起 □ 自年月日起 作者签名导师签名 签字日期年月日签字日期年月日 摘要 - I - 摘要 为了全面分析采沉区空间分异现状，研究选用了两个尺度以定性定量相结合的 研究形式进行系统性空间分异分析。通过学习空间分异的研究手段与模式，对采沉 区分异现状做了数据组织情况方面的细致研究，建立了空间分异模型并确定主要研 究内容收集采沉区遥感影像数据，作为采沉区用地空间分异研究的源数据；收集 高程数据作为整体塌陷空间分异研究的源数据。 根据影像覆盖范围，对空间分异比较明显的唐山矿进行了采沉区用地空间分异 研究研究发现整个矿区范围内积水面积以及废弃用地面积变化比较明显，其中 2001 年至 2010 年，积水面积不断增加并在 2010 年达到峰值；废弃用地面积在 2007 年达到峰值并随后大幅度减少，这两类用地主要分布在矿区内层；矿区内部 建筑面积在 2006 年达到最大值并随后减少，而在矿区内层这类用地则呈现出连续 减小的趋势；随着南湖公园建成，在 2010 年各类用地分异明显，废弃用地主要转 化为绿化以及积水湖区，矿区内层分异情况较为明显。 塌陷积水坑的分布情况并不能完全说明采沉区塌陷分异问题，因此需对矿区范 围内整体塌陷分异研究。对收集到的两期高程数据进行定性及定量研究，在马家沟 矿区、吕家沱矿区以及赵各庄矿区之间区域（区域一）以及马家沟矿区西侧区域 （区域二）形成小幅度的塌陷分异。通过对其中较为明显的区域一以坡向多边形转 移矩阵的形式定量分析塌陷分异情况马家沟矿区东侧区域塌陷分异最明显，吕家 沱矿区西侧以及赵各庄矿区南侧也有不同程度的塌陷出现，整个区域的西南侧塌陷 分异并不明显，整体塌陷成倒“U”形。 采沉区用地空间分异以及整体塌陷分异的研究对矿区土地利用整改治理以及生 态恢复治理有重要意义。 图 28 幅；表 8 个；参 53 篇。 关键词关键词地理信息系统；采沉区；空间分异；可视化 分类号分类号P237 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract Aiming at the complex multiple variability of the mining subsidence,the study used two scales to carry out the variation of different conditions systematically.A detailed study on the situation of data organization had made after studying research s and models in spatial differentiation systematically, establishing the spatial differentiation system and the content of the researchthe dataremote images and DEM in the area of mining subsidence area are collected as the data source to do land use diversity and collapse differentiation analysis respectively. According to the image coverage,the typical spatial distribution of the Tangshan mine was studiedthe area of accumulated water and waste of land changed significantly, and the accumulated water area increased continuously and peaked in 2010;the area of waste land peaked in 2007 and decreased subsequently,these two types are mainly distributed in the inner layer of the mining area.The building area in the mining area peaked in 2006 and decreased subsequently,while continuous decreasing trend in the inner layer.With the completion of the South Lake Park in 2010, waste land mainly transed into the green and lake,the inner layer of the mine is more obvious. The accumulated water distribution couldn’t fully explain collapse differentiation,so the data of DEM is used as an additional research to explain this question in qualitative and quantitative analysis.There were two regions that had ed small amplitude collapse of differentiation beside the mine of Ma Jiiagou.By making a use of transfer matrix of aspect,research made a quantitative analysis to region Ithe east side of Ma Jiagou mineCollapse differentiation is most obviously in the east of Ma Jiagou mine,on the west side of Lv Jiatuo mine and south Zhao Gezhuang mine also varying degrees of collapse,and the southwest side of the whole collapse have no obvious differentiation,the overall