第 1章 緒 論
　　1.1礦區(qū)“一張圖”工程建設(shè)背景
　　土地資源與礦產(chǎn)資源屬同位異類資源，其重疊賦存的特性，決定了礦產(chǎn)開發(fā)開采常涉及大面積的土地?cái)_動(dòng)，而土地資源合理開發(fā)利用與保護(hù)的要求往往又限制著礦產(chǎn)資源開發(fā)開采的方式與規(guī)模。多年來(lái)，由于缺少科學(xué)有效的管理和調(diào)控手段，礦產(chǎn)資源開發(fā)與土地保護(hù)利用一直存在著尖銳的“礦地矛盾”：礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)土地、環(huán)境和建筑造成嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重制約地面土地利用，導(dǎo)致礦區(qū)國(guó)土資源的利用效率降低；同時(shí)土地利用壓覆大量礦產(chǎn)資源，資源開發(fā)損失嚴(yán)重。圖 1-1為礦區(qū)地面地下對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。


　　圖 1-1礦區(qū)地面地下對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
　　對(duì)國(guó)土資源管理而言，國(guó)土資源部既要做好地質(zhì)勘探、礦權(quán)管理、儲(chǔ)量管理和地質(zhì)災(zāi)害管理等“礦政”管理，又要做好土地規(guī)劃、耕地保護(hù)、村鎮(zhèn)搬遷和集約利用等“地政”工作。開發(fā)礦區(qū)各類地質(zhì)、采礦、土地、資源和環(huán)境綜合信息平臺(tái)，將礦產(chǎn)資源與土地資源進(jìn)行“一張圖”管理，實(shí)時(shí)掌握礦區(qū)土地利用和礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況，對(duì)礦區(qū)每一塊土地的“批、供、用、補(bǔ)、查”和每一個(gè)礦業(yè)權(quán)的審批、勘查、開采等進(jìn)行實(shí)時(shí)全程監(jiān)管，整合地下、地表和地上等各類國(guó)土資源信息。實(shí)行“一張圖管地、管礦、管權(quán)”，是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)國(guó)土資源協(xié)調(diào)管理、保證煤礦區(qū)土地利用與煤炭資源開發(fā)相協(xié)調(diào)、資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的主要技術(shù)途徑。
　　國(guó)土資源部強(qiáng)力推進(jìn)的礦區(qū)國(guó)土資源“一張圖”工程建設(shè)，就是針
　　對(duì)礦區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程中，信息化技術(shù)對(duì)國(guó)土資源管理創(chuàng)新帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)而提出的。從礦區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)、土地保護(hù)與利用、礦區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等現(xiàn)實(shí)國(guó)土資源管理需要出發(fā)，進(jìn)行礦區(qū)國(guó)土資源管理“一張圖”關(guān)鍵技術(shù)研究，以“圖”管地、管礦、管權(quán)，以信息化建設(shè)成
　　果帶動(dòng)礦區(qū)國(guó)土資源管理方式的轉(zhuǎn)變，具有重要的實(shí)用價(jià)值。


　　1.2礦區(qū)“一張圖”建設(shè)的研究現(xiàn)狀
　　礦區(qū)“一張圖”建立的關(guān)鍵技術(shù)主要分為地面、地下信息獲取和綜合決策平臺(tái)構(gòu)建兩部分，涉及面寬，如地面、地下信息獲取有測(cè)繪與“3S”技術(shù)獲取、地球物理化學(xué)勘探獲取、野外地質(zhì)調(diào)查觀測(cè)獲取、室內(nèi)分析測(cè)試和圖形獲取等方式。本書按應(yīng)用主導(dǎo)、著眼前沿原則，圍繞礦區(qū)地表信息遙感獲取、礦區(qū)地表沉降信息 InSAR獲取、物聯(lián)網(wǎng)井下信息感知、礦區(qū)“一張圖”綜合監(jiān)管決策平臺(tái)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討。下面敘述相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　1.2.1礦區(qū)地表信息遙感獲取
