一种矿区土地资源变化协同分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及±地资源管理与规划领域，尤其是设及一种矿区±地资源变化协同分 析方法。
【背景技术】
[0002] 我国在地质勘探信息化、矿山信息化、±地管理信息化方面，进行了大量的研究和 实践，但目前的研究还主要是着眼于矿山±地与地下资源的独立管理，分别建立相应的信 息管理系统。±地资源与矿产资源属同位异类资源，其重叠赋存的特性，决定了矿产开发开 采常设及大面积的±地扰动，而±地资源合理开发利用与保护的要求往往又限制着矿产资 源开发开采方式与规模。多年来，由于缺少科学有效的管理和调控手段，矿产资源开发与 ±地保护利用一直存在着尖锐的"矿地矛盾":矿产资源开发对±地、环境、建筑造成严重破 坏，严重制约地面±地利用，导致矿区±地资源利用效率降低，大量破环、闲置；同时±地利 用有可能压覆大量矿产资源，资源开发损失严重。随着现代遥感技术的迅猛发展，人们可W 及时、便捷地获取大量地理空间信息数据，通过遥感数据的解译、地理信息数据W及相关矿 政与地政数据的综合分析，为煤矿资源开采的动态监管及矿区±地资源合理规划利用提供 客观数据分析依据。
[0003] 运用遥感图像的光谱特征对地物现状进行识别是一种普遍和有效的方法，国内外 学者在森林资源、湿地、城镇、大棚、作物等领域进行了大量工作，并利用遥感与GIS技术对 煤矿区±地利用/覆盖变化进行了研究。基于地物影像特征的影像自动分类，依据影像特 征建立各个地物的分类模板，用神经网络、支持向量机、最大似然等方法自动分类，运些方 法对算法的要求比较高，特别是对高空间分辨率卫星影像和航空像片要综合多尺度、多层 次的信息。将遥感技术应用于煤矿区环境±地利用/覆盖调查与灾害预防是遥感技术在交 叉学科应用的典型，也是当前国内外研究的热点论题。目前国内外研究主要基于单一多光 谱数据，在多波段数据信息基础上，利用最大似然、决策树、支持向量机等传统分类算法提 取煤矿区各地物类别信息后进行遥感定量分析。虽然遥感应用于煤矿区环境空间格局分类 取得了一些成果，但相对我国煤炭开采大国的背景，遥感技术在煤矿区的应用明显滞后，远 不能满足环境保护、防灾减灾和安全生产的重大需求，仍有许多问题需要解决：
[0004] 1)国内外研究多单独采用多光谱或者微波遥感影像进行煤矿区±地资源变化研 究。单一数据源提供的信息导致最终结果不能全面、准确地反映煤矿区±地资源变化情 况； 阳〇化]2)在煤矿区微波遥感研究中，目前在地表形变信息领域广泛应用的InSAR技术由 于空间基线或时间基线过长导致的相干性降低，W及空气湿度变化引起的大气相位延迟等 问题严重降低了DInSAR技术提取地表形变的精度，限制了该技术对地表微小形变的监测 能力。
[0006] 3)在煤矿区多光谱遥感研究中，由于煤矿区本身具有地物类型多样性的特点，± 地资源波谱特征极易混淆。故通过简单的波段选取构造的特征空间很难为后续煤矿区地物 分类提供高精度的决策面。而传统分类算法具有原理简单、操作性强、普适性高等特点，但 由于煤矿区具有地物类型多样性、分布广泛性和变化快速性等特点及受空间、时域、环境科 学专业知识的限制，往往不能达到信息的高精度提取。故在针对煤矿区具体各±地资源分 类时，需要结合实际情况及环境等领域专业知识进行算法改进，W提高算法的精度与自动 化程度；
[0007] 4)在基于遥感信息的煤矿区国±资源管理方面，缺少系统化的模型和科学的分析 方法对煤矿区各类±地资源变化间的相互影响，煤矿开采与经济、环境因素间的关系进行 全面的、深层次的协同分析。因此很难将煤矿区±地资源变化检测结果与煤矿区的±地利 用管理科学结合，并转化为有效的决策支持。
[0008] 针对目前煤矿区±地资源遥感监测的现状，本发明在前人研究基础上，将从W下 四个方面进行改进：1)将多光谱数据提供的光谱、空间信息与微波遥感数据提供的高程信 息相结合，综合利用多源遥感数据对煤矿区±地资源变化进行监测；2)如何利用有效的微 波遥感技术对地表形变进行监测；3)在光谱信息基础上构建能有效描述煤矿区特征的多 特征空间W提高信息提取精度。并在此基础上结合环境科学等领域的相关知识，建立高精 度、高自动化程度的煤矿区变化检测分析模型；4)科学全面地分析煤矿区±地资源变化间 的相互影响及与其他环境、经济因素的相互关系。
[0009] 因此，本发明W煤矿区±地利用和煤炭资源开发相协调为目标进行研究与创新， 具体研究内容如下：1)综合利用多时相、多分辨率、多数据源遥感影像，结合地面矿政与地 政资料，在卫星遥感影像W及InSAR技术的研究基础上对矿区地表变化信息提取理论和方 法进行研究；2)结合PS-InSAR技术和小基线集（SBA巧技术利用时序SAR影像集监测地 表沉降。结合多时相、多源合成孔径雷达数据，根据数据拥有现状，研究地面沉降的时空变 化信息并建立地面沉降模型；3)在光谱分析基础上，结合煤矿区具体情况提出工矿用地指 数，在优化特征空间的基础上，利用基于小波核函数的加票法支持向量机模型对煤矿区± 地资源空间分布信息进行提取和识别，提高识别精度；4)辅W矿区W及周边地区的相关资 料、地面实测、井下开采等基础资料，通过自助开发的遥感图像解译模型进行±地利用分类 与变化检测分析，获得了该区域多年的耕地损害范围及空间演变规律。最终掲示耕地损害 与煤炭地下开采的协同关系，为国±资源部口客观掌握实际的矿区资源开发利用的历史与 现状、规范并整顿矿产与±地资源的有效监管与协同开发、为矿区环境的规划执行情况等 多目标遥感调查与监测提供技术支持与决策依据。从而有效保护矿产资源，集约利用±地 资源，实现煤矿区经济、社会、生态的和谐发展。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种矿区±地资源 变化协同分析方法。