collapse pered as an inverted “U“ shape. The research of two kinds of spatial heterogeneity has significant important on the improvement of the land use and the ecological restoration. Figure27; Table 8; Reference 53 Keywords GIS, Mining Subsidence area, Spatial differentiation, Visualization Chinese books catalog P237 目次 - III - 目次 引言........................................................................................................................1 第 1 章 绪论..................................................................................................................2 1.1 研究背景及意义..............................................................................................2 1.2 国内外对矿区采沉区的研究现状..................................................................2 1.2.1 采沉区治理研究以及 GIS 在采沉区的应用现状................................2 1.2.2 二三维可视化研究及其在采沉区应用现状........................................5 1.2.3 空间分异问题研究现状........................................................................6 1.3 研究目标与内容..............................................................................................7 1.3.1 研究目的................................................................................................7 1.3.2 研究内容................................................................................................8 1.4 技术路线与实验方案......................................................................................8 第 2 章 基础理论研究................................................................................................10 2.1 GIS 空间数据组织..........................................................................................10 2.1.1 数字高程模型......................................................................................10 2.1.2 数字线划图模型..................................................................................11 2.1.3 基础影像模型......................................................................................12 2.1.4 面向对象的数据组织..........................................................................13 2.1.5 空间数据可视化表现形式..................................................................13 2.2 采沉区空间数据组织研究............................................................................14 2.2.1 采沉区空间数据组织..........................................................................14 2.2.2 Oracle 数据库技术............................................................................... 