　　1）礦區(qū)高分辨率遙感高空間分辨率遙感技術(shù)能精細(xì)地描述地面目標(biāo)的細(xì)部特征，細(xì)致反映相鄰地物的空間關(guān)系。國(guó)內(nèi) 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，將高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的報(bào)道很多。 2004年，吳虹等采用 QuickBird-2和 SPOT-1遙感數(shù)據(jù)，利用人工目視解譯方法，調(diào)查了廣西大廠錫多金屬礦田和高龍金屬礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞情況 [1]；2005年，李成尊等應(yīng)用 QuickBird遙感影像研究了晉城煤礦區(qū)不同類型地質(zhì)災(zāi)害的遙感影像特征，對(duì)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、成因、分布規(guī)律特點(diǎn)和調(diào)查精度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)[2]。2006年，王瑜玲等應(yīng)用 QuickBird遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)江西省贛州市北部地區(qū)稀土礦的開采狀況引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題進(jìn)行調(diào)查 [3]；同年，雷國(guó)靜等采用 QuickBird遙感影像對(duì)南方離子型稀土礦周圍植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行了調(diào)查[4]；楊圣軍等采用 QuickBird遙感影像，通過目視判讀與計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地面塌陷信息的快速提取[5]；2007年，于海洋等討論了高分辨率遙感影像波段間配準(zhǔn)誤差對(duì)線性斷裂、地面裂縫、滑坡體、地面塌陷等信息提取的影響 [6]。目前，礦區(qū)環(huán)境下基于高空間分辨率遙感影像的信息提取大部分采取人工干預(yù)的方法，智能化的信息提取方法有待進(jìn)一步發(fā)展完善。
　　2）礦區(qū)高光譜遙感
　　高光譜遙感技術(shù)（包括星載和機(jī)載）以其對(duì)地物的精細(xì)識(shí)別而具有廣泛的應(yīng)用能力，在礦區(qū)土地利用、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、固體和水體的污染調(diào)查和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[7]。20世紀(jì) 90年代以來(lái)，國(guó)外將高光譜遙感應(yīng)用于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究逐漸增多，美國(guó)、加拿大、澳大利亞和歐洲聯(lián)盟（歐盟）等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛將高光譜遙感技術(shù)和方法應(yīng)用于本國(guó)（地區(qū)）礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中 [8-10]。其中，美國(guó)和歐盟的試驗(yàn)和研究昀為系統(tǒng)和深入。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey， USGS）利用高光譜遙感技術(shù)，系統(tǒng)研究了若干典型煤礦區(qū)的污染水的主要成分，檢測(cè)受污染水域的空間分布范圍 [11]。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局利用星載高光譜影像和地面實(shí)驗(yàn)室波譜測(cè)量結(jié)果繪制出了科羅拉多州某鉛鋅礦區(qū)酸性廢物分布圖，并融合高光譜數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)對(duì)美國(guó)某地磷礦廢棄物的污染情況（主要是硒污染）進(jìn)行了評(píng)估。歐盟的 MINEO項(xiàng)目則聯(lián)合英國(guó)、德國(guó)、葡萄牙、奧地利、芬蘭 5個(gè)國(guó)家，在 6個(gè)礦區(qū)建立試點(diǎn)，應(yīng)用 HyMap機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)和星載 Hyperion數(shù)據(jù)，精確描繪采礦污染源及其擴(kuò)散分布情況，研究礦區(qū)環(huán)境下的植被脅迫效應(yīng)，并給出相應(yīng)的環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果[12]。
　　機(jī)載高光譜遙感兼具高空間分辨率的特征，近年得到迅速發(fā)展。 2005年，Minekawa等利用遙感車作為平臺(tái)獲取高空間分辨率高光譜數(shù)據(jù)，分析了鹽海地的波譜特征[13]；2005年，Goovaerts等采用基于機(jī)載 Probe-1傳感器獲取的 1m高光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合空間、光譜特征實(shí)現(xiàn)了礦山尾礦區(qū)的異常信息提取[14]；2008年，Vaughan等基于新型機(jī)載 HyperSpecTIR、 SEBASS成像光譜儀獲取的 2m空間分辨率的高光譜影像，繪制了美國(guó)內(nèi)華達(dá)州 Virginia城市礦區(qū)的風(fēng)化礦物專題圖 [15]。