采煤塌陷区遥感动态监测系统的研究.pdf

河北理工大学 硕士学位论文 采煤塌陷区遥感动态监测系统的研究 姓名国巧真 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师李富平;赵红蕊 20041220 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 河北理工学院或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。 签名f 重l 塑堇日期竺L 年- L 月生日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 保密的论文在解密后应遵循此规定 签名闭名真导师签名盥 日期年一月一曰 引言 引言 煤炭是我国的主要能源，占能源消耗的7 0 ％以上。在以后帽当长的时期内煤 炭仍将是我国的第一能源。煤炭的开采和利用，产生巨大的经济和社会效益，同时 也给矿区生态环境带来了一系列损害影响⋯。地下煤炭资源的大规模开采，破坏了 覆岩层的稳定性，从而破碎、垮落，导致地表的下沉、塌陷。这些地表塌陷造成大 面积土地资源的破坏，在高潜水位地区甚至出现大量积水，导致区域生态环境的变 化I3 1 。 经有关部门测算，全国累计煤矿采空塌陷面积已超过7 1 0 5 h m 2 ，平均每采万 吨煤就塌陷土地0 ．2 h m 2 ，高者可达O ．2 6 h m 2 ，据此估算全国每年因采煤塌陷土地7 1 0 3 h m 2 。此外，采煤还严重破坏了地下水的均衡，造成地下水位下降数十米，甚 至上百米，使水资源短缺，泉水干枯。山西省因采煤造成1 8 个县2 6 万人吃水困 难，2 X1 0 4 h m 2 水田变成早地，全省泉井减少3 0 0 0 多处。其中晋城地区有5 ．2 1 0 7 h m 2 耕地因严重缺水变成了无法耕种的“靠天收”土地，其情景让人痛心不 已。唐山是我国采煤造成严重破坏的矿业城市之一，煤炭企业为唐山市乃至我国经 济的发展提供了优质能源，但也造成了严重的生态环境和社会问题。目前，唐山市 因采煤造成地表塌陷总面积已达2 2 4 6 0 h r l l 2 ，其中绝产地4 7 5 0 h m 2 ．形成大小塌陷 积水坑5 3 个，积水总面积2 4 8 0 h m 2 ；因采煤塌陷搬迁村庄9 4 个。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、积水区范围和深度、水污染状况等 数据资料。应用常规手段对采煤塌陷区进行动态监测是难以胜任的，不仅会耗费大 量人力、物力和财力，并且也会困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[ 3 l 【⋯。因此，建立动态监测系统为塌陷区生态管理及生态恢复与重建等工作提供 基础资料是非常必要的，对维护区域的生态环境有重要意义。 遥感是一门自2 0 世纪6 0 年代以后发展起来的新兴学科【5 “。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。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 7 】o 地理信息系统是融计算机图形和数据库为⋯体，储 存和处理空间信息的高新技术。它把地理位置和相关属性有机结合起来，以满足采 河北理工大学硕士学位论文 煤塌陷区对空间信息的需要，同时借助其独有的空闯分析功能和可视化表达，进行 辅助决策。 对采煤塌陷区进行动态监测需要研究由此引发的塌陷区面积等信息的变化及趋 势。这些监测、分析与研究必须是定量、定位、准确、及时的，是遥感信息与地理 信息系统 G I S 以及实地测量数据等多源信息的综合，据此才能将其观测和研究结 果用于解决人类社会可持续发展中所面临的各种资源环境问题，并最终应用于实现 对人类行为的引导和调控，以建立和谐统一、良性循环的人地关系系统【8 】。 计算机技术的发展和应用，使海量卫星图像数据的处理、贮存和检索快速而 有效，尤其在图像的压缩、变换、复原、增强和信息提取方面，更显示了它的优越 性。 