15 2.3 空间分异理论研究........................................................................................15 2.3.1 定性定量相结合研究形式..................................................................15 2.3.2 空间分异尺度研究..............................................................................16 2.4 采沉区可视化形式研究................................................................................17 2.4.1 OpenGL 开源图形库建模....................................................................17 2.4.2 3Dmax 建模与地形表达......................................................................18 华北理工大学硕士学位论文 -IV- 2.4.3 3Dmax 建模与 OpenGL 图形库结合..................................................18 2.4.4 SPSS 软件与 GIS 技术相结合.............................................................19 第 3 章 采沉区空间分异建模研究............................................................................21 3.1 空间分异模型与建模....................................................................................21 3.1.1 空间分异模型研究..............................................................................21 3.1.2 采沉区分异体系建立..........................................................................21 3.1.3 采沉区分异尺度确定..........................................................................22 3.2 空间分异体系建模研究................................................................................23 3.2.1 空间分异指数建模..............................................................................23 3.2.2 采沉区塌陷分异转移矩阵..................................................................24 第 4 章 采沉区用地空间分异研究............................................................................26 4.1 数据收集和处理............................................................................................26 4.1.1 数据收集..............................................................................................26 4.1.2 数据处理..............................................................................................27 4.2 采沉区空间分异............................................................................................28 4.2.1 研究区概况..........................................................................................28 4.2.2 唐山矿矿区空间分异整体情况..........................................................28 4.2.3 唐山矿矿区建筑用地纵向分异对比..................................................31 4.2.4 唐山矿矿区植被用地纵向分异对比..................................................32 4.2.5 唐山矿矿区积水用地纵向分异对比..................................................33 4.2.6 唐山矿矿区废弃用地纵向分异对比..................................................33 4.2.7 矿区废弃用地及水体分异变化研究..................................................34 第 5 章 采沉区塌陷情况研究....................................................................................37 5.1 数据收集与分析............................................................................................37 5.1.1 采沉区塌陷分异定性分析..................................................................37 5.1.2 采沉区塌陷分异定量分析..................................................................38 5.2 采沉区塌陷分异研究....................................................................................39 5.2.1 采沉区塌陷定性研究..........................................................................39 5.2.2 