矿区典型地表环境要素变化的遥感监测方法研究

矿区典型地表环境要素变化的遥感监测方法研究矿业为国民经济建设提供基本资源与能源,是国家和社会发展的重要基础行业。与此同时,矿业开发会引起矿区地表损毁、植被退化、水资源破坏、废物污染等系列环境问题。因此,亟需进行地理矿情监测,为区域环境治理与可持续发展提供决策支持,为建设美丽中国和美丽矿区做出应有贡献。然而,传统的监测方法费时、费力、精度低,很难满足矿区地表环境动态监测需求。

遥感技术具有周期短、范围广、精度高等特点,成为领域首选。但是,矿区地表植被、水以及废物等环境要素的空间分布与动态变化受采矿影响频繁而剧烈,一般的遥感方法在时间尺度、空间尺度和光谱尺度等方面存在诸多问题,很难直接应用。针对上述问题,本论文以中国西北半干旱地区神东矿区为例,开展了基于时间序列遥感数据的矿区植被变化监测、基于低分遥感数据的矿区地表水面积局部自适应解混、基于热惯量法的矿区表层土壤含水量反演和基于光谱特征的矿区废物堆场遥感提取等相关方法研究。(1)基于时间序列数据的矿区植被变化遥感监测方法研究将MODIS NDVI时间序列数据引入矿区植被变化监测中,提出了依据矿区环境条件差异设计NDVI数据合成的方法,利用回归分析实现了矿区植被变化的遥感长期监测与评估,更加准确地反映了地表植被覆盖的变化过程。

神东矿区应用结果显示,矿区地表植被近十年整体改善、局部退化；驱动力分析表明,生态环境治理措施是矿区植被整体改善的主要原因,但采矿引起的地下水破坏、土地破坏等因素导致了局部植被退化,值得警惕。(2)基于局部自适应解混的矿区地表水面积提取方法及变化监测提出了低分数据空间局部自适应的水陆混合像元分解方法,即在提取水陆混合像元的基础上,利用局部自适应端元选择方法确定端元值,最后实现水陆组分解混。与直接阈值法相比,精度提高80%以上。基于MODIS 250 m数据,应用该方法提取了紧邻神东矿区的红碱淖水域面积,获得了过去9年水域面积的变化特征：湖水面积逐年减小,呈现急剧萎缩态势,年均缩减面积高达0.85 km2,需要引起注意。

(3) 基于热惯量法的矿区表层土壤含水量反演及变化监测以中国西北干旱地区的神东矿区为试验区,利用MODIS数据和热惯量法,建立了矿区地表土壤湿度反演模型。首先同步选取若干地面点按深度分层进行现场实测,与遥感结果进行了比对拟合,发现在植被稀疏的区域二者相关性较好,其中遥感结果与10cm土

壤湿度相关性最好,据此建立模型。对9年低盖度区域的土壤湿度变化情况进行监测发现,与背景区相比,矿区表层土壤并未发生干化。初步分析认为与矿井水循环利用和矿区环境治理有关。

(4)基于光谱特征的矿区煤堆遥感识别方法及变化监测①实测并研究了煤的反射光谱,发现煤的反射率较低,在0.35-2.5μm探测范围内最高反射率不超过30%；褐煤与烟煤在0.35-0.9μm处反射率相当,在1.0-2.5μm处褐煤反射率远高于烟煤,据此提出了利用反射光谱曲线特征区分褐煤与烟煤的指标。②基于TM 遥感数据与煤的光谱特征,构建了归一化差异煤指数(NDCI),结合TM5设定阈值,提出了褐煤与烟煤的遥感提取方法；该方法在霍林河、神东等矿区得到应用和验证,具有较好的适用性。监测表明,神东矿区地表煤堆面积10年间增加近4倍,达10.98 km2。由于露天煤堆煤尘污染极易扩散至其他区域,所以需要采取措施减小煤堆的环境负面效应。

神东矿区的实践表明,遥感技术与方法在地理矿情监测领域具有广阔的应用空间。针对一般遥感方法的不足,结合矿区特点研究相应的监测方法,可以促进数字矿山建设与发展,为矿区环境治理、调整矿业开发节奏、建设美丽矿区提供决策支持。