本文运用计算机手段，借助于遥感图像处理软件E N V l 、E N V I 二次开发语言 I D L 、地理信息系统M a p l n f o 及M a p l n f o 二次开发语言M a p B a s i c ，以唐山市区南部 采煤塌陷区为例，进行动态监测系统的研究。 本论文来源于唐山市科技局项目唐山市采煤下沉区生态园林化综合技术开发 研究。 ．2 ． 1 文献综述 1 文献综述 1 ．1 我国采煤塌陷破坏的现状 随着煤炭生产的发展，开采规模不断扩大，地下采空区日渐增多，地面塌陷区 面积迅速增加，地面塌陷灾害日益严重，直接威胁着人民群众生活和生产的发展， 严重地制约国民经济和社会事业长远规划的实现l 乳1 1 】。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，士地资源紧张，但耕地面积锐减。如河南省1 9 5 4 年有耕 地9 ．0 6 4 X1 0 6 h m 2 ，而1 9 9 0 年比1 9 5 4 年减少了2 1 2 ．9 h m 2 ，平均每年减少耕地5 ．5 l O r m a 2 ，目前人均耕地低于全国平均水平。2 0 0 0 年以来，采煤塌陷地面以每年 4 ％～5 ％的速度递增。河南焦作矿区塌陷面积已达3 8 1 5 h m 2 ，平均每采万吨煤塌陷土 地O ．2 7 h m 2 。河南平顶山矿山自投产以来，形成较大的塌陷坑2 0 余个，被破坏的耕 地面积达5 3 3 h m 2 以上，其中需改造复星的常年积水、季节积水、无积水塌陷达 2 4 9 h m 2 含耕地1 8 7 h m 2 ，企业每年耗巨资用于征地和赔偿。徐州矿区位于江苏省 铜山县境内，该县采煤塌陷土地l 。3 X 1 0 4 余公顷，2 l 万人、人均耕地在0 ．0 0 2 h m 2 以 下，1 0 万人无地可耕【1 1 。至2 0 0 3 年年底，山东济宁市煤炭开采共塌陷土地大约1 ．2 1 0 4 h m 2 其中造成减产7 ．3 x 1 0 3 h m 2 ，绝产4 ．7 x 1 0 3 1 a m 2 ，塌陷范围涉及曲阜、 兖州、邹城等8 个县市区的2 0 多个乡镇、3 0 0 多个村庄。随着煤炭资源更大规模的 开发，土地塌陷形势将更加严峻，预计到2 0 1 0 年全市土地塌陷面积将达到1 ．9 3 1 0 4 h m 2 ，到2 0 3 0 年达到4 X1 0 4 h m 2 ，到2 0 5 0 年以后，最终将会造成2 ．6 6 7 1 舻多 h m 2 土地的塌陷，占全市土地总面积的2 3 ．7 ％，占耕地面积的5 0 ％。 2 对矿区水环境的影响 在我国中、西部干旱的丘陵地区，如山西、陕西、河南等省的～些矿区，采煤 塌陷主要表现为非连续变形 塌陷坑、地裂缝、台阶和滑坡等 ，改变矿区水文地质 条件。采煤引起的地表移动，可使煤层围岩中含水层的水、溶洞水以及开采影响范 围内的地表水溃入井下，不仅会导致灾害性透水事故，而且形成的地下水漏斗使得 浅层地下水位下降或丧失，地表水系受到破坏，河溪断流，水井枯竭，土地干裂， 庄稼枯萎，农作物减产，也使耕作土更容易受风、水等侵蚀，引起土地沙漠化以及 土地滑坡和泥石流。 3 河北理工大学硕士学位论文 采煤塌陷使干旱地区的水资源更趋紧张，水质变坏，居民生活用水、煤矿工业 用水和农田灌溉用水更为匮乏。山西省因采煤造成地表资源及中层水源的漏失，导 致全省5 3 0 多个自然村和3 3 万多居民饮水与生活用水严重短缺。 采煤塌陷在我国平原矿区，如山东兖州矿区、华东的淮北、徐州等矿区和中、 西部地下水位相对较高的低洼矿区，表现为下沉盆地积水，常形成积水塌陷坑或季 节性积水塌陷坑，淹没耕地，造成绝产[ 2 1 。 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f l o l 。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，形成严重的跑水、跑肥、跑土的 。。三跑田”，土壤肥力不断下∥1 拼。 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。由于 移动盆地范围内各点的移动变形性质和大小各不相同，故建筑物受损的性质与程度 也有很大差异。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【1 扣1 4 1 。 