汪云甲

1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2. 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116

礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測研究進展與展望

汪云甲1,2

1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2. 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116

礦區(qū)資源開發(fā)致使其面臨著嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,監(jiān)測和分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各種典型信號和異常已成為環(huán)境保護、生態(tài)恢復(fù)等工作的重要基礎(chǔ)。本文從地表形變與沉降、地下煤火與煤矸石山自燃及其他生態(tài)要素監(jiān)測等方面討論了礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測研究進展，進行了國內(nèi)外進展比較及發(fā)展趨勢展望。由于采動沉陷與生態(tài)環(huán)境變化的特殊性、復(fù)雜性和高度動態(tài)性，單一監(jiān)測手段難以奏效，將空天地一體化對地觀測傳感網(wǎng)和礦山物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，發(fā)展礦區(qū)生態(tài)擾動多源多尺度空天地協(xié)同監(jiān)測與智能感知體系，是未來研究的重點及努力方向。

礦區(qū)；生態(tài)擾動；地表形變與沉降；地下煤火;煤矸石山自燃；監(jiān)測

礦區(qū)資源開發(fā)，致使其面臨嚴(yán)重的地表沉降、土地破壞、植被退化、水質(zhì)污染、大氣污染等生態(tài)環(huán)境問題。盡管各類環(huán)境生態(tài)擾動表現(xiàn)方式和演變機制各不相同，但在生態(tài)環(huán)境災(zāi)害孕育、形成和衰退階段都會在地表和近地表層呈現(xiàn)出特定的幾何、物理或化學(xué)性異常。監(jiān)測和分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各種典型信號和異常，方便、快速、低成本地獲取精確、可靠、及時的礦區(qū)生態(tài)擾動數(shù)據(jù)資料，客觀、準(zhǔn)確地反映礦區(qū)生態(tài)擾動狀況是環(huán)境保護、生態(tài)恢復(fù)等工作的重要基礎(chǔ)及關(guān)鍵，也是國內(nèi)外研究的熱點、重點和難點。

礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測是指運用各種技術(shù)探測，判斷和評價礦區(qū)資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響、危害及其規(guī)律，分為宏觀微觀監(jiān)測、空天地監(jiān)測、干擾性生態(tài)監(jiān)測、污染性生態(tài)監(jiān)測和治理性生態(tài)監(jiān)測等類型，具有綜合性、空間性、動態(tài)性、后效性、不確定性等特征。從20世紀(jì)90代開始，美國及歐洲的一些發(fā)達國家利用先進的光學(xué)、紅外、微波、高光譜等對地觀測技術(shù)和數(shù)據(jù)，針對礦區(qū)各類生態(tài)環(huán)境及災(zāi)害要素，如開采沉陷、水污染、植被變化、土壤濕度、大氣粉塵等進行了長期有效的動態(tài)監(jiān)測，為礦區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測目標(biāo)的定量分析提供了依據(jù)。受技術(shù)和數(shù)據(jù)限制，國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展很快，如有關(guān)高校“九五”期間就將“礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與治理”列入“211”重點學(xué)科建設(shè)項目，深入研究了地面測試和空間對地觀測集成研究的作業(yè)模式、精度匹配，以及地理、環(huán)境和資源環(huán)境遙感與非遙感數(shù)據(jù)復(fù)合處理的關(guān)鍵理論和技術(shù)方法。隨著各種衛(wèi)星的發(fā)射升空，以及各類天基、地基、巷基傳感器等裝備及信息系統(tǒng)的成功研制和使用，我國學(xué)者綜合運用對地觀測、無人機遙感監(jiān)測、三維激光掃描、地面生態(tài)監(jiān)測等手段及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域開展了多方面的基礎(chǔ)和探索研究，并取得了較大成果。然而，礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測研究往往局限在小尺度和單一礦區(qū)，尚難以對各類環(huán)境和災(zāi)害要素的時間和空間演化特征進行精準(zhǔn)評價，礦區(qū)生態(tài)擾動單一監(jiān)測手段難以奏效，亟須發(fā)展多源多尺度空天地協(xié)同監(jiān)測與智能感知體系。

1 研究進展

礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測對象、方法涉及內(nèi)容眾多，研究區(qū)域及目標(biāo)不同，其監(jiān)測對象、指標(biāo)、監(jiān)測方法也有所差異。這里主要考慮應(yīng)用需求及研究的關(guān)注度與深度、廣度，側(cè)重地球空間信息技術(shù)應(yīng)用角度，從地表形變與沉降、地下煤火與煤矸石山自燃及其他生態(tài)擾動要素監(jiān)測方面對主要研究進展進行敘述。

1.1 地表形變及沉降監(jiān)測[1-19]