[0011] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0012] 一种矿区±地资源变化协同分析方法，用于矿区±地资源的监管规划，包括W下 步骤：
[0013] 1)采用矿区监测的历史遥感影像、雷达数据W及地面矿政与地政资料，获取多年 的矿区±地利用和覆盖变化的时空变化数据；
[0014] 2)根据时空变化数据结合当前矿区±地资源分布信息，提取矿区±地地面沉降的 时空变化信息并建立地面沉降3D模型；
[0015] 3)根据地面沉降3D模型提取矿区±地多年的耕地损害范围及空间演变规律；
[0016] 4)根据演变规律获取矿区±地资源变化协同关系，得到开采造成的最主要的环境 影响与导致的直接结果。
[0017] 所述的步骤2)包括W下步骤：
[0018] 21)对多年的矿区±地利用和覆盖变化的时空变化数据进行预处理，包括几何纠 正、多源数据融合和研究区分割，并对矿区±地的地物进行分类，获取矿区±地的地物影像 特征；
[0019] 22)根据矿区±地的地物影像特征，获取矿区±地利用分类的屯维特征空间；
[0020] 23)根据Morlet小波核函数的加票法W及屯维特征空间建立支持向量机分类算 法，构建地面沉降动态3D模型。 阳02U 所述的步骤12)中的屯维特征空间包括图像波段比值TM5/TM1和TM5/TM7、植被指 数NDVI、工矿用地指数GKIW及主成分分析K-L变换后的前Ξ个分量PCA1、PCA2和PCA3。
[0022] 所述的步骤3)包括W下步骤：
[0023] 31)在地面沉降3D模型中通过综合相关系数法选取多幅主影像；
[0024] 32)对主影像进行配准、重采样、裁剪和选取PS点后，生成差分干设图；
[00巧]33)根据差分干设图进行基于PS点迭代回归分析，获取耕地损害范围及空间演变 规律。
[00%] 所述的步骤4)中矿区±地资源变化协同关系包括±地资源与塌陷积水区变化关 系和矿产资源开采与耕地利用的协同关系。
[0027] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0028] (1)参考《上地利用现状分类》国家标准，提出了一种适用于煤矿区的上地分类系 统。针对矿区特点，在详细研究工矿仓储用地和居民地的光谱特性基础上，创新性地构建了 工矿用地指数，从而更好地区分了工矿仓储用地和居民地。在SVM分类模型的基础上构建 了一种基于小波核函数的加票法SVM分类模型，该分类模型充分利用小波对信号细节的良 好表现能力，在基于小波核函数SVM分类法的基础上利用加票法则进行了二次分类，发现 二次分类使正确率得到了进一步的提高。从理论、方法上提高了煤矿区上地资源利用分类 的可靠性。
[0029] (2)利用卫星合成孔径雷达数据，针对矿区植被较丰富，相干点稀疏的情况，提出 采用多视降噪的方法，明显提高了相干点个数，实现对矿区地面沉降信息的提取。此外，采 用弹性半无限空间位错模型表示矿区地下开挖引起的地面变形，与观测数据吻合较好。
[0030] 做在对系统动力学（SystemDynamics,SD)模型研究的基础上，结合GIS技术、 Vensim仿真模型软件，基于协同关系分析理论构建了矿区开采与耕地面积两变量之间的相 互影响关系，掲示矿产资源采动与耕地资源变化间的相互关系。绘制矿产资源开采与±地 利用变化的关系系统禪合图，并进行矿产资源开采所造成耕地资源破坏的系统动力学仿真 模拟，建立矿区开采与耕地利
【附图说明】
[0031] 图1为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 阳〇3引实施例：
[0034] 如图1所示，图为本发明的方法流程图。
[0035] 本发明首先从大尺度上选用徐州沛县矿区作为研究区域，采用1987年、1994年、 1999年、2004年、2009年TM/ETM+和2013年0LI影像，在优化的多特征空间基础上，运用基 于小波的加票法支持向量机分类模型得到±地利用分类，
[0036]为了更好地分析煤矿开采对±地利用的影响，本发明选择包含沛县所有8处煤矿 的区域作为沛县煤矿区，并对沛县煤矿区和沛县全境的±地利用变化进行比较。
[0037] 根据沛县煤矿区和沛县全境±地利用分类结果，分别计算出1987年、1994年、 1999年、2004年、2009年和2013年沛县煤矿区和沛县全境各种地类的面积和比例。
[0038] 通过W上统计分析，可W得出沛县煤矿区±地资源变化情况如下：
[0039]从±地使用情况角度分析：
[0040] 耕地：耕地在所有±地类型中占的比例最大，在沛县煤矿区中占58%左右，运在 一定程度上说明，煤矿开采及其配套设施的建设占用了大量的耕地。
[0041] 林地：林地在沛县全境中的比例为8%左右，而在煤矿区仅