矿区环境高分辨率遥感监测及其信息资源开发利用的方法与应用研究

论文摘要

矿产资源是工业的“血液”和“粮食”,是国民经济与社会发展的重要物质基础。然而,由于长期大规模和超强度的矿产资源开发,加上历史生态欠账较多和对矿产资源需求日益增加都给当前矿区环境保护工作带来了前所未有的压力。环境监测是环境管理的耳目,是环境管理最基础、最基本的支撑力量。面对尖锐复杂的矿区环境问题,如果监测业务跟不上,就会使得保护和治理工作措手不及、应对无方、贻误战机。为了实现《先进的环境监测预警体系建设纲要（2010-2020年）》提出的“天地一体的环境监测系统,和谐统一的环境监测格局”的升级转型,这就对现有的矿区环境监测系统的信息获取、处理、集成和综合服务等提出了新的要求。进入21世纪以来,随着遥感技术的快速发展及其商业数据销售的一些限制相继解除,高分辨率遥感影像已成为矿区环境信息获取的重要载体。特别是2006年以来,高分辨率遥感调查与监测在全国主要成矿带及矿集区的工程化实施使得矿区环境监测数据得到了内容的极大丰富以及数据量的急剧累积,但是相应的监测分析和开发利用的研究力度却存在明显的滞后和不足。为此,本文从监测分析与信息资源开发利用两个层面展开一系列的研究工作。首先,针对现有监测分析研究主要局限于空间信息提取与统计分析的问题,围绕矿区环境问题产生源头的土地破坏以及非污染和污染问题分别展开监测分析方法研究。具体内容包括：①确定矿区土地破坏遥感分类体系,建立开采面、尾矿库、固体废弃物、工矿建筑、工矿道路5类土地破坏的解译标志系统,在3S技术支持下进行室内解译和野外验证,构建传统二维图件所难以表述的遥感三维数据模型、坡度三维数据模型、汇水三维数据模型,在多源数据支持下以土地破坏生态补偿评估为应用指向研究属性信息配赋的内容和方法,引入土地利用变化测度模型建立以三维量算面积为参数的土地破坏动态变化分析模型。②设计针对矿区复合生态系统的景观分类系统,采用高分辨率遥感数据和决策树分类方法获取景观分类影像,利用Fragstats景观指数计算软件自动提取研究9个生态子区的LPI、LSI、MPS、PSSD、FD、CONTAG、AWMPFD、SHDI等8个景观指标,选择主成分多元统计分析模型实现矿区景观生态质量综合量化评价与主导因子分析,进行分区评价结果的差异性比较与实证研究。③以大气环境、水污染、土壤污染以及生物污染地面监测数据为集成与分析内容,研究三维遥感数据模型与地面调查及监测数据可视化集成及其统计分析、综合预警的技术方法。其次,针对监测信息应用指向主要局限于矿业秩序监督、矿产资源规划管理及其地质减灾防灾等矿政管理领域,以提供数据与功能服务给矿区和社会研究群体为需求导向,通过监测分析系统与服务平台构建和展开矿区环境监测信息资源的开发利用应用研究。具体内容包括：①借助VRMap SDK开发矿区土地破坏测度及非污染模型分析三维可视化系统,开发实现地面污染监测数据与遥感监测数据集成的后台管理以及数据查询、统计分析、综合预警计算的通用化前端分析3D GIS工具。顾及矿区居民的主要环境利益诉求,搭建面向社区服务的触摸式矿区环境污染信息平台。②采用Oracle llg作为存储和管理技术平台,以MapBuilder llg作为空间数据的接收转化工具研究多源异构监测空间数据库构建与可用性校验方法,设计分类编码体系和元数据描述方法,借助Oracle Map llg实现集后台管理和前端服务为一体的矿区环境监测数据Web共享可视化集成系统。最后,总结了本文的研究成果,并展望本文后续研究工作,主要集中在：①在矿区土地破坏监测数据的基础上进一步叠加非污染、污染的监测成果并进行统计分析与空间分析,为达成环境问题致因分析的清晰化以及源头控制有效实施的应用目标提供更加深层次的决策信息。进一步区分研究区域矿产资源开发和矿业旅游开发对土地利用变化及其环境影响分析。②进一步分析多时相景观生态质量变化以及各景观指数变化对矿区环境所造成的影响。③在污染监测管理与分析3D GIS工具中集成无线传输的污染自动监测及野外调查数据PAD采集数据,提升自动测报能力。④集成在线监测分析模型库并且提供监测数据在线模型处理服务,提升监测数据的在线处理以及多学科协同e-Science研究能力,构建矿区环境遥感监测虚拟研究中心。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 我国矿区环境面临的压力
