论文部分内容阅读
煤矿区地表沉陷信息的快速获取对于矿区的综合整治和生态修复具有重要意义。高潜水位矿区作为我国典型的矿区,井工开采是其主要的采煤方式,因此煤炭开采极易造成的大面积的沉陷积水区域和沉陷非积水区域。如何获取矿区完整的沉陷信息一直以来是一个热点问题,矿区沉陷信息的完整获取有利于当地开展有效的修复工作。而之前的矿区沉陷研究工作主要以单一的地表沉陷情况为主,且大多数研究区为非高潜水位矿区,仅获取矿区的地表形变起伏变化;随着高潜水位矿区的积水范围越来越大,越来越多的研究针对其积水动态变化进行监测,而非积水区域的地表形变缺乏相关研究。本研究以山东省济宁市鲍店煤矿为研究区,基于多源多时相数据,并结合矿区沉陷积水区和非积水区信息获取方法,综合提取矿区沉陷信息。本研究采用Landsat系列数据来获取矿区沉陷水体信息。在改进归一化水体指数MNDWI(Modified Normalized Difference Water Index)的基础上,针对煤矿区其他地物易于和水体信息混淆的特点,增加短波红外波段,提出了增强型改进归一化水体指数E-MNDWI(Enhanced Modified Normalized Difference Water Index)。利用哨兵1号A星数据(Sentinel-1A)通过小基线集技术(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)提取出沉陷非积水区域。最终将两者结果相结合,获取整个矿区的沉陷范围并根据沉陷情况进行分级,旨在为矿区的生态保护和合理整治提供理论基础。研究结果如下:(1)高潜水位矿区沉陷水体受到矿区煤炭及其开采产生大量的粉煤灰和煤矸石的影响,经过多种指数和阈值范围变化的试验,在MNDWI的基础上增加短波红外,提出了E-MNDWI指数。结果发现,E-MNDWI能够更为清晰获取矿区沉陷水体信息,有效的消除了湿润土壤、煤炭及其开采废弃物和水体周边植被的影响,总体分类精度达90%以上,Kappa系数大于80%,分类结果更为准确。普适性研究表明E-MNDWI对于区分山区阴影、提取山区水体信息和提取平原水体信息同样具有较好的效果。(2)SBAS-InSAR技术利用哨兵数据获得矿区沉陷非积水区域的地表动态变化,监测地表形变精度可达毫米级,能够识别出肉眼不可识别的地表形变,为后期矿区地表形变进行预测并为预防沉陷工作提供帮助。同时SBAS-InSAR技术能够有效解决时空失相关和大气延迟影响的问题,在监测地表长期累积形变上展现出了极大的潜力。(3)利用多源多时相数据结合多种方法对高潜水位矿区地表形变进行监测,全面掌握矿区的沉陷情况。在监测期内,整个矿区的沉陷面积为10.1 km~2,占矿区面积的28.45%,其中常年沉陷积水面积为4.6 km~2,沉陷非积水面积为5.5 km~2。整个矿区西部以沉陷水体为主,东部和南部依旧处于沉陷状态,其中东部大马厂附近沉陷速率最快,可达41.69 mm/a。将水体提取结果和SBAS-InSAR获取的地表沉陷量利用克里金法进行插值,获取整个矿区的沉陷10 mm等值线。矿区东部等值线较为稀疏,表明沉陷梯度范围较大。等值线水体之间形成了很多沉陷漏斗,表明沉陷较为剧烈。(4)根据监测期内获取的沉陷量,综合考虑后按照年均沉陷量进行沉陷分级,划分为轻微沉陷(0-10 mm)、轻度沉陷(11 mm-20 mm)、中度沉陷(21 mm-30 mm)和重度沉陷(>31 mm和沉陷积水区)。结合矿区沉陷等级和实际情况提出相应的治理对策,主要包括生态修复、土地复垦、村庄搬迁和加强监测等。利用多源多时相遥感数据,结合多种方法快速获取矿区沉陷信息,可为煤矿城市生态修复和土地整治复垦提供理论依据,并为今后高效监测采煤沉陷区地表形变提供新思路。