礦產(chǎn)開采引起上覆巖層以及地表產(chǎn)生移動與變形，這是開采沉陷及其衍生災(zāi)害產(chǎn)生的根源。快速獲取巖層、地表的移動與變形是進行沉陷災(zāi)害評估預(yù)測、土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的前提。國內(nèi)外學(xué)者在地表沉降變形監(jiān)測方面作了大量研究，傳統(tǒng)的地表沉陷觀測手段主要是通過布設(shè)地表移動觀測線或觀測網(wǎng)來獲取地表移動和變形數(shù)據(jù)，通過對這些觀測數(shù)據(jù)的處理，反演出相應(yīng)的物理力學(xué)與幾何參數(shù)，進而預(yù)測未來地表形變強度及其影響范圍，采用的方法包括三角測量、精密導(dǎo)線測量、精密水準(zhǔn)測量、近景攝影測量、GPS等。但常規(guī)的監(jiān)測方法雖然精度較高，卻存在工作量大、成本高、變形監(jiān)測點密度低且難以長期保存等缺點，不便于獲取地表形變的三維空間形變信息、歷史信息以及大范圍的作業(yè)；GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)具有定位精度高、觀測時間短、可以提供三維坐標(biāo)等優(yōu)點，但存在只能進行點、線測量，只適用于小范圍的靜態(tài)變形監(jiān)測等問題。

合成孔徑雷達測量(synthetic aperture radar，SAR)技術(shù)為解決上述問題提供了新的技術(shù)途徑，成為近年來的研究熱點，德國、澳大利亞、法國、英國、韓國等國外及香港學(xué)者在實踐、理論、算法與應(yīng)用等方面取得了眾多成果。我國于21世紀(jì)初將InSAR技術(shù)用于礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測，隨著ENISAT、ALOS、RadarSAT-2、TerraSAR等衛(wèi)星的升空，可用于干涉處理的SAR影像數(shù)據(jù)越來越多，并且影像的分辨率、波長、入射角等也不盡相同，推動了國內(nèi)的相關(guān)研究。實踐表明，與傳統(tǒng)的開采沉陷監(jiān)測方法相比，InSAR技術(shù)監(jiān)測地面沉降具有大面積、大時間跨度、成本低的優(yōu)勢，探測地表形變的精度可達厘米至毫米級。但由于開采地表沉降量大、速度快，且不少礦區(qū)地表植被覆蓋好，使得InSAR技術(shù)極易造成失相干，出現(xiàn)了諸多問題需要解決。為此，人們逐漸從以往的高相干區(qū)域轉(zhuǎn)移到了長時序上個別的高相干區(qū)域甚至是某些具有永久散射特性的點集上，通過分析它們的相位變化來提取形變信息，以此對InSAR技術(shù)進行了拓展，如永久散射體差分干涉測量(PS-InSAR)、人工角反射器差分干涉測量(CR-InSAR)、短基線差分干涉測量(SBAS)等，以提高形變監(jiān)測的精度，這些技術(shù)在徐州、西山、神東、唐山、皖北等礦區(qū)得到應(yīng)用，取得了重要成果，但仍然發(fā)現(xiàn)存在諸多問題，如礦區(qū)地表沉降是以非線性形變?yōu)橹饕煞郑鲜黾夹g(shù)的解算模型則是建立在線性模型的基礎(chǔ)上；礦區(qū)開采導(dǎo)致地表變形大，現(xiàn)有的解纏方法并不能得到大變形梯度條件下的地表變形等。

此外，國內(nèi)外學(xué)者還采用PPP、CORS、三維激光掃描及無人機等現(xiàn)代測量技術(shù)，集合傳統(tǒng)高程及平面監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了復(fù)雜礦山高精度測繪框架，開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，進行變形監(jiān)測及開采沉陷參數(shù)反演等研究。

近幾年，針對空天地沉降監(jiān)測中多源數(shù)據(jù)時空分辨率多樣、技術(shù)方法各異、數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性存在差異等問題，結(jié)合各類數(shù)據(jù)、方法、技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)深入開展了多源數(shù)據(jù)融合和信息提取關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)，主要工作及取得創(chuàng)新成果有：

(1) 基于知識的礦區(qū)形變SAR信息提取技術(shù)

研究了基于DInSAR和概率積分預(yù)計模型的聯(lián)合解算地表沉降方法、融合累積DInSAR和子像元偏移方法提取礦區(qū)地表變形方法等結(jié)合開采沉陷知識的礦區(qū)大變形SAR信息提取技術(shù)。以峰峰礦區(qū)萬年、徐州龐莊、榆林大柳塔等煤礦為試驗區(qū)域，獲取了礦區(qū)概率積分法參數(shù)，得到了大形變梯度條件下地表沉降，證明了方法的有效性，為礦區(qū)地表沉降提供了新的研究思路。

引入了超短基線干涉測量技術(shù)進行老采空區(qū)沉降監(jiān)測。該方法相比傳統(tǒng)的干涉差分SAR技術(shù)具有無需外部DEM的優(yōu)勢，避免了外部DEM的引入所帶來的誤差。利用該方法獲取了老采空區(qū)沉降速率和形變時間序列，在此基礎(chǔ)上建立了地表殘余下沉速度循環(huán)周期與采厚、下沉速度循環(huán)峰值與深厚比的經(jīng)驗關(guān)系式，為預(yù)測和評價老采空區(qū)殘余形變提供了基礎(chǔ)。

對于礦區(qū)塌陷裂縫,提出采用濾波后的差分干涉圖對應(yīng)的偽相干圖進行精確定位,采用紋理分析法實現(xiàn)地裂縫的自動提取,采用不同期的偽相干圖揭示地裂縫的時空活動特征。采用偽相干圖一次性探測了神木煤礦十余個礦井的塌陷位置信息,與已有的煤礦分布圖具有很強的一致性。

