基于多源遙感的礦區(qū)沉陷積水研究

雒瑞健

摘 要：本文以礦區(qū)沉陷積水為研究背景，基于多源遙感技術(shù)，通過LBV變換和LBV變換的最小二乘混合像元分解提取方法實現(xiàn)了對沉陷積水面積、深度的實時測量，具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)沉陷積水;多源遙感;LBV變換

傳統(tǒng)的井巷開采會造成地面沉陷，沉陷區(qū)域積水問題會導(dǎo)致礦區(qū)地表可耕種面積減少，對生態(tài)環(huán)境造成破壞的同時，影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。為此，諸多學(xué)者對礦區(qū)沉陷積水進(jìn)行了研究，基于多源遙感技術(shù)可以實現(xiàn)對積水區(qū)域的實時監(jiān)測，減少傳統(tǒng)人工測量過程中人力物力的投入，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)積水的實時變換情況。本文基于多遙感技術(shù)，不僅實現(xiàn)了對積水面積區(qū)域變換的測量，同時實現(xiàn)了不同時間積水深度的變換，為礦井治理沉陷積水提供了重要的參考。

1 遙感圖像預(yù)處理介紹

我國煤炭資源多采用井巷開采，傳統(tǒng)的井巷開采將帶來地面沉陷等災(zāi)害，地面沉陷是造成沉陷積水的主要原因。積水對礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活有重要影響，沉陷帶來的積水問題造成可耕地面積的持續(xù)減少，耕地面積的減少將持續(xù)影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步擾亂生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前多數(shù)礦井采用人工監(jiān)測的方法，投入大量的人力物力，并不能實現(xiàn)實時精確的測量，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，借助多源遙感技術(shù)對礦區(qū)沉陷積水進(jìn)行實時監(jiān)測減少了人力的投入，且實時監(jiān)測便于對長期積水過程動態(tài)監(jiān)測，減少地面起伏的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文中遙感成像技術(shù)依賴于Landsat衛(wèi)星實現(xiàn)，基于Landsat衛(wèi)星可以實現(xiàn)多光譜的分辨，分辨范圍達(dá)到30m。考慮到云量條件，需進(jìn)行輻射和地形矯正，通過矯正工作，可降低薄云因素的影響，間接提高了測量的精度。對于輻射矯正而言，主要目的是減少大氣層散射影響，通過輻射矯正，對于不同太陽照射角度下不同地形的地面起伏可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的電磁波測量，輻射矯正結(jié)束后，需及時進(jìn)行大氣矯正，大氣矯正的步驟如下：首先建立輻射文件夾，根據(jù)反射路徑的不同，將大氣矯正的文件存放到對應(yīng)的文件路徑中，基于自動獲取的中心維度，選擇對應(yīng)的傳感器類別，如果傳感器自動獲取過程失敗，則根據(jù)時間，在遙感原始數(shù)據(jù)文件夾中獲取大氣模型參數(shù)，根據(jù)大氣模型確定傳感器類別。

輻射和地形矯正只是減少元信息造成的誤差，對于圖像成形的幾何變形，需要單獨進(jìn)行幾何矯正。幾何校正的原理是根據(jù)圖像在坐標(biāo)系中的位置，經(jīng)過矢量化處理，獲得矢量處理后的文件，隨后在矢量文件中進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了幾何矯正。

在實際監(jiān)測過程中，使用單一傳感器數(shù)據(jù)容易造成分辨率低下、成本高的現(xiàn)象，因此需要多源遙感進(jìn)行不同遙感數(shù)據(jù)的測量，通過將不同遙感數(shù)據(jù)整合得到增強后的圖像融合效果。本文中采用Gram-Schmidt Pan融合方法，該融合方法對于地貌變形較大的區(qū)域可以實現(xiàn)多光譜和高光譜的融合，即使信息采集色調(diào)變換較大，通過PCA信息采集可以減少波段限制，保持圖像空間紋理的清晰性，實現(xiàn)高保真特征。

圖像融合后需要進(jìn)行多波段合成操作，多波段合成是將分辨率相同、行列數(shù)相同的波段進(jìn)行融合形成新的圖像，多波段合成的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)下多波段的合成，也可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)下不同波段間的合成。以礦區(qū)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行圖像變換和波段合成，得到圖1所示的結(jié)果。從圖像變換采用的是LBV變換方法，將圖像分別進(jìn)行L變換圖像，B變換圖像，V變換圖像，將三個變換后的圖像經(jīng)過波段融合得到最后的波段合成圖。