國(guó)內(nèi)高光譜數(shù)據(jù)在礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用起步較晚。2004年，周強(qiáng)等針對(duì)江西德興銅礦區(qū)，從 Hyperion數(shù)據(jù)中成功地提取了固體廢棄物、不同類型的污水和植被污染信息[16]；2005年，張杰林等利用高光譜遙感技術(shù)系統(tǒng)研究了煤礦區(qū)矸石山污染物的吸收光譜特征和受污染植被的光譜變異規(guī)律[17]；2006年，萬(wàn)余慶等利用 OMIS1數(shù)據(jù)系統(tǒng)全面地研究了礦區(qū)環(huán)境污染探測(cè)等相關(guān)問題，其中包括植被、土壤、水體和粉塵等內(nèi)容，并采用 OMIS1數(shù)據(jù)的熱紅外波段編制了寧夏汝箕溝煤田火區(qū)等值線圖[18]；2007年，鄭禮全等利用 ASTER數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)德興銅礦礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，提取礦區(qū)的黏土污染、水體污染和植被污染信息[19]；同年，程博等針對(duì)德興銅礦區(qū)利用野外光譜測(cè)試儀分析了污染水體的波譜曲線特征[20]。以上工作為國(guó)內(nèi)開展礦區(qū)高光譜遙感研究奠定了基礎(chǔ)。
　　3）礦區(qū)雙高遙感
　　從不同遙感平臺(tái)獲得的不同光譜分辨率、不同空間分辨率以及不同時(shí)間分辨率的遙感影像，形成多級(jí)分辨率影像序列的金字塔，為礦山環(huán)境信息提取與防災(zāi)減災(zāi)提供了豐富的數(shù)據(jù)源[21-22]。美國(guó)早在 1969年就組織了由土地保護(hù)部礦山處執(zhí)行的包括礦山環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目，取得了明顯的效果。不僅如此，他們還利用遙感技術(shù)對(duì)煤礦開采產(chǎn)生的煤矸石山進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以防止煤矸石堆發(fā)生爆炸；同時(shí)，對(duì)煤礦區(qū)土地復(fù)墾效果進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為土地復(fù)墾管理提供了客觀的資料，提高了資源環(huán)境管理部門的執(zhí)法力度。在歐洲，歐洲共同體（歐共體）正實(shí)施 MINEO工程，以法國(guó)地質(zhì)調(diào)查局為代表的多個(gè)歐洲公司和研究單位已經(jīng)著手利用昀先進(jìn)的地球觀測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)開礦活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響。 2001年，Prakash等采用 Landsat TM數(shù)據(jù)、SAR影像、地形圖、DEM和 GPS數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)煤礦區(qū)的塌陷和煤火進(jìn)行監(jiān)測(cè) [23]；華沙西南的Belchatow褐煤露天開采礦區(qū)是波蘭中部地區(qū)重要的能源產(chǎn)地， 2005年，Mularz利用 Landsat TM和 SPOT衛(wèi)星遙感圖像以及航空遙感相片對(duì)該地的環(huán)境狀況、多年來(lái)土地利用 /土地覆蓋變化情況以及植被覆蓋變化情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，指出 SPOT全色圖像和 Landsat TM圖像的融合是昀經(jīng)濟(jì)有效的監(jiān)測(cè)露天礦區(qū)以及周邊環(huán)境的數(shù)據(jù) [24]。此外， Ferretti等利用成像光譜技術(shù)對(duì)西班牙的昀大的銅礦區(qū) Rodaquilar進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，分析了由于銅礦的過度開采造成地面沉降及嚴(yán)重影響其他資源和設(shè)施的原因和發(fā)展趨勢(shì)[25-26]。德國(guó) Ruhrgebirt地區(qū)的主要采煤公司使用干涉雷達(dá)遙感技術(shù)和 GPS對(duì)其煤礦開采的周圍環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)估，有效監(jiān)測(cè)了該地區(qū)的地面環(huán)境變化的位置和速率[27-28]。2007年，Winter等提出了 CRISP方法，可有效融合高空間分辨率多光譜數(shù)據(jù)（IKONOOS）與較低空間分辨率高光譜數(shù)據(jù) Hyperion，該方法已經(jīng)發(fā)展成為商用的高光譜分析工具[29]；2008年，Sanjeevi采用 ASTER遙感影像，結(jié)合 SRTM-DEM以及野外測(cè)量數(shù)據(jù)，針對(duì)印度某礦區(qū)開展了混合光譜分解方面的研究[30]。