針對InSAR技術(shù)大尺度形變監(jiān)測,采用SBAS方法(短基線集)對滿足一定時空基線的干涉對進行處理,有效地減弱時空基線引起的失相干問題,在提高D-InSAR結(jié)果精度的同時提高形變的時空分辨率；針對大地形變場研究的熱門方法-位錯模型,研究基于垂直方向的簡化后位移位錯模型,并結(jié)合InSAR結(jié)果利用大地測量反演方法反演煤礦塌陷機理。

構(gòu)建了InSAR技術(shù)監(jiān)測與預(yù)計一體化模型。該模型利用InSAR技術(shù)的全天候、高精度、大區(qū)域等優(yōu)勢進行開采沉陷監(jiān)測，獲取開采沉陷的影響范圍與發(fā)展趨勢，得到其時空演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上將監(jiān)測結(jié)果作為SVR算法的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)樣本建立已觀測數(shù)據(jù)與未來沉降之間的函數(shù)，進行開采沉陷動態(tài)預(yù)計，最終實現(xiàn)開采沉陷監(jiān)測與預(yù)計的一體化。

(2) 多尺度多平臺時序SAR影像地表沉降信息獲取方法

提出了一種綜合利用SAR影像幅度和相位信息獲取礦區(qū)地表時間序列沉降的新方法。該方法一方面利用基于幅度信息的ABFT技術(shù)進行大梯度形變區(qū)域的監(jiān)測，同時采用基于相位信息的IPTA干涉測量技術(shù)進行微小變形區(qū)域的監(jiān)測，再將二者得到的形變監(jiān)測結(jié)果進行融合得到形變區(qū)域的完整監(jiān)測結(jié)果。相比單獨利用相位測量技術(shù)，融合后的結(jié)果能獲取大變形區(qū)域的形變信息；同樣相對單獨利用強度跟蹤技術(shù)，融合后的結(jié)果獲取得到了更多更精確微小形變的信息。

研究了利用Envisat、ALOS、Radasat-2、TerraSAR-X及Sentinel-1A等不同衛(wèi)星影像提取地表變形方法。將Envisat、ALOS衛(wèi)星獲取的不同尺度的SAR影像提取的地表時序沉降信息進行融合，聯(lián)合獲取地表變形信息。上述方法在峰峰等礦區(qū)進行了應(yīng)用及驗證。

提出了融合多源SAR影像提取礦區(qū)三維形變場并反演概率積分法參數(shù)的方法，為礦區(qū)地表移動監(jiān)測及開采沉陷預(yù)計提供了新的技術(shù)途徑，彌補了離散地表監(jiān)測點不能全面描述真實地表形變信息的缺陷。

研究了基于多軌道SAR影像的地表三維形變提取方法。該方法采用不同軌道獲取的至少3景影像(如Radarsat-2、TerraSAR-X、Sentinel-1A)，根據(jù)衛(wèi)星航向角、入射角等信息，基于最小二乘原理將干涉SAR技術(shù)得到的視線向變形分解到三維方向，從而建立礦區(qū)地表三維形變場。研究了基于偏移量跟蹤算法的礦區(qū)地表方位向及距離向二維地表形變方法，在一些礦區(qū)進行了應(yīng)用及驗證。

(3) SAR與GNSS、LiDAR及無人機數(shù)據(jù)的融合方法

研究了基于GNSS的干涉圖中大氣延遲相位的估計方法及軌道誤差修正方法、多軌道SAR影像同GNSS結(jié)果融合的地表三維變形解算方法、地面控制點與TCPInSAR技術(shù)的融合方法等，并進行了應(yīng)用及驗證。

提出了一種基于地面LiDAR點云數(shù)據(jù)和InSAR數(shù)據(jù)融合的礦區(qū)地表大梯度形變監(jiān)測方法。該方法一方面利用IDW算法對SAR形變場中的大梯度形變和失相關(guān)區(qū)域進行填補，另一方面對地面LiDAR點云形變場和InSAR形變場的公共覆蓋區(qū)域進行均化融合,一定程度上解決了InSAR技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)大梯度形變中所遇到的問題。

研究分析了Envisat、ALOS、TerraSAR-X、Radarsat-2、Sentinel-1A等多源多尺度SAR數(shù)據(jù)的融合解算方法，提取了更為全面的地表時序地表沉降量。在此基礎(chǔ)上，研究了SAR技術(shù)同地面三維激光掃描、GPS、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)、無人機等融合方法。針對時序InSAR處理方法，提出了基于無偏相干估計的時序觀測量選取算法、聯(lián)合解算軌道誤差和形變的TCPInSAR模型，在峰峰等礦區(qū)進行了應(yīng)用及驗證。

(4) 利用多平臺SAR數(shù)據(jù)和3種基于水平形變假設(shè)的地表形變聯(lián)合監(jiān)測方法

利用多平臺SAR數(shù)據(jù)、基于無水平形變假設(shè)的地表形變聯(lián)合監(jiān)測方法主要利用MTInSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果和“同名點對”搜索與融合方法來進行基于多平臺SAR數(shù)據(jù)的地表豎直形變聯(lián)合監(jiān)測，聯(lián)合監(jiān)測結(jié)果與單一平臺SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果相比具有監(jiān)測頻率高(時間分辨率高)、監(jiān)測點密度大(空間分辨率高)和噪聲點少的優(yōu)勢，更有利于非線性(時間維度)或非均勻(空間維度)地表形變的監(jiān)測和反演。