5 对矿区铁路和公路的破坏 在某矿区，有2 ．5 k m 的铁路位于塌陷区，塌陷深度约3 ．2 m ，铁路路基下沉，需 工人们经常性的铺垫。现在，原来低子周丽地面的铁路路基已高出地面l m 多。塌 陷使得矿区公路变得波状起伏。鹤壁矿区大胡至中山的主干道，由于地表塌陷而多 次重修【l J 。 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。鹤壁集九孔桥因地表塌陷桥面 下沉6 m ，被迫重建。对管线的破坏主要表现为地表移动变形对管壁产生的拉、压、 剪等附加应力超过管线极限时，使管壁断裂，改变管路的原坡度，只是流通不畅。 对输电线路的损害主要是由于地表移动变形，使塔杆歪斜、杆距改变，从而影响线 路的弛度和高度。 唐山是我国采煤造成严重破坏的矿业城市之一，煤田分布范围约6 ．7 1 0 4 h m 2 ， 煤田内现有开滦集团公司1 1 个煤矿，地方中小矿山1 0 0 余座。这些煤炭企业为唐【I I 市乃至我国经济的发展提供了优质能源，但也造成了严重的生态环境问题和社会问 一4 ． 1 文献综述 题。由于煤炭资源的开发使生态结构破坏，生态功能丧失或降低，生态环境恶化， 生态平衡受到破坏。目前，唐山市因采煤造成地表塌陷总面积已达2 2 4 6 0 h m 2 ，其中 绝产地4 7 5 0 h m 2 ，形成大小塌陷积水坑5 3 个，积水总面积2 4 8 0 h m 2 ；因采煤塌陷搬 迁村庄9 4 个，旧村址废弃地面积达7 8 0 h m 2 ；地面形成大小矸石山1 6 座，占地 3 0 0 h m 2 ；季节性积水塌陷地波及地1 ．5 8 1 0 4 h m 2 。且唐山市采煤塌陷区主要集中在 四个中心城区，另外城区塌陷区已成为煤矸石、粉煤灰、城市垃圾的排放场，由于 没有相应的生态环境治理规划，加之部分工矿企业工业污水及生活污水的排放，致 使塌陷区生态环境和自然景观遭到严重破坏，已直接影响到唐山市人民的生产和生 活。因此综合治理塌陷地，改善生态环境，已成为唐山市恢复和治理生态环境亟待 解决的重大问题1 1 5 1 。 煤炭的井下开采，导致地面的塌陷是不可避免的。如何使煤炭开发与地质环境保 护协调发展，既发展煤炭生产，又使地面塌陷灾害减少到最低限度，并及时治理．这 是我们防治矿区地面塌陷的根本所在。 1 ．2 国内外采煤塌陷区动态监测技术研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 国外采煤塌陷区动态监测技术研究现状及发展趋势 国际上利用遥感技术与地理信息系统进行了大量的卓有成效的资源环境调查工 作，尤其在土地利用、土地覆盖、植被监测、作物评估等方面得到广泛应用。美国 农业部，国家海洋大气管理局，宇航局和商业部合作于1 9 7 4 ～1 9 7 7 年进行了大面积 的农作物估产计划 u 屺m ，1 9 8 弘1 9 8 6 年又开展了全球性的农业和资源的空间 遥感调查计划 A G R I S T A R S 。欧共体1 9 9 2 年以来开展了利用遥感技术监测欧共 体国家耕地、农作物变化的大型计划M A R S 加拿大已基本实现了利用遥感技术、地 理信息系统对全国周期性的宏观资源调查、更新与制图。1 9 9 5 年由国际地圈、生物 圈计划I G B P 和全球环境变化人文因素计划I H D P 联合实施的“土地利用／土地覆盖 变化研究” L U C C 是国际全球变化研究的核心计划。 还有许多国家利用遥感技术和地理信息系统对有关资源保护活动进行严格的监 测和科学的管理，取得了成功的经验。美国利用遥感技术对煤矿生产产生的煤矸石 堆进行动态监测，确保环境和防止矸石堆发生爆炸，同时，他们还利用遥感技术对 煤矿区土地复垦效果进行动态监测，为土地复垦管理提供客观的资料，并应用地理 信息系统进行数据的管理，提高了资源．环境管理部门的执法力度荷兰是一个以 5 河北理工大学硕士学位论文 “填海造田”闻名于世的国家，土地资源极为宝贵，据调研，荷兰政府为了保护本 国的树木、使得宝贵的土地资源不被沿海的大风沙化，对全国的树木实行了严格的 遥感动态监测，每年采用航空遥感飞行的方法，对全部国土做一次遥感飞行，由图 像重点确定新长出的树苗、被砍伐的树木和人工植树情况，然后用G I S 进行数据管 理。