• 1.1.2 矿区生态破坏与环境污染现状分析
• 1.1.3 矿区环境监测系统升级转型的需求与对策
• 1.2 矿区环境遥感监测国内外研究综述
• 1.2.1 矿区环境高分辨率遥感监测研究现状与趋势
• 1.2.2 高光谱遥感在矿区环境监测中的应用研究进展
• 1.2.3 微波遥感在矿区环境监测中的应用研究进展
• 1.2.4 存在问题分析
• 1.3 研究内容
• 第2章 基于多源空间数据的矿区土地破坏遥感监测分析
• 2.1 研究概况
• 2.2 基于多源空间数据的矿区土地破坏遥感监测信息提取
• 2.2.1 矿区土地破坏遥感解译
• 2.2.2 野外验证与精度评价
• 2.3 矿区土地破坏遥感监测分析
• 2.3.1 矿区土地破坏三维数据建模
• 2.3.2 矿区土地破坏属性数据配赋
• 2.3.3 矿区土地破坏动态变化模型分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于景观生态学和PCA模型的矿区非污染环境监测分析
• 3.1 研究概况
• 3.2 基于决策树自动分类器的矿区景观分类遥感制图
• 3.2.1 矿区景观生态分类系统的建立
• 3.2.2 基于决策树分类器的景观生态遥感分类制图
• 3.2.3 景观分类精度评价
• 3.3 基于Fragstats的矿区景观指数提取
• 3.3.1 Fragstats3.3软件及其运行配置
• 3.3.2 矿区景观评价指数的选择
• 3.3.3 基于Fragstats的矿区景观指数提取
• 3.4 基于PCA模型的景观生态质量评价
• 3.4.1 矿区景观质量评价模型的选择
• 3.4.2 矿区景观评价PCA模型构建及算法实现
• 3.4.3 评价结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于三维GIS的矿区环境污染监测分析及其社区信息服务
• 4.1 研究概况
• 4.2 多源矿区环境监测数据的三维集成
• 4.2.1 三维数据模型的显示与视图操作
• 4.2.2 地面站点观测数据的三维集成
• 4.3 矿区环境污染监测分析通用工具开发与社区服务平台构建
• 4.3.1 矿区环境污染监测分析通用工具开发
• 4.3.2 面向社区的矿区环境污染监测分析信息服务平台搭建
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于ORDB的矿区环境监测数据集成化管理与Web共享
• 5.1 研究概况
• 5.2 基于ORDB的矢量空间数据库的构建
• 5.2.1 基于Map Builder的Oracle矢量空问数据接收转化
• 5.2.2 矢量空间数据库构建及其可用性校验
• 5.3 基于ORDB的栅格空间数据库的构建
• 5.3.1 基于Map Builder的Oracle栅格空间数据接收转化
• 5.3.2 栅格空间数据库构建及其可用性校验
• 5.4 基于Oracle Map的矿区环境监测数据的Web可视化集成系统
• 5.4.1 矿区环境监测数据库分类编码及其Web可视化
• 5.4.2 矿区环境监测数据库元数据描述及其Web集成
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 主要特色和创新点
• 6.3 后续研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要学术成果