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3S技术在河北省唐山市地面形变监测和城市扩展中的应用研究

刘瑞  
【摘要】: 地面形变是在自然因素和人为因素作用下形成的地表垂直向变形现象。在我国有许多城市和地区都发生了不同程度的地面形变现象。随着国民经济的进步,城市建设的进度飞速进展,地面形变的危害也日趋显著,它具有分布广、变化过程不易觉察等特点。在我国北方大多数城市以及沿海大多数城市和地区都有不同程度的地面形变问题,其直接影响着社会经济、区域环境的可持续发展,威胁着当地人民的生命财产安全。因此,及时准确地监测地面形变及其发展过程具有重要的意义。 本文基于雷达遥感和光学遥感技术,以河北省唐山市为研究区,研究了利用多传感器、多时相遥感数据对采煤塌陷区沉降信息提取的方法技术。在此过程中,充分利用研究区已有的资料和信息以及该领域的先验知识等参照信息,结合光学遥感与雷达遥感各自特性和优势,提取研究区较长时期内的地面形变信息,包括变化区域、变化速度、变化量等,并分析了地面形变灾害发生的原因及其对城市扩展的影响。初步形成了一套适合矿业城市地面形变遥感信息提取的有效方法组合和工作流程,达到了通过遥感技术对矿业城市的地面形变引起的灾害和城市扩展进行宏观、快速、准确监测的目的,从而为相关职能部门提供决策依据。 本文取得的主要创新点和研究成果如下: 1、将雷达遥感与光学遥感技术相结合来研究城市地面变形,有效地提高了城市地面形变的研究效果。利用雷达遥感技术提取高精度的地面沉降垂直信息,光学遥感技术结合积水现象间接提取沉降区域的空间展布,两者各取所长、相互补充、相互验证。此方法为研究矿业城市地面形变、矿区地面沉降预测和趋势分析,提供了一种科学、合理、有效的方法,并具有可行性和可操作性。 2、利用ASTER的多波段数据,详细分析了塌陷区域地物的光谱特征。针对煤炭和污水水体的异物同谱现象,提出了一种基于ASTER数据的归一化差异水体指数的算法,即NDWIASTER1、4=(ASTER1-w×ASTER4)/(ASTER1 + w×ASTER4)。该方法是在前人研究基础上完善和发展得到的,经过应用与验证,效果良好。此方法不仅解决了研究区域的地物分类问题,也为遥感技术应用到城市地面变化监测方面提供有力参考。 3、首次将研究数据和信息经过格式转换、投影变换整合到数字地球平台之上,利用数字地球平台的三维显示、图层交互操作等功能优势,将矿区分布、积水分布和沉降区域分布相结合进行分析和验证,提高了分析效率和准确性。 4、系统阐述了地面形变的三种类型、采煤引起的灾害程度最大的塌陷的原因、塌陷的三种模式、影响塌陷的原因。在此基础上分析了塌陷是如何引起积水,然后得出利用积水来监测采煤塌陷的可行性结论。 5、文章围绕遥感技术在采煤塌陷区地面沉降监测应用展开研究,详细分析和论述了雷达遥感、光学遥感相关核心技术和整个应用技术体系,并针对城市分布和采煤塌陷集中区的遥感信息提取技术做了深入讨论,对所提取信息的准确度和精确度做了系统分析和评价。 6、基于论文所研究技术,利用TM、ETM、ASTER多源、多时相遥感数据,结合开滦煤矿的矿区分布,有效提取了研究区的6个时相的积水信息。同时,采用GIS技术进行了数据叠置和统计分析,得到了开滦煤矿10个矿区的积水变化图,包括10个矿区的积水动态变化面积、区域、速度等。依据积水的变化信息,分析了开滦煤矿塌陷10个矿区的塌陷状况。 7、围绕城市扩展信息提取,论文采用多源、多时相的光学遥感数据,利用波段组合、图像增强、数据融合、地物分类等方法技术,提取了唐山市不同时期的轮廓图。在对唐山市的扩展面积、速率和方向进行全面分析的基础上,分析了采煤塌陷对唐山市城市扩展影响。发现唐山市东北的荆各庄也会在不久的将来阻挡唐山市往东北方向的发展,得出唐山市以后应该往西和西北两个方向发展的合理性结论。 8、基于雷达遥感干涉测量技术,充分利用和参考以上研究成果和区域相关信息,提取了研究区5个时间段历时10年来的沉降量变化信息。在有效验证和结果数据分析的基础上,讨论了沉降变化的影响因素。自1999年唐山市被列入国家级采煤塌陷区综合治理示范区以来,在唐山市区全面禁止地下煤炭开采。雷达监测结果数据表明沉降速度变缓、面积变小,这和相关部门得出的唐山市地面沉降得到了有效控制的结论一致。


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