根据监测结果，严厉处罚非法砍树 包括新长出的树苗 和未完成植树任务或复 植数量的业主。在这项高技术的支持下，确保了有关环保法律和措旌的落实【1 “”。 澳大利亚是矿业为主的国家，是世界上先进而成功处理扰动土地的国家，生态 综合整治由政府出资进行，已成为开采工艺的一部分。其特点之一是采用综合模 式，实现了土地、环境和生态的综合整治，它克服了单项治理带来的弊端。另一特 点是多专业联合投入，包括地质、矿冶、测量、物理、化学、环境、生态、农艺、 经济学，甚至医学、社会学等多学科多专业。再一特点是高科技指导和支持。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。高科技成果为提供各种先进设备，借助先进设备进行综合整治过程中的 观测。分子生物学和遗传学用于设计新的速生、丰产树种和草类，高科技的引入产 生了高效益的复垦【”1 。澳大利亚城市环境监测管理综合了城市的空间和结构特点， 尤其是由G I S 得到的信息和用监测手段得到的环境动态数据。为了提供支持计划和 管理相关的信息，这些部分被综合到一块。 维也纳、柏林、日内瓦城等地方把监测数据、G I S 和所用模型进行了统一，用 一个共同的委任服务代理机构、一个直观设计和专家系统，并且有容易进入的多媒 体界面和对环境监测管理的分析工具。总之，用G I S 对监测数据进行有效的管理是 非常明智的选择”9 1 。 遥感技术在土地管理业务工作中的应用，由于各国各地区的社会制度、自然条 件、发展水平和管理体制上的差异，需求不尽相同。例如加拿大、澳大利亚这些疆 域辽阔的国家，在经济活动少的荒漠地区使用卫星遥感资料监测，在人口稠密的发 达地区则使用航空遥感方法。如在法国。卫星遥感资料作为土地监测的辅助资料， 配合航空遥感和地面调奁作样点布设。再如日本、西欧等一些国土面积小、经济发 达的国家，土地基础资料完整，按正常的管理程序 包括定期航空摄影 已可掌握满 足土地管理对各种信息的需要，就无需利用遥感资料。但是很多国家都在研究卫星 遥感技术在土地利用监测中的应用，并取得很大进展，这些前瞻性研究将为扩大遥感 技术的应用提供技术支持唧J 。 从以上可以得出国际上监测技术起步较早，且各有特色。总之，用R S 和G I S - 6 - 1 文献综述 对塌陷区监测是非常明智的选择。 1 ．2 ．2 国内采煤塌陷区动态监测技术研究现状及发展趋势 在国内，中国地质调查局已经利用遥感技术对主要大中城市进行土地利用动态 监测，并取得了良好的社会效益和经济效益。土地资源开发动态的遥感监测就是土 地利用动态的遥感监测，它主要是用卫星遥感技术对耕地以及建设用地等土地利用 情况进行及时、直接、客观的定期监测，检查土地利用总体规划及年度用地计划执 行情况，重点核查每年土地变更调查汇总数据，为国家宏观决策提供比较可靠、准 确的土地变化情况，对违法、或涉嫌违法用地的地区及其它特定目标等情况进行快 速的日常监测。为违法用地查处及突发事件处理提供依据。此项工作已取得了初步 成果，并已出版颁布了土地利用动态遥感监测规程。随着我国国土资源卫星的 发射成功，下一步的主要任务是如何利用我国的国土资源卫星，再结合其它遥感数 据。依据土地利用动态遥感监测规程，进行全国范围的土地利用动态监测工作 【1 6 ≈1 I 。 中国矿业大学利用多时相T M 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T M 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T M 数据的“一致性”和“可比性”。并且用G P S 进 行控制点的采集，用G I S 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【御。 煤炭部用3 S 技术 遥感技术、地理信息系统、全球定位系统 对我国东部煤矿 区进行了监测和治理，采用G P S 作控制点定位测量，利用法国S P O T 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 1 0 0 0 0 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。这些资料是进 行塌陷区分析评价和制定整治规划不可缺少的基础资料。