采沉区塌陷定量研究..........................................................................39 目次 - V - 结论..........................................................................................................................45 参考文献......................................................................................................................47 致谢..........................................................................................................................50 导师简介......................................................................................................................51 作者简介......................................................................................................................52 学位论文数据集..........................................................................................................53 引言 -1- 引言 煤矿采沉区是指在煤层的开采过程中，由于围岩内原有应力平衡受到破坏而形 成的半塌陷区。采空沉陷区附近常出现地表裂缝、塌陷、积水坑等，塌陷问题有可 能引发滑坡、泥石流等二次生态破坏，甚至生态失衡，进而直接导致经济损失和生 态资源浪费。采沉区出现较为严重的土地资源浪费的情况，现如今土地问题已经成 为制约国民经济的重要影响因素。 开滦煤矿作为我国第一座大型机械化开采矿区，始采于 1878 年，现如今开滦 煤矿已经连续开采了 137 年，为唐山市和全国的经济发展做出了巨大贡献。然而， 经过如此长时间大规模的煤炭资源开采，唐山市多处的生态环境遭到了较为严重破 坏。据统计，唐山市因为煤炭资源的开采已经造成了 2.08 万公顷范围内的地表下 沉（含波及区），形成了大大小小的沉陷积水坑有五十多个，其中积水坑总面积达 到了 2093 公顷，并且每年还将新增下沉地面积达 100 多公顷，占地面积约为 2.7 万亩的南湖公园就是其中相对较大的沉降区域。 据有关资料统计我国每开采一万吨煤炭资源，地表的沉陷率在 0.0330.530 公顷，以 2006 年总煤炭累计产量 376 亿吨计算，我国煤炭地下开采历年沉陷地总 量在 75.2 万公顷，并且还在以每年 4.6 万公顷的速度递增。 煤矿采沉区造成的一系列生产生活问题严重制约着城乡区域发展，阻碍了国家 可持续发展的进程。例如，煤矿采沉区积水坑、地表塌陷、尾矿乱放、生活垃圾堆 积，既污染了空气也污染了宝贵的水资源，周边居民因此患病，远离和谐，远远背 离了生态型城市的发展，煤矿采沉区内部问题比较严峻。 在生态城市发展的当下，国内外很多学者都提出了“边开采边治理”的的解决 方案来响应国家的可持续发展战略，让经济同生态共同发展。这种“边开采边治 理”的理念在国内外都得到了支持。 研究采用 3S（RS、GPS、GIS）技术作为技术支撑，使用定性与定量相结合的 研究手段，建立了空间分异体系以及空间分异模型，对采沉区各类用地空间分异情 况以多期影像进行多尺度研究。另外，以高程数据作为采沉区塌陷分异补充研究， 整体研究则比较严谨。 研究对矿区生态资源的保护以及相关产业链的持续发展具有重要意义。 华北理工大学硕士学位论文 -2- 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 唐山是我国最早的煤炭生产基地之一，同样也早早面临了采煤沉降区带来的严 重地质破坏和环境污染等一系列问题。采煤沉降区对其附近产生影响较广，如交 通、水利、电力、通信等基础设施的破坏。开滦煤矿经过百来年的大规模开采挖掘 后，煤炭资源储量严重缺失，地质沉降问题比较突出，地下水上升凸显，出现积水 坑，之前的采煤矿区逐渐荒芜。矿区采沉区逐渐变成一片片的废弃地，大量的浮煤 堆积，浪费了土地的同时还造成了严重的环境污染，生态系统紊乱，这些都严重的 影响到了人们日常生活，同时也成为城市形象的一个污点。据不完全统计,我国国 有重点煤矿造成的煤炭采空区面积已经超过了 3000 多平方千米，且采煤沉陷区的 面积还在以每年 120 平方千米的速度增加，整体形势令人堪忧。以辽宁省北票煤矿 来说明经过多年开采，沉陷区面积近 40 平方千米，其中采煤沉陷区受损建筑物 建筑面积多达 150 多万平米，受其影响的当地居民多达 6 万多人。 随着煤矿采沉区带来问题的凸显，国家已经加大整治力度。从 2003 年至 2008 年，中央财政共下达 60 亿元用于矿山地质环境治理，平均每年拨付 10 亿元，而且 政府每年对矿山整治投入的的资金力度还在不断加大，可见政府对矿区治理的决 心。政府的资金投入是治理矿山问题的强大后盾，但这还远远不够，光是资金的投 入，没有一套具体的整治方案就会导致盲目的治理，只会是浪费人力财力。 GIS 可以处理大数据量的矢量以及属性信息，具有很好的空间数据组织能力以 及空间分析解决问题能力。将煤矿采沉区内部数据放到 GIS 平台下，可以针对问 题做出相应的技术分析，是研究煤矿采沉区的一个强大的平台，利用 GIS 平台在 解决煤矿采沉区一系列问题方面是可行的。 1.2 国内外对矿区采沉区的研究现状 为解决煤矿采沉区内存在的一些生态环境问题，国内外很多学者对此做了大量 的研究工作，提出了许多较为合理的治理方案，并取得了丰硕的研究成果。 1.2.1 采沉区治理研究以及 GIS 在采沉区的应用现状 随着煤矿采沉区越来越受重视，对它的研究也深入方方面面，整体上对其也有 第 1 章 绪论 - 3 - 了一定的了解 2012 年周宁等人以内蒙古东部敏东一矿为例，提出了结合实际情况对土地复 垦进行适宜性评价，根据植被类型、排水条件、破坏程度、有效土层厚度、排水条 件、土壤质地等方面提出了 54 个评价单元[1]，对采沉区土地进行了细致的划分,对 矿山开采中的环境破坏进行了量化，充分考虑到各个影响因子，最终完成土地复垦 适宜性分等定级工作。