利用多平臺SAR數(shù)據(jù)、基于水平形變速率不變假設(shè)的地表形變聯(lián)合監(jiān)測方法首先利用MTInSAR技術(shù)得到各平臺SAR數(shù)據(jù)形變監(jiān)測結(jié)果，而后基于“同名點對”搜索和加權(quán)最小二乘方法來反演研究區(qū)水平形變速率(各監(jiān)測點水平形變速率相同)和豎直形變速率。該聯(lián)合監(jiān)測方法較單一平臺SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測方法，具有能夠反演地表三維或“偽三維”形變速率的優(yōu)勢。

改進了利用多平臺SAR數(shù)據(jù)、基于小基線技術(shù)和正則化方法的地表形變聯(lián)合監(jiān)測方法。將觀測值權(quán)重引入該方法，并根據(jù)研究區(qū)地表形變的特點將正則化矩陣由原方法的單位對角矩陣擴展為一般矩陣，改進的方法能夠更好地考慮各差分干涉測量值的觀測質(zhì)量和研究區(qū)的地表形變特點。該聯(lián)合監(jiān)測方法可以得到地表形變二維或三維(由具體的數(shù)據(jù)情況決定)的時序監(jiān)測結(jié)果，具有能夠增加監(jiān)測頻率，反演多維地表形變的優(yōu)勢。

(5) 礦區(qū)地表沉降、建筑物沉降以及結(jié)構(gòu)物形變監(jiān)測的自動化監(jiān)測系統(tǒng)

采用液體靜力水準(zhǔn)開展了礦區(qū)公路、建筑物沉降自動監(jiān)測；開發(fā)了基于光學(xué)影像的試驗?zāi)Ｐ统两蹈呔?、自動化獲取方法；開發(fā)了基于測量機器人的結(jié)構(gòu)物形變監(jiān)測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦區(qū)大型構(gòu)筑物形變信息的快速獲取。

1.2 地下煤火及煤矸石山自燃監(jiān)測[20-31]

地下煤火主要是指煤礦由于人為因素或自燃形成的煤田火和礦井火，在中國、美國、澳大利亞、印度、印度尼西亞等國家普遍發(fā)生。自燃煤火已經(jīng)成為全球性的災(zāi)難。煤火在造成巨大能源浪費的同時，伴隨產(chǎn)生的SOX、CO、NOX等有害氣體以及大量煙塵嚴(yán)重污染空氣，威脅著居民的身體健康，煤火燃燒產(chǎn)生的溫室氣體CO2和CH4加劇了全球氣候變暖。地下煤炭燃燒也導(dǎo)致了地表沉降，嚴(yán)重時會產(chǎn)生大量地表裂縫，形成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。煤火探測主要從勘查區(qū)的熱異常、地表沉陷和區(qū)域空氣異常3個方面進行。同時，煤火探測的主要目的是確定煤火的空間位置及狀態(tài)。早期主要采用測溫、鉆探等直接方法進行煤火探測。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已逐步發(fā)展為測溫、鉆探、物探、遙感及紅外探測相結(jié)合的綜合探測方法。遙感監(jiān)測煤火的研究開始于1963年，HRB-Singer公司在美國賓夕法尼亞州的斯克蘭頓用熱感相機RECONOFAX紅外偵查系統(tǒng)，進行探測和定位煤矸石的可行性試驗，這是科技人員首次利用熱紅外遙感技術(shù)研究和探測煤火，此后國內(nèi)外學(xué)者對煤火問題展開了一系列研究，形成了大量基于遙感探測煤火的成果，包括煤火溫度的定量反演、煤火異常區(qū)提取、煤火區(qū)特征地物信息提取、煤火動態(tài)監(jiān)測等。目前更加注重對地下煤火信息提取的研究，如利用航空、航天熱紅外遙感數(shù)據(jù)提取地下煤火信息，利用雷達影像探測地表沉陷，利用可見光影像提取煤火產(chǎn)生的地表裂隙等，煤火遙感監(jiān)測方法正不斷地向精確化、自動化方向發(fā)展。我國學(xué)者針對地下煤火的類型和特點，將火區(qū)地質(zhì)模型(燃燒分帶、燃燒系統(tǒng)、燃燒階段等模型)認(rèn)識與高精度遙感的優(yōu)勢相結(jié)合，通過燃燒裂隙、燃燒系統(tǒng)和采煤工作面等重點信息的提取，大幅度提高了煤火信息的獲取水平和探測精度。對生產(chǎn)礦山地表淺層燃燒的暗火火區(qū)，已結(jié)合礦區(qū)實際，初步建立了集成無人機、遙感、熱紅外成像儀、GPS、InSAR、三維激光掃描儀等軟硬件的立體監(jiān)測技術(shù)體系，指導(dǎo)了煤火災(zāi)害治理工作，提高了煤火調(diào)查、預(yù)警及治理的效率。