实施塌陷区信息存储、管 理、分析评价和环境保护规划决策，宜于在G I S 和R S 技术支持下，遵照规范化、 标准化的原则建成能进行电子信息交换的现代化矿区环境信息系统。在构建矿区环 7 河北理工大学硕士学位论文 境信息系统时，首先必须根据环境质量评价标准和要求，结合矿区的实际地质采矿 和社会经济条件，选定最能反映环境质量的环境要素和环境背景数据，并将它们的 几何空间位置及其属性数据输入信息系统，建立塌陷区信息空间数据库。利用G I S 基础软件研制建立的塌陷区信息监测系统包括多个模块，具有基本的塌陷区信息处 理和分析评价功能。此外还开发了具有一定智能化的采煤塌陷区监测系统【2 2 】。 1 ．3 我国采煤塌陷区动态监测技术存在的问题 1 对采煤塌陷区进行动态监测、统计分析、治理复用是近年来矿区可持续发展 研究的重要方面。获取塌陷地实时、动态信息是各项工作的基础。传统的实施测量 方法工作量大、成本高、不易经常组织。而遥感图像可以实时地记录区域地面实 况，在塌陷地监测与识别方面具有明显的优越性【2 3 叫I 。 2 早期的遥感动态监测主要是通过人工解译、凭借大比例尺航片来进行，但这 种目视比较法被公认为是低效率的、令人疲惫的和有遗漏错误的。随着多光谱、多 时相、多尺度遥感数据的出现以及图像数字处理技术的发展，通过计算机从多时相 遥感数据中进行信息提取，对照和比较，并将变化及其空间位置自动显示给解译者 的数字变化探测技术应运而生，从而为遥感技术在资源环境动态监测中的高效、准 确运作提供了技术支持1 2 5 捌1 。 3 分类是遥感图像处理的首要工作，为了获得具体的塌陷区交化信息，获取正 确的地表覆盖类型是非常关键的一步。但问题在于，分类后比较法所使用的多次单 独分类，一方面难以获得一致的分类标准，另一方面其每一次分类的误差将在随后 的空间比较过程中被进一步放大，这也就是该方法会夸大变化程度的主要原因。多 时相直接分类法的不足之处。例如，贵州省安顺市用多时相直接分类法对土地进行 动态监测，具体思路是先将多时相遥感数据组合成一幅单一图像进行监督分类，以 减少夸大变化的程度，获取较为准确可靠的变化探测结果。该方法的不足在于需要 通过非监督分类以及人工参与来确定研究区已经发生的塌陷变化，二者是较为繁琐 的，有时甚至不得不反复比较，才能最终加以确定。 4 由于没有专门的组织协调统一管理，加上受人力、物力、财力所困，目前， 我国大多数矿区地面塌陷的预防、治理、监测、预报等社会活动基本处于停滞或无 政府状态吼 ．8 ． 2 研究内容概述 2 ．1 研究目的和意义 2 ．1 ．1 研究目的 2 研究内容概述 本论文的研究目的就是在详细调研的基础上，分析矿业开发中对生态环境造成 的影响和破坏的现状，得到塌陷地醯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，并得到随着年度的增加采煤塌陷地积水区面积的变化 情况，以唐山市区南部采煤塌陷区为例进行研究，建立采煤塌陷区遥感动态监测系 统，为采煤塌陷区动态监测工作服务。 2 ．1 ．2 研究意义 地下煤炭资源的大规模开采，破坏了覆岩层的稳定性，从而破碎、垮落，导致 地表的下沉、塌陷。经有关部门测算，全国平均每采万吨煤就塌陷土地0 ．2 h m 2 ， 高者可达0 ．2 6 h m 2 ，据此估算全园每年因采煤塌陷土地7 0 0 0 h m 2 。唐山是我国采煤 造成严重破坏的矿业城市之一，煤炭企业为唐山市乃至我国经济的发展提供了优质 能源，但也造成了严重的生态环境和社会问题．目前，唐山市因采煤造成地表塌陷 总面积已达2 2 4 6 0 h m 2 ，其中绝产地4 7 5 0 b m 2 ，形成大小塌陷积水坑5 3 个，积水总 面积2 4 8 0 h m 2 ；因采煤塌陷搬迁村庄9 4 个。 至今中国尚没有一个能覆盖全国的采煤塌陷区遥感动态监测系统，因而缺少关 于人类采煤一采煤塌陷区一治理之间相互作用的长序列系统基础资料，也致使中国 采煤塌陷区的变化历史、现状和发展趋势缺乏科学的认识。因此，建立采煤塌陷区 遥感动态监测系统是十分必要的。此系统有利于实现采煤塌陷区长期、系统、全 面、动态的监测，为国家和决策者提供科学的决策依据，为复垦、治理、对恢复被破 坏的土地资源等工作提供依据，对维护区域的生态环境有重要意义，并为解决全球 性塌陷区问题做出积极的贡献俐。 