露天矿地质环境解译标志体系和信息提取方法的研究及示范应用

发布时间：2020-05-13 09:55

【摘要】：我国是一个人口众多的发展中国家,同时作为世界主要的矿业生产国家,长期粗放式矿山开发活动引发的各种地质环境问题威胁着人民生命财产安全,严重影响和制约社会经济及矿山的可持续发展。作为矿山地质环境中的重要部分,露天矿地质环境涵盖了矿区地质背景、自然环境、生态人文环境和地质灾害等主要内容。结合高速发展的遥感技术,探索研究如何将遥感应用于露天矿地质环境相关研究中,能够缓解经济社会的快速发展对矿产资源的需求,减少矿产资源生产开发活动造成的矿山地质环境破坏,加强矿山地质环境保护与综合治理,促进矿产资源的合理开发利用,确保在满足矿产资源需求的同时,保护好环境。河南省是我国矿产资源储备和开发利用大省,省内矿产资源种类多样,矿山类型齐全,独特便利的交通环境和地理位置决定了活跃的河南省矿产资源开发活动,是开展露天矿地质环境遥感研究的理想研究区。本文研究工作以河南省矿山地质环境遥感调查项目的实践和应用为依托,选择河南省作为主要研究区域,以露天矿地质环境遥感方法为主要研究内容,基于矿山地质环境和遥感技术的相关理论和研究方法,建立河南省露天矿地质环境遥感解译标志体系,提出露天矿地质环境遥感解译一般工作方法和解译标志体系评价方法;同时,本文研究以面向对象的高分辨率遥感影像信息提取技术为基础的多源数据协同信息提取方法在露天矿地质环境解译中的应用效果,并在河南省境内选择了豫中非金属矿研究区和豫西金属矿研究区两个典型示范区域,开展露天矿地质环境要素信息提取方法相关研究。论文共分为六章,主要内容如下:第一章绪论介绍论文研究背景,从矿山地质环境高分辨率监测方法、面向对象的高分辨率卫星影像信息提取方法和矿山地质环境效应评价三个研究领域,总结相关文献和当前研究成果、存在的问题及未来发展趋势;第二章介绍河南省的交通位置、气象水文、地形地貌、地质背景和矿产资源开发利用概况,同时对选作典型示范区域的两个研究区的情况进行简介(豫中非金属矿研究区和豫西金属矿研究区);第三章以矿山地质环境的概念、研究内容和主要问题分类为研究基础,归纳总结并建立露天矿地质环境遥感研究的基础理论和主要研究方法;第四章依托于河南省矿山地质环境遥感调查项目的实践和应用,根据不同的矿种和不同的采矿方式,从野外识别标志和遥感解译标志两个方面,建立河南省露天矿地质环境遥感解译标志体系,提出一般解译工作方法和解译标志体系评价方法;第五章重点研究以面向对象的高分辨率遥感影像信息提取技术为基础的多源数据协同信息提取方法在两个典型示范研究区的应用效果,并对模型的信息提取效果进行评价;第六章是论文研究工作及成果的总结与展望。第三章至第五章属于作者独立研究成果。论文的主要学术研究工作和取得的研究成果如下:1.初步建立露天矿地质环境遥感研究的理论基础,明确提出研究内容和研究方法。基于已有的矿山地质环境相关理论基础、研究内容和主要问题分类,参考遥感技术可研究范围,总结和归纳露天矿地质环境遥感的概念、研究目标和主要分类依据等;结合露天矿地质环境遥感特点和遥感技术的主要研究方法,提出露天矿地质环境遥感研究方法,包括人机交互目视解译、遥感影像信息自动提取、面向对象的遥感影像信息提取方法和多源数据协同的目标提取方法。2.结合河南省矿山地质环境遥感地质调查项目的实践和应用,利用国产高分辨率遥感卫星影像,深入归纳总结露天矿地质环境遥感研究的基本理论和研究内容及主要问题分类,从野外识别标志和遥感解译标志两个方面,提出基于国产高分系列卫星——高分一号和高分二号遥感影像的河南省露天矿地质环境解译标志体系,明确不同矿种、不同采矿方式所产生的各种地质环境问题的分类、定义和特征描述。3.提出两种不同的基于面向对象技术的多源数据协同信息提取方法:(1)采用ESP方法对影像整体求取局部方差,通过局部方差变化确定最优分割参数;同时根据影像光谱特征、纹理特征、形状特征和空间关系建立包含33个特征因子的集合,最后对比了三种不同的树型模型在豫中非金属矿研究区的分类效果;(2)基于影像信息层次模型,使用欧几里得二指数的方法分层计算每层类别最优分割参数,并选取合适的特征因子建立模糊规则集,采取分层掩膜的方法分离出各个大范围地质环境背景要素,然后采用随机森林模型对豫西金属矿研究区中其余地质环境要素进行分类提取,最后采用混淆矩阵和Kappa系数进行精度评价。结果显示,实验一中随机森林模型的分类精度(87%)和Kappa系数(0.74)都高于分类与回归树模型(分类精度为79%,Kappa系数为0.6)和旋转森林模型(分类精度为76%,Kappa系数为0.53);实验二中通过分层分割提取,随机森林模型对于主要露天矿地质环境要素的识别能力有所提高(分类精度为88%,Kappa系数为0.78)。通过多源数据协同消除分类逻辑误差,两个实验结果显示两种方法都能够有效提取大范围主要地质环境要素。
【图文】：