利用遙感手段探測煤礦火區(qū)的方法與所用的傳感器密切關(guān)聯(lián)，低分辨率熱紅外衛(wèi)星因其空間分辨率過低而不能滿足小區(qū)域煤火的監(jiān)測需求;通過中分辨衛(wèi)星的Landsat熱紅外傳感器和ASTER反演地表溫度的算法較為成熟，以輻射傳導(dǎo)方程法、單窗算法和單通道算法精度最高，應(yīng)用也最多。在地表溫度反演的基礎(chǔ)上，許多火區(qū)圈定的方法被提出，在火區(qū)自動提出方法中，尤其以移動窗口算法和自適應(yīng)梯度閾值法最為著名。中分辨的衛(wèi)星雖能識別火區(qū)及其動態(tài)變化，但是受太陽熱輻射、植被、地形、氣象等條件的影響，反演的地表溫度精度不高，導(dǎo)致火區(qū)的識別精度不能得到根本性的提升。機載熱紅外數(shù)據(jù)可以滿足火區(qū)識別的精度要求，但是儀器昂貴，數(shù)據(jù)采集成本居高不下，未能得到廣泛應(yīng)用。近年來，測量型無人機的出現(xiàn)為煤火監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段，無人機的優(yōu)勢在于采集數(shù)據(jù)的成本低、測量數(shù)據(jù)的精度高，無人機熱紅外技術(shù)獲取的地表溫度精度更高，更有利于圈定火區(qū)，已經(jīng)開始逐步應(yīng)用到煤火監(jiān)測領(lǐng)域。

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中的必然產(chǎn)物，盡管我國東部礦區(qū)煤矸石利用率較高,但中西部煤矸石綜合利用率低,尤其是煤炭開采的戰(zhàn)略西移使大量矸石仍然在地面堆積成山。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國中西部礦區(qū)的煤矸石山達1200余座，且大都容易自燃。近年來，我國學(xué)者突破了煤矸石山自燃監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)，取得了系列成果。

我國在地下煤火及煤矸石山自燃監(jiān)測近期取得的主要成果包括：

(1) 地下煤火地空一體化探測

依據(jù)地下煤火發(fā)展過程中各階段的物理場效應(yīng)、地下煤火信息的傳輸過程，和地下煤火的動態(tài)監(jiān)測模型理論，采用地空一體化技術(shù)，即航空的高空間分辨率的航空自然彩色遙感技術(shù)、高光譜分辨率熱紅外遙感技術(shù)，和地面的熱紅外探測技術(shù)、氡氣探測技術(shù)、地質(zhì)雷達探測技術(shù)，提取并獲得了某煤田客觀、準(zhǔn)確的煤火信息，結(jié)合對研究區(qū)常規(guī)地質(zhì)資料和往年火區(qū)探測資料的綜合分析，完成了對研究區(qū)的火區(qū)宏觀動態(tài)監(jiān)測；以光學(xué)和影像學(xué)為基礎(chǔ)，從航空遙感的熱場、光場、微波場等方面，獲取研究區(qū)煤火燃燒信息，圈定了研究區(qū)的煤火溫度異常區(qū)，從地面的熱場、化學(xué)場和磁場等方面，進行了野外地面綜合探測驗證，從不同的觀測角度對研究區(qū)煤火情況進行了系統(tǒng)的對比分析研究，最終圈定火區(qū)范圍，鉆探證明該方法所圈定的火區(qū)范圍準(zhǔn)確性可達95%以上；通過飛機上搭載自然彩色數(shù)碼相機和使用TASI-600熱紅外成像光譜儀，在某煤田進行了航空大面積煤田煤火探測工作，經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、校正、影像鑲嵌、影像配準(zhǔn)、地面同步測溫、地表溫度反演和影像解譯一系列過程后，獲取了煤田火區(qū)地表熱異常信息，由于該煤田火災(zāi)基本發(fā)生在0～50 m的淺埋深中，通過野外地面綜合探測驗證，僅通過航空可見光遙感和熱紅外遙感所圈定的火區(qū)范圍準(zhǔn)確性可達89%以上；采用地面紅外探測技術(shù)對從航空高光譜遙感提取的重要的熱異常信息進行野外探測，驗證和補充了地表煤火異常情況，采用地面氡氣探測技術(shù)大致圈定出了研究區(qū)的燃燒中心和范圍，采用地面地質(zhì)雷達探測技術(shù)對重要的煤火熱異常點進行探測，探測的煤火燃燒造成的塌陷情況與遙感提取的煤火信息基本一致，進一步修正了遙感探測的煤火信息，對火區(qū)煤火燃燒的空間信息和發(fā)展趨勢有了更好的掌握。

(2) 煤火靶區(qū)及地裂縫UAV精準(zhǔn)監(jiān)測

我國不少礦區(qū)古窯開采、小煤窯私挖濫采形成了眾多在地表淺層燃燒的暗火火區(qū)，這些火區(qū)資料缺乏，情況不清；且工作面、采空區(qū)與地表裂隙相互連通，形成了復(fù)雜的立體交叉漏風(fēng)網(wǎng)。因此，在數(shù)百平方公里的井田范圍內(nèi)如何快速、準(zhǔn)確確定燃燒點的位置及范圍、地表裂隙位置，在此基礎(chǔ)上開發(fā)有效的治理技術(shù)已成為礦井火區(qū)治理亟待解決的重大技術(shù)難題。我國學(xué)者針對地表淺層燃燒的暗火特點，獲取研究區(qū)天基熱紅外波段，通過影像融合，得到較高時空分辨率的熱紅外影像，選取合適的算法反演不同時期研究區(qū)的地表溫度，圈定地下煤火研究靶區(qū)；在無人機、GPS、三維激光掃描等技術(shù)、設(shè)備的支持下，結(jié)合煤火區(qū)地裂縫的紋理、線特征和灰度值等信息，建立知識模型；利用GIS空間分析、地統(tǒng)計學(xué)、趨勢分析和聚類分析、空間熱力學(xué)、傳熱學(xué)等方法理論，研究解決地基紅外熱成像煤火探測中地表溫度場信息挖掘、三維溫度場構(gòu)建、地下燃燒點的位置確定問題。