2 ．2 基础资料选择 对于采煤塌陷区的研究，我们需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、积水区范围和深度、水污染状况等数据资料。采用常规的技术手 9 河北理工大学硕士学位论文 段，如地形测量是难以胜任的，并且获得这些信息的成本也是相当昂贵的，特 别是对于积水塌陷区来说更是如此。近年来迅速发展起来的卫星遥感技术为其创造 了条件。 遥感信息因其覆盖面积大、实时性和现实性强、速度快、周期性和准确可靠以 及省时、省力、费用低等优点，以被广泛用于土地资源和土地利用现状调查、土地 利用变化监测中。根据研究区范围及经费的限制，我们采用T M 数据。 因此，本文所采用的信息源主要有美国L a n d s a t 卫星的T M E n h a n c e d T h e m a t i cM a p p e r 、E T M E n h a n c e dT h e m a t i cM a p p e r 图像资料和实地考察资料 等。根据唐山市区南部采煤塌陷区历史及经费的限制，共选择了5 个不同时相的遥 感资料，分别为1 9 8 7 年L a n d s a t 5 的T M 图像、1 9 9 2 年L a n d s a t 5 的T I V I 图像、 1 9 9 7 年L a n d s a t 5 的T l v l 图像、2 0 0 1 年L a n d s a t 7 的E T M 图像和2 0 0 3 年L a n d s a t 5 的T M 图像。而且，T M l 0 ．4 5 加．5 2 9 m 为新增加的蓝波段，主要增加水下信 息。该波段位于水体衰减系数最小，教射最弱的部位，对水的穿透力最大，可获得 更多水下细节，用于判别水深、浅海水下地形、水体浑浊度、沿岸水、地表水等， 进行水系及浅海水域制图。T M 4 0 ．7 6 加．9 0 ／z m 近红外波段，该波段处于水体 强吸收区，水体轮廓清晰，用于勾绘水体，区分土壤湿度及寻找地下水、识别与水 有关的地质构造、地貌、土壤岩石类型等均有利。T M 5 1 ．5 5 1 ．7 5 m 短波红 外波段，该波段位于水的吸收带之间，受两个吸收带的控制，这个区段水的吸收率 很高一般来说，T M 5 信息量大，利用率高1 6 , 2 8 1 。由于此研究主要是针对塌陷积水 区，故采用T M 5 ，n ，T M l 三波段进行图像分析。 2 - 3 采煤塌陷区遥感动态监测系统的基本设计思想 对采煤塌陷区的监测是一项非常复杂、艰巨的工作，这就迫切需要我们建立一 个动态监 i 贝| | 系统，而遥感技术与地理信息系统在我国采煤塌陷区动态监测方面发挥 越来越重要的作用，并成为开展采煤塌陷区研究不可缺少的重要技术手段【2 9 J ，系 统的总体结构有采煤塌陷区动态监测遥感图像解译系统和塌陷区环境要素统计分析 系统两部分。第一部分主要实现的功能包括遥感图像解译、图像显示及分析等第 二部分主要实现的功能有查询、面积统计和统计图的绘制等，为以后的动态可视化 做准备。 为了建成这样一个系统，需要选择能够很好的实现以上功能的开发工具。 E N V I 是美国B e t t e rS o l u t i o nC o n s u l t i n gL i m i t e dL i a b i l i t yC o m p a n y 开发的一套功能 一1 0 - 2 研究内容概述 齐全的遥感影像处理系统，是处理分析并显示多光谱数据，高光谱数据和雷达数据 的高级工具。E N V I 是完全由I D L I n t e r a c t i v eD a t aL a n g u a g e 写成。E N V I 的许多 特性与I D L 语言的特性紧密相关。I D L 是进行二维及多维数据可视化表现和分析 及应用开发的理想工具软件。I D L 的主要特性包括高级图像处理能力、交互式二维 和三维图形技术、面向对象盼编程方式、O p e n G L 图形加速、量化可视化表现、集 成数学与统计学算法、灵活的数据输入／输出方式、跨平台图形用户界面工具包、 连接O D B C 兼容数据库及多种程序连接工具等【3 0 埘1 。 