之后，在 2013 年朱紫薇与柯伟锋也同样提出土地复垦适宜 性评价涉及多方面的影响因素，这些因素是制定土地复垦的基础和前提[2]，研究过 程中，作者建立了适宜性评价体系方法，将地质物质组成（壤土、岩石混合物、砂 土和石质）、有效土层厚度、坡度开采深度，采用主分量分析、关联分析、主成份 分析等方法进行量化运用 Matalab 软件回归分析，最后完成数值仿真，效果显著。 这两个研究方案提出了煤矿采沉区空间分异变化需要注意的几方面研究因子。 2009 年王振龙等人对淮北平原等地的采沉区积水洼地进行系统性研究，提出 沉陷区与河道相互沟通连接，在采沉区构造湿地生态系统（景观型、养殖型、植被 型），以蓄水供水为主要目的对采沉区稳定程度（稳定沉陷区,动态沉陷区,待沉陷 区）进行分类，对其进行分类治理和开发[3]。2013 年陈宏等人针对煤矿采沉区积水 问题和采沉区周围对方的煤矸石堆问题[4]，提出在地下 700 毫米深煤矸无污染石堆 填方积水坑，运用 Suarfer9.0 软件求取填方量，达到治水和除污染双赢。2013 年孙 青言等人针对沉陷区洼地问题，使用 ArcGIS 平台，研究现状地形与预测沉陷叠加 的地形预测技术[5]，把预测的沉陷等值线 DLG 线划数据转化成栅格数据并与 DEM 数据进行叠加，对现状地形进行预测，得到较为精确的预测地形数据。这三篇文章 提出了一个共同的研究内容，对煤矿采沉区积水坑洼地的治理，根据积水坑的大小 和位置进行因地制宜，几种治理方法相结合，运用 GIS 平台对其加以完善，这是 在煤矿采沉区空间分异变化 GIS 分研究中值得注意的一方面。 另外，其他学者对煤矿采沉区也做了很多常识性的研究并取得了很好的效果 2012 年张燕等人根据开采沉陷学的“三带”理论对抚顺老虎台矿开采沉陷区 边坡失稳问题进行研究，将露天边坡岩土详细的划分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉 带和原生带 4 个特征区域[6]。北京林业大学的贾俊姝等人对山西省东大煤矿附近的 采煤沉陷区在其沉陷前后土地利用情况及其附近景观的异质性做出了初步的研究和 探讨。天津大学建筑学院的郝卫国学者，对唐山南湖沉陷区做了系统性总结和分 析，并介绍了采沉区成功改造案例上海辰山植物园的改造，由严重的生态环境破 坏改造成为植物园中最引人的景区。邓敏、崔建国等人针对矿山动态点位分布进行 分析，建立了矿山 GIS 中动态点位的表达模型，对采煤沉陷区进行动态预测提供 华北理工大学硕士学位论文 -4- 帮助。煤炭研究总院唐山分院的李幸丽和高均海，利用实时景观、斑块的类型以及 景观的一些特征性指标，对大南湖沉陷区景观格局的变化做了研究。贺晋瑜和李伟 在基于景观功能与稳定性的矿区规划环境影响评价研究[7]中，应用景观生态学方 法，建立了三层次的适用于煤矿区规划评价的指标体系。连达军等人在开采沉陷对 矿区土地资源的采动效应研究中，采用 RS 和 GIS 空间分析技术对土地资源各个采 动生态位指标进行量化，分析土地资源的采动空间分异特征、采动累积效应及其延 迟效应的过程。袁越,王旭春鲍店煤矿十采区沉陷情况对耕地的影响进行了量化评 价，并建立可视化沉陷区影响效果，把结果和实际情况做了对比，验证了该评价系 统具有科学性、高效性和合理性[8],并提出了 GIS 可视化技术在损害评价方面,比传 统的评价方法和技术手段更具优越性。 2010 年，汪金花等人结合了生态园空间信息、采沉区塌陷信息以及不同时相 的遥感数据，利用 GIS 图与属性结合的数据模式，构建图数结合的信息平台，为 采煤沉陷区的复垦研究以及对生态治理的评估与空间分析建立一种全新的数据平台 [9]，研究结果提出 GIS 可以借助其成熟的数学评估模型进行综合全面的定量与定性 分析,实现空间信息评价过程的系统化和自动化,并为空间信息的管理和规划提出了 相对准确、可靠的量化依据。 2011 年，黎炜等人对采煤沉陷区土壤质量的研究中提到我国对采煤沉陷区土 壤分析大多还停留在传统的手段，以 3S（GPS、GIS、RS）技术和信息网络及尺度 转换技术在这一研究方向相对缺乏，可见 GIS 强大的针对多元素问题的综合分析 能力在解决煤矿采沉区问题上有待研究，并有一定的潜在优势。 另外，其他学者也曾做了不同方面的煤矿采沉区研究，在采沉区影响和治理方 案方面[10-12]、在土地复垦治理方法方面[13-15]、煤矿采沉区数据获取方面[16-17]等同样 做了研究。可见 GIS 在研究煤矿采沉区以及治理采沉区问题上的重要性。 综上，通过 GIS 对煤矿采沉区空间分异分析研究是一项复杂的工作，但效果 显然明显，通过文献综述，从 GIS 分析角度出发初步确定了对采沉区研究的影响 因子和基础数据需求。研究因素包括地质物质组成（壤土、岩石混合物、砂土和 石质）、有效土层厚度、坡度开采深度、植被组成、积水程度等，以此建立数学综 合评价模型。研究基础数据包括采沉区影像数据、数字高程模型 DEM、矢量数 字线划图 DLG、高程等值线等等，把数据量化进行 GIS 研究效果显著。 1.2.2 二三维可视化研究及其在采沉区应用现状 二三维可视化技术可谓是当下最热的一个话题，对可视化的研究也遍布各行各 第 1 章 绪论 - 5 - 业，让人们看到了城市发展的又一个新方向，它让城市更加数字化，管理一体化， 使得解决问题方法更加方便简洁。经过了近十年的研究和探索，可视化建模技术得 到比较广泛的关注，并已经得到了不错的发展。 2013 年董坤等人对地学三维可视化建模技术研究现状做了细致研究，提出地 学三维可视化建模技术已经成为国内外研究热点[18]。国外发展较早，1963 年，加 拿大建立世界上第一个地理信息系统 CGIS；英国 Badleys Geoscience Ltd 公司也推 出的了 TrapTester 软件，该软件在断层及裂缝预测等方面居于国际领先水平，德国 WASY 公司推出的 FEFLOW，是专业的地下水流模拟软件；美国 Dynamic Graphics 公司研制开发了基于空间地质建模的 EarthVision 软件，该软件可用于识 别地质目的层的各类属性；法国 Earth Decision Sciences 推出的 GOCAD 在半智能 化建模方面达到了较高的水平，可以针对相对复杂的地质区域进行建模；另外，在 这一方面还包括澳大利亚