(3) 煤礦區(qū)矸石山邊界信息提取及溫度異常信息監(jiān)測診斷技術(shù)

提出了融合多尺度分割和CART算法的矸石山邊界信息提取技術(shù)。針對傳統(tǒng)的像素分類法提取矸石山邊界信息普遍存在“椒鹽現(xiàn)象”極大干擾面積統(tǒng)計的問題，融合多尺度分割能統(tǒng)一精細尺度的精確性與粗糙尺度的易分割性，和CART算法處理高維、非線性數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確性，提出了多尺度分割和CART算法融合的煤矸石山邊界信息提取技術(shù)，與單純像分類法相比，抑制了“椒鹽現(xiàn)象”，有效減少了提取結(jié)果的噪聲。

發(fā)明了表面自燃溫度監(jiān)測定位技術(shù)。針對酸性煤矸石山自燃著火的問題，發(fā)明了紅外遙感與全站儀、近景攝影測量、三維激光掃描、GPS等相耦合的表面自燃位置監(jiān)測定位技術(shù),解決了多源監(jiān)測設(shè)備站位優(yōu)化、控制點布設(shè)、特征點識別、坐標(biāo)基準(zhǔn)耦合等問題；提出了熱紅外溫度信息的距離、氣候等補償模型，基于立方卷積等空間插值方法解決了溫度信息與空間信息的數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建了表面自燃溫度場的四維模型。

構(gòu)建了內(nèi)部自燃位置點解算模型。針對內(nèi)部自燃位置點無法確定的難題，利用空間熱力學(xué)、傳熱學(xué)等理論，依據(jù)煤矸石山多孔非連續(xù)介質(zhì)導(dǎo)致熱量非均勻傳播的特性，經(jīng)大量野外測量數(shù)據(jù)分析，在對連續(xù)介質(zhì)熱傳導(dǎo)模型進行修正的基礎(chǔ)上，利用內(nèi)部自燃點所垂直對應(yīng)表面溫度與鄰近溫度比值的推演，建立了基于表面溫度的內(nèi)部自燃位置點解算模型，采用擬合逼近真值的方法進行數(shù)值求解。

1.3 礦區(qū)其他生態(tài)擾動要素監(jiān)測[32-45]

傳統(tǒng)的礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測一般首先進行實地調(diào)查、樣品采集，之后利用化學(xué)、物理或者生物指標(biāo)診斷等手段對所采集樣品進行定性或定量分析，不僅工作量巨大，而且需要耗費大量的人力、物力和時間，同時部分地區(qū)因特殊的地理環(huán)境，系統(tǒng)的采樣布點難以實現(xiàn)。衛(wèi)星遙感技術(shù)以其監(jiān)測范圍廣闊、時效性強、數(shù)據(jù)豐富等特點，為礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測提供了一種快速、動態(tài)、全面技術(shù)手段。

從不同遙感平臺可獲得不同光譜分辨率、不同空間分辨率、以及不同時間分辨率的遙感影像，形成多級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，多年來一直是國內(nèi)外研究熱點。隨著遙感數(shù)據(jù)分辨率的提高與波段信息的增加，以遙感數(shù)據(jù)為主要手段的礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測向著定性與定量兩個方向逐漸發(fā)展，其研究對象主要包括了礦山地表水、大氣、土壤和礦區(qū)植被4個方面。20世紀(jì)90年代以來，國外將高光譜遙感應(yīng)用于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測的研究逐漸增多。美國、加拿大、歐盟和澳大利亞等發(fā)達國家紛紛將高光譜遙感技術(shù)和方法應(yīng)用于本國(地區(qū))礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測，其中，以美國和歐盟的試驗和研究最為系統(tǒng)和深入。美國地質(zhì)調(diào)查局(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，檢測受污染水域的空間分布范圍，歐盟的MINEO項目則聯(lián)合英國、德國、葡萄牙、奧地利、芬蘭5個國家，在6個礦區(qū)建立試點，應(yīng)用HyMap機載高光譜數(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)境評價結(jié)果。由于機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。一些學(xué)者采用基于機載Probe-1傳感器獲取的高光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合空間、光譜特征，實現(xiàn)了礦山尾礦區(qū)的異常信息提??；基于新型機載HyperSpecTIR、SEBASS成像光譜儀獲取的空間分辨率的高光譜影像，繪制了美國內(nèi)華達州Virginia城市礦區(qū)的風(fēng)化礦物專題圖。

國內(nèi)高光譜數(shù)據(jù)在礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用起步較晚。如利用高光譜遙感技術(shù)，系統(tǒng)研究了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；利用OMIS1數(shù)據(jù)系統(tǒng)全面地研究了礦區(qū)環(huán)境污染探測等相關(guān)問題，其中包括植被、土壤、水體和粉塵等內(nèi)容，以上工作，為國內(nèi)深入開展礦區(qū)高光譜(星載和機載)遙感研究奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)近幾年取得的主要創(chuàng)新成果有：