M a p l n f o 是由美国M a p l n f o 公司推出的一个地理信息系统软件，M a p l n f o P r o f e s s i o n a l 是地理信息系统的代表之一，该软件是M a p i n f o 公司在2 0 世纪8 0 年 代中期推出的一个桌面地图信息系统，其最大的特点是数据分析统计能力。 M a p B a s i c 是理想的在M a p l n f o 平台上开发用户定制的应用程序的编程语言。通过 使用M a p B a s i c 进行二次开发，能够扩展M a p i n f o 的功能，实现程序的自动重复操 作，并使M a p l n f o 与其它应用软件集成。M a p B a s i c 功能强大，用户仅用几行代码 即可在应用软件中实现图层叠加，并具备复杂的地理操作功能。M a p B a s i c 程序易 于与用诸如V i s u a l B a s i c 、c 、P o w e r B u i l d e r 和D e l p h i 等语言编写的应用软件集 成。M a p B a s i c 是一种类B A S I C 语言，帮助用户开发M a p i n f o 应用软件。 鉴于以上两种语言的优势，我选择具有高级图像处理能力的I D L 语言和能满 足数据库、图形操作的简单易学的M a p B a s i c 语言。因此，本系统主要借助予遥感 图像处理软件E N V I 、E N V I 二次开发语言I D L 、地理信息系统M a p i n f o 及M a p l n f o 二次开发语言M a p B a s i c - 2 ．4 系统功能简介 此系统主要借助于遥感图像处理软件E N V I 、E N V I 二次开发语言I D L 、地理 信息系统M a p l n f o 及M a p l n f o 二次开发语言M a p B a s i c ，以唐山市南部采煤塌陷区 为例，进行动态监测系统的设计与开发。对采煤塌陷区进行动态监测需要研究的是 由采煤引发的塌陷区面积等信息的变化及趋势。 系统设计分为两部分第一部分利用遥感软件E N V I 结合I D L 语言建立采煤 塌陷区动态监测遥感图像解译系统，主要实现的功能包括遥感图像解译、图像显示 及分析等。第二部分主要利用M a p i n f o 及二次开发语言M a p B a s i c 建立塌陷区环境 要素统计分析系统，主要实现的功能有查询、面积统计和统计图的绘制等。 河北理工大学硕士学位论文 2 ．4 ．1 解译系统 此系统的功能可以通过直观命名的“系统菜单”来直接调用，方便用户理解功 能菜单含义和功能。 图1 系统菜单栏内容总体示意圄 V i g lS k e t c hm a p o fm e n u 为了更加方便于的对于图形的主要操作，本系统提供了如下图所示的快捷工具 按钮。 图2 系统工具栏内容示意图 F i 9 2S k e t c hm a p o ft o o l b a r 此系统包括菜单和工具栏，菜单有5 个，分别是文件菜单、工具菜单、分析菜 单、交互菜单和帮助菜单。工具栏有打开图像、监督分类和非监督分类3 个按钮。 分别介绍如下 1 文件菜单有“打开”和“退出”这些功能。通过此系统，我们可以打开很 ．1 2 _ 2 研究内容概述 多类型的图像。例如* ．p r i g 、* ．j p g 、} ．t i f 、} ．i m g 、{ ．t x t 等，对图像进行展示。使 用“退出”命令可以退出此系统。 2 分析菜单包括校准、增强处理 直方图均衡化、平滑和锐化 和分类 监 督分类和非监督分类 功能。 使用“校准”命令，可以对图像进行校准。 “直方图均衡化、平滑和锐化”命令由于图像的颜色范围不足或非线性会使 图像的对比度不理想，可用像素幅值重新分配的方法来改善图像对比度。扩大图像 的颜色范围可以用线性映射的方法。I D L 提供了许多途径来操纵圉像的对比增强处 理。本论文选用了三种方法直方图均衡化、平滑和锐化。 “分类 监督分类和非监督分类 ”命令遥感数字图像计算机解译的主要目 的是将遥感图像的地学信息获取发展为计算机支持下的遥感图像智能化识别，其最 终目的是实现遥感图像理解。其基础工作是遥感数字图像的分类。 3 工具菜单包括装载颜色表和重置颜色表这两个命令。 使用“装载颜色表”可以选择合适的颜色表来显示图像，可得到图3 。 