采矿业,主要成分,技术可采储量,地质储量

选题目的和意义据 2016 年中国矿产资源报告，“十二五”期间，矿产地质勘查取得和“十一五”期间相比，能源型矿产探明储量增幅保持在 10%以上石油地质储量增加了 61.3 亿吨，剩余技术可采储量达到 35 亿吨，，新增煤炭探明地质储量 1.57 万亿吨，同比增长 16.8%，天然气新同比增长幅度达到 37.4%，达到 5.2 亿立方米；另外，页岩气作为“建立的矿产品种，拥有高达 5441 亿立方米的丰富探明地质储量。和非金属矿产探明储量增长幅度保持在 16%以上，其中铁矿剩余850.8 亿吨，同比增长 17.0%，铜矿剩余技术可采储量 9910 万吨，，，钨矿剩余技术可采储量 958.8 万吨，同比增长 62.2%，金矿可采同比增长幅度最大，达到 68.4%；而非金属和其他矿产中，以钾盐可采储量 10.8 亿吨，同比增长 16.1%。“十二五”期间，国家总计质勘查资金 5681.8 亿元，主要矿产中 41 种查明资源储量增长，5作为新设立的矿种，探明地质储量快速增长[8]。

露天采场,排土场,废石,煤矸石

在矿产资源的长期发展中，中国一直处于高污染、高消耗的粗放型开采方式下由于缺乏相关矿山环境保护和治理的法律法规，我国矿山地质环境整体处于不恶化的状态下，国家整体基础建设和长期稳定发展都受到了影响[9]。截止至“十一五”期间，全国范围内在矿产资源开采中砍伐的森林总面积达 1万公顷，草地损毁面积为 26.3 万公顷——大量的植被破坏问题直接导致了土壤重荒漠化的现象，每年经济损失达 541 亿元，高达 4 亿人口的基本生活条件受严重威胁。除地形地貌景观遭受的破坏外，全国范围内有超过 140 万公顷的有土地资源由于矿山开采、尾矿废石堆积等因素而被直接占用或间接损毁——这数字每年以 2 万公顷的速度不断增加，而矿区地质环境问题所覆盖区域的恢复理率不到 12%。同时，部分矿区采用的地下开采模式中不断疏干抽排地下水，会成该地区地下水水位下降，破坏矿区水资源平衡，导致常用水资源短缺，对矿区边民众正常的生产生活造成威胁[10]。如图 1.2a 至图 1.2d 展示的是典型矿山地环境问题。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P627

【参考文献】