2 基于LBV變換的最小二乘混合像元分解提取方法研究

本文中多源遙感技術(shù)主要用于礦區(qū)沉陷動態(tài)水的監(jiān)測，而遙感技術(shù)獲得的圖像是混合像元，為了得到礦區(qū)沉陷水的動態(tài)變換情況，需要對混合像元進(jìn)行分類。

圖1為混合像元分解流程圖，從圖中可以看出，進(jìn)行分解前需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像的預(yù)處理工作已在上文闡述，預(yù)處理完成后，獲取端元波普，根據(jù)端元波普的獲取進(jìn)行分解模型的選擇，分解模型多種多樣，本文中基于最小二乘混合像元分解，因此選擇線性模型。

分解流程的關(guān)鍵在于端元的獲取，端元的準(zhǔn)確獲得可以實現(xiàn)對水體、植被的準(zhǔn)確獲得，便于實現(xiàn)對沉陷積水的監(jiān)測?；贚BV的圖像預(yù)處理可以充分顯示礦區(qū)地表特征，地表事物的總輻射水平、紅外光輻射水平及地表事物波段變換方向速度等信息都可以顯示地物特征，水體、植被等特征都通過圖像預(yù)處理顯示。

圖像中地物基本類型特征顯示都是基于端元實現(xiàn)，而不同地物類型的面積則是通過豐度實現(xiàn)。端元的選擇直接影響到像元最終的分解結(jié)果，本文端元的選擇原則如下：端元數(shù)目最大與波段數(shù)相同，且保持相對的獨立性;確保端元與波段數(shù)不相關(guān)。本文端元的選取是基于LBV變換，基于LBV的圖像預(yù)處理有利于提取各地物的像元?；贚BV變換中的B變換，可以實現(xiàn)對水分狀況提取，提取方法如下：將黑白圖片進(jìn)行灰度值分割，選取B值范圍在-7586.0633-2140.6594，隨后用指定的顏色標(biāo)出水體部分，便得到水體區(qū)域面積。

對礦區(qū)沉陷積水的監(jiān)測不僅僅是要實現(xiàn)對水體面積的獲得，還要進(jìn)行水體深度的測量?；诙嘣催b感軟件中的反演水深，通過大氣校正、水陸分離等操作獲得水體深度參數(shù)。水深遙感的原理如下：太陽照射到礦區(qū)沉陷水域后，部分太陽光在反射作用下進(jìn)入空氣中，部分太陽光會折射入水中，在水體的散射作用下，部分太陽光會進(jìn)入水體底部，經(jīng)過水體底部的太陽光在二次反射作用下會被傳感器獲得。傳感器獲得的信息當(dāng)中包含大氣信息、水體反射信息等，通過大氣校正消除大氣信息干擾，利用水體反射信息獲得水體實際深度值。沉陷積水實際深度獲取步驟如下：調(diào)取對應(yīng)日期的遙感影像，進(jìn)行大氣校正、水陸分離操作，基于底部反照率算法，選擇DN值在0-1之間的相對水深值，然后建立圖上像元與實際點水深的比值式，根據(jù)比值式獲得實際點水深值。

基于LBV圖像預(yù)處理和水深遙感技術(shù)支持，對礦區(qū)沉陷區(qū)域內(nèi)水體變換進(jìn)行記錄，得到圖2所示的不同時期礦區(qū)沉陷積水觀測結(jié)果，從圖中可以看出，1月份沉陷區(qū)域的水體平均深度為0.8m;4月份沉陷區(qū)域的水體深度值與1月份相似，同樣我0.8m;7月份沉陷區(qū)域的水體最深已經(jīng)達(dá)到1.1m;10月份沉陷區(qū)域的水體最深已經(jīng)達(dá)到2m，且水體面積不斷增大，分析其原因，主要是因為季節(jié)性降水及冬季降雪等因素造成水體面積及深度的變換。

從觀測結(jié)果來看，基于多遙感的礦區(qū)沉陷積水可以減少人工的投入，實現(xiàn)了對礦區(qū)沉陷積水的實時監(jiān)測，節(jié)約成本的同時，具有良好的現(xiàn)實意義。

3 結(jié)論

以礦區(qū)沉陷積水為研究背景，在LBV變換和LBV變換的最小二乘混合像元分解提取方法基礎(chǔ)上，對礦區(qū)沉陷積水面積變換和深度變換進(jìn)行了研究，通過近一年的觀測結(jié)果，準(zhǔn)確判斷了積水的變換情況，間接反映了沉陷區(qū)域土壤覆蓋情況，為礦井對沉陷區(qū)域的管理提供了重要參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢麗萍.遙感技術(shù)在礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].安全與環(huán)境工程，2008，15（4）：5-9.