(1) 多源遙感礦區(qū)環(huán)境及災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測技術(shù)與評價預(yù)警系統(tǒng)

針對多源遙感礦區(qū)環(huán)境及災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測技術(shù)中的多元信息數(shù)據(jù)集，研究了多元信息數(shù)據(jù)處理的理論與方法。構(gòu)建了多元數(shù)據(jù)的模式集和子模式的理論與方法，建立了多元信息數(shù)據(jù)集的模式描述和模式劃分方法，建立了度量和分析矩陣模式間的差異，提高了多元空間數(shù)據(jù)模式分析的正確性，并應(yīng)用于多源遙感礦區(qū)環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測中。

利用高分辨率遙感影像和大比例尺基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，總結(jié)了地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害遙感影像識別標(biāo)志，研究了地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害信息增強技術(shù)，建立了遙感與GIS相結(jié)合的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害參數(shù)提取方法，提出了原始影像與邊界突出結(jié)果相結(jié)合的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害邊界信息突出方法，建立了基于單因子曲線擬合與多因子邏輯回歸(SFCEMFLR)相結(jié)合的礦山地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害評價模型。

通過對礦區(qū)植被、水體等典型地物的光譜參數(shù)、大氣參數(shù)、植被生化組分參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)的野外監(jiān)測與多源遙感數(shù)據(jù)的處理，構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境參數(shù)多源遙感數(shù)據(jù)反演模型，通過去臨近像元效應(yīng)研究，解決了礦區(qū)水體面積小，水質(zhì)參數(shù)反演受臨近像元效應(yīng)影響的問題，通過植被生化組分抗土壤背景分析研究，解決了植被生化組分反演中礦區(qū)植被稀疏，土壤背景影響顯著的問題，根據(jù)植被脅迫程度，確定了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境臨界值模型及評價預(yù)警模型。

針對示范礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境變化野外巡查及數(shù)據(jù)采集的需要，通過綜合應(yīng)用GPS、CORS、PAD、GPRS、RTK、GIS等技術(shù)，突破精密定位、多媒體信息實時采集與傳輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸，實現(xiàn)了礦區(qū)野外巡查系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

針對礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測的需求，通過集成氣體傳感器、Zigbee、GPRS、GPS和GIS等多種最新技術(shù)，進行了礦區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測傳感器的硬件研發(fā)，開發(fā)完成了礦山環(huán)境多屏幕動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)了污染氣體的動態(tài)采集、分析與可視化表達等功能。

突破多源、異構(gòu)的遙感數(shù)據(jù)、地物波譜數(shù)據(jù)與空間矢量數(shù)據(jù)集成管理和多重檢索技術(shù)，創(chuàng)建了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境變化綜合數(shù)據(jù)庫及分析評價臨界值監(jiān)測模型庫，以此為核心進行了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境變化分析預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，并基于B/S體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了預(yù)警結(jié)果的存儲、管理和遠程發(fā)布。

(2) 基于NPP礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測系統(tǒng)

提出了采用植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)作為礦區(qū)生態(tài)擾動的監(jiān)測指標(biāo)。在分析礦區(qū)生態(tài)擾動的特征及其生態(tài)響應(yīng)機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測的內(nèi)容和目標(biāo)，采用植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)對礦區(qū)生態(tài)擾動進行監(jiān)測，通過理論和實證分析，得出植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)作為監(jiān)測指標(biāo)是可行的。

基于遙感學(xué)和植被生態(tài)生理學(xué)原理，建立了中等尺度的NPP遙感估算模型。模型體現(xiàn)了3個方面的特色：建立了FPAR與植被蓋度的遙感反演模型；提出NDVI指數(shù)的確定方法；提出從采用中等分辨率的遙感影像、不同植被采用不同最大光能利用率、提高土地植被分類精度3方面提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度。對模型結(jié)果采用收獲值和其他模型模擬結(jié)果進行對比，表明模型結(jié)果具有一定的可靠性。

在礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和生態(tài)系統(tǒng)擾動特征分析的基礎(chǔ)上，從礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)擾動的機理、影響因素、擾動程度、生態(tài)響應(yīng)特征4個方面，分析了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的非生物因子、生物因子和景觀因子的生態(tài)響應(yīng)機理，結(jié)果表明采礦擾動能導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)因子發(fā)生不同程度的變化。

運用改進的CASA模型，對徐州九里礦區(qū)生態(tài)擾動的NPP變化量進行了定量評價，從NPP變化的時空分布、礦區(qū)不同階段NPP變化程度、NPP變化的影響因素角度分析得出，采礦活動是導(dǎo)致礦區(qū)NPP變化的主要因素，NPP變化程度對采礦活動具有敏感性。

(3) 礦區(qū)地表環(huán)境損傷立體融合監(jiān)測及評價技術(shù)

針對煤礦區(qū)地表環(huán)境類型多樣、損傷動態(tài)、尺度跨度大、顯性隱性信息交融的特點，研發(fā)了星-空-地-井(航天-航空-地面-地下)“四位一體”的監(jiān)測手段立體融合技術(shù)和多源多尺度時空數(shù)據(jù)的實時交互與轉(zhuǎn)換融合問題，明確了不同地表環(huán)境損傷因子、不同監(jiān)測尺度的監(jiān)測手段耦合機制，與傳統(tǒng)技術(shù)方法相比，突出了地下采礦信息的先導(dǎo)作用，實現(xiàn)了井上下信息耦合，為科學(xué)界定損傷邊界，進行與開采時序相結(jié)合的煤礦區(qū)地表環(huán)境損傷因子監(jiān)測提供了保障。基于該技術(shù)，揭示了我國煤炭-糧食復(fù)合區(qū)面積為10.8%(煤炭保有資源量)和42.7%(資源總量)及其存在問題的空間分布。