圈3 颜色表 F i g3T a b l eo f c o l o u r 1 3 图4 打开对话框 F i 9 4D i a l o go fo p e a n i n g 河北理工大学硕士学位论文 4 三个按钮分别是；打开图像、监督分类和非监督分类 如图2 。打开图像按 钮得到如图4 的对话框。 2 ．4 ．2 统计分析系统 此系统的菜单栏和工具栏如下 围5 统计系统菜单栏内容总体示意图 F i g sS k e t c hm a po fi n e n u 图6 统计系统工具栏示意图 F i 9 6S k e t c hm a po ft o o l b a r 此系统菜单有7 个，分别是文件菜单、编辑菜单、对象菜单、查询菜单、表菜 单、窗口菜单和帮助菜单。工具栏有打开、选择、查询、面积统计、统计图、保存 ．1 4 - 2 研究内容概述 和统计图保存这7 个功能。分别介绍如下 1 文件菜单有打开表、保存表、关闭表和退出这些功能。 使用“打开表”命令，可以在打开表的“文件类型”列表框中各类表，当打开 不同文件类型时，此系统可以显示不同的对话框，可以根据提示进行不同的操作。 当打开M a p l n f o 表时，将显示M a p l n f o 图．同时也打开了M a p h f f o 表。当第一次打 开d B a s eD B F 文件、分界A S C I I 文件、L o t u s1 - 2 ．3 电子表格、M i c r o s o f tE x c e l 时， 根据引导，将不同的数据类型转换成M a p l n f o 表。 使用保存表可以保存导入、修改过的表，条件是至少有一个表被编辑 即增加 信息、删除或添加记录等 。 当选择“关闭表”时，弹出关闭表对话框，可以有选择地～次关闭一个表，包 括查询表。 使用退出命令可以退出此系统。 2 编辑菜单包括撤销、剪切、复制、粘贴和获取信息功能。 使用“撤销”命令，可以撤销上一次编辑操作，使用该命令的条件是当某种 编辑操作如增加、移动或删除记录已被执行，“撤销”被激活。 使用“剪切”命令，可以剪切选中的文本和对象，并移至剪贴板，剪切板上的 任何内容都会被新内容取代，以前的内容或对象将被删除。 使用“复制”可以复制选中的文本或图形信息，并放置到剪贴板。 使用“粘贴”命令，可以将剪贴板上的内容复制到正在编辑的表或窗口中 不 能将文本粘贴到查询表中 。 使用“获取信息”可以显示地图或布局中的选中对象的“区域对象”对话框。 使用此对话框可以为对象设定地理属性。条件是地图窗口或布局被激活，且一个对 象被选中。使用“区域对象”对话框或设定区域位置，可显示区域的面积和周长， 以及组成区域的线段数和多边形个数。 3 对象菜单包括设置目标、清除目标、转化为区域和转化为折线功能。 使用“设置目标”为随后的编辑命令准备一个选中的对象，条件是地图窗口被 激活且当前地图窗口中的一个图层可编辑，并在该图层上至少有一个对象被选中。 使用“清除目标”可以把以前为编辑对象而设置的目标清除，条件是地图窗口 被激活且存在目标对象，但对该对象还没有进行“合并”、“擦除”等操作。 使用“转换为区域”命令可以将每个选中的对象转换为区域对象，条件是在激 活地图窗口的可编辑图层中有一个或多个对象被选中。当选择该命令时，每个选中 河北理工大学硕士学位论文 对象转换为一个区域对象，每个对象被转换为单独的区域。 使用“转换为折线”命令可以将每个选中的对象转换为折线对象，条件是在激 活地图窗口的可编辑图层中有一个或多个对象被选中。当选择该命令时，每个选中 对象转换为一条折线，每个对象被转换为单独的折线。 4 查询菜单包括S O L 选择、全选、全不选、查找、查找选中部分和计算统 计值命令。 “S Q L 选择”是一多用途查询工具。能执行下列任务 条件是至少有一个表被 打开 过滤数据以只查看感兴趣的行和列执行将两个或更多表合并为一个结果 表的相关连接；创建派生列；按数字或字母顺序对数据排序；对数据进行分类汇总 来只查看一系列小计而不是整个表。 使用“全选”可以从地图窗口最上面的可选择图层或浏览窗口的所有行中选择 所有对象，条件是浏览窗口被激活，地图窗口被激活且至少有一个图层被选中，布 局窗口被激活。 使用“全不选”可以将地图、布局窗口中当前被选中的对象或浏览窗口中被选 中的行置为不被选中状态。条件是浏览窗