　　1998～2004年，國(guó)內(nèi)學(xué)者郭達(dá)志、盛業(yè)華、杜培軍等利用將遙感和其他技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)晉城、銅川、開灤、徐州等礦區(qū)的大氣、塌陷情況進(jìn)行了調(diào)查分析[31-33]；2002年，雷利卿等應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)山東肥城礦區(qū)的污染植被和水體信息進(jìn)行了遙感信息提取，探討了適合礦區(qū)環(huán)境研究的遙感圖像處理方法[34]；2004年，甘甫平等開展的江西德興銅礦礦山尾礦、固體廢料環(huán)境污染遙感調(diào)查技術(shù)研究，首次利用 ASTER和 Hyperion數(shù)據(jù)，基于野外實(shí)測(cè)地物的光譜曲線特征分析結(jié)果，通過各種圖像處理方法提取礦山環(huán)境污染信息，進(jìn)行了礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè) [35]；同年，陳華麗等利用 TM數(shù)據(jù)對(duì)湖北大治礦區(qū)進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè) [36]；楊忠義等對(duì)平朔安家?guī)X礦生態(tài)破壞階段的土地利用 /覆被變化進(jìn)行了研究 [37]；陳旭利用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星提供的 TM遙感信息，采用計(jì)算機(jī)分類、人機(jī)交互式分類和影像目視解譯 3種方法，解譯分析了鞍山市礦產(chǎn)開發(fā)對(duì)土地、植被等生態(tài)環(huán)境的影響 [38]；2006年，李振存等依據(jù)水土流失特征和影像解譯結(jié)果，提出了水土保持防治措施體系 [39]；2007年，馬保東等基于Landsat TM/ETM+遙感影像對(duì)兗州礦區(qū)地表覆蓋變化進(jìn)行了遙感分析，提出以 TM5波段和 DN值 40為閾值自動(dòng)區(qū)分礦區(qū)水體和煤堆固廢占地的方法[40]；卓義等針對(duì)內(nèi)蒙古伊敏露天礦區(qū)，采用 5個(gè)時(shí)相 Landsat-TM遙感影像，分析了煤礦生產(chǎn)對(duì)礦區(qū)及其周邊草原生態(tài)環(huán)境的影響[41]；漆小英等以攀枝花釩鈦磁鐵礦區(qū)為例，采用土壤調(diào)節(jié)大氣耐抗植被指數(shù)差值模型提取礦區(qū)擴(kuò)展變化[42]；2008年，許長(zhǎng)輝等開展了基于加權(quán)融合算法、光譜分解-銳化方法、高光譜數(shù)據(jù)降維后融合、雙高數(shù)據(jù)與 SAR/ InSAR數(shù)據(jù)融合等[43]提取煤礦塌陷地。
　　總之，雙高遙感應(yīng)用是一個(gè)新的遙感應(yīng)用方向，包括兩類：一類為具有高空間分辨率的高光譜遙感應(yīng)用，另一類為高空間分辨率遙感與高光譜遙感數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)。前者仍在發(fā)展中，國(guó)際上尚未形成可民用的遙感平臺(tái)；后者方興未艾，充分利用高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)和高光譜遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，精確獲取地物的光譜特征和空間分布特征，在礦區(qū)復(fù)雜開采擾動(dòng)環(huán)境中的地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)與預(yù)警中具有廣闊的應(yīng)用前景[44-45]。
　　由于我國(guó)礦山種類繁多，分布廣泛，開采方式各不相同，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用情況較為復(fù)雜，監(jiān)測(cè)目標(biāo)眾多，在監(jiān)測(cè)區(qū)選擇、監(jiān)測(cè)目標(biāo)確定、遙感數(shù)據(jù)源選擇、遙感信息提取以及礦山地物類型解譯標(biāo)志建立等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)要求和遙感分類精度仍需探索。


　　1.2.2礦區(qū)地表沉降信息 InSAR獲取
　　合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（ InSAR）是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提取的干涉相位信息為信息源獲取地表三維信息和變化信息的技術(shù)。干涉雷達(dá)在 1969年被用于火星觀測(cè) [46]，1972年被用于觀測(cè)月球的地形[47]。1974年，有專家提出用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量進(jìn)行地形測(cè)繪 [48]；1986年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了用機(jī)載雙天線 SAR進(jìn)行地形測(cè)繪的結(jié)果，拉開了干涉合成孔徑雷達(dá)研究的序幕 [49-50]；2000年，Nakagawa等利用 JERS-1 L波段 SAR監(jiān)測(cè) Kanto北部平原的地面沉降，研究表明 L
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