針對單純遙感技術(shù)無法直接獲得采煤沉陷邊界信息、傳統(tǒng)以地表下沉10 mm為邊界劃定的沉陷地?fù)p毀范圍過大，導(dǎo)致復(fù)墾成本劇增的問題，從影響植物生長角度，考慮地面積水、土壤裂縫發(fā)生和地面坡度變化等土地?fù)p毀因素，構(gòu)建了沉陷土地?fù)p毀邊界計算模型；提出了星(空)-地-井多源數(shù)據(jù)(D-InSAR、三維激光掃描儀、GPS、水準(zhǔn)測量等)解算與融合成圖的損毀邊界信息提取方法及沉陷監(jiān)測模式。

針對煤礦區(qū)受采動影響土地生態(tài)變化劇烈的特點，創(chuàng)建了基于CA差值法的土地生態(tài)變化信息遙感自動發(fā)現(xiàn)技術(shù)，綜合考慮了遙感影像各個波段間、各個波段與地物之間的相互關(guān)系，使各主成分的物理意義得到了明確表達。

針對傳統(tǒng)的基于分級對比方法研究植被覆蓋度難以提高定量表達精度的問題，研發(fā)了以局部性和空間相關(guān)性為主的礦區(qū)植被覆蓋度時空效應(yīng)獲取技術(shù)，運用空間關(guān)聯(lián)指數(shù)，可在單純基于NDVI值獲取趨勢分析的基礎(chǔ)上，從全局演變和局部效應(yīng)的視角揭示植被受采礦擾動的時空演變和內(nèi)在作用機制。

(4) 采煤工作面沉陷裂縫損傷與生態(tài)因子監(jiān)測技術(shù)

針對風(fēng)沙區(qū)地表動態(tài)裂縫發(fā)育規(guī)律難以獲取的問題，基于開采沉陷學(xué)相關(guān)理論確定了超前裂縫角值，結(jié)合開采進尺量確定了監(jiān)測始點、范圍、時間間隔等關(guān)鍵參數(shù)；開發(fā)出動態(tài)裂縫監(jiān)測儀器與裝置，可直接觀測微小毫米級裂縫寬度與落差，解決了動態(tài)裂縫難以持續(xù)高精度觀測的難題。揭示了動態(tài)裂縫18 d周期的開-閉-開-閉“M型”雙峰波形規(guī)律，建立了動態(tài)裂縫發(fā)育時間T的通用函數(shù)模型,形成了動態(tài)裂縫發(fā)育到閉合的全生命周期理論，為揭示該區(qū)域煤炭開采對土地生態(tài)環(huán)境的影響機理及其自修復(fù)周期提供了技術(shù)支撐。

土壤裂縫是采煤沉陷水田變旱地及廢棄的主要原因。針對隱性土壤裂縫難以識別的難題，研發(fā)了開采沉陷預(yù)計先導(dǎo)(預(yù)計裂縫區(qū))、地球物理手段探測(高密度電法測漏水通道、探地雷達確定裂縫位置)、田間滲水驗證相結(jié)合的探測技術(shù)，實現(xiàn)地表以下2 m內(nèi)土壤裂縫的位置確定。

風(fēng)沙區(qū)煤炭地下開采導(dǎo)致地表淺層裂縫的形成與發(fā)育是地面水土流失加劇與植被退化的主要誘因。針對神東礦區(qū)永久性邊緣地裂縫治理困難、效果欠佳以及地下發(fā)育特征數(shù)據(jù)欠缺的難題，研發(fā)了石灰漿體示蹤劑灌注、高精度探地雷達(GPR)探測、lensphoto近景攝影測量技術(shù)建模的淺層地下裂縫發(fā)育監(jiān)測方法，實現(xiàn)了對3 m左右的淺層地下裂縫發(fā)生特征的探測和三維形態(tài)的獲取，為裂縫精準(zhǔn)充填與治理提供了技術(shù)支撐。

(5) 風(fēng)沙區(qū)一體化的地表環(huán)境監(jiān)測體系與土壤水分監(jiān)測技術(shù)

針對風(fēng)沙區(qū)開采對地表影響持續(xù)時間長范圍大，且缺乏精準(zhǔn)長時序地表環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與手段的難題，研發(fā)了基于開采過程和超前影響距的地表環(huán)境損傷監(jiān)測體系與方法，重點解決了監(jiān)測布點(20 m間隔)、監(jiān)測時間間隔(基于開采影響的三階段式)等關(guān)鍵參數(shù)；配套發(fā)明了用于土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)監(jiān)測的土壤取樣及滲透系數(shù)測定儀器與裝置，揭示了開采影響下地表環(huán)境與土壤理化性質(zhì)等的變化規(guī)律與特征，實現(xiàn)了對開采影響下的地表環(huán)境損傷空間變異數(shù)據(jù)的獲?。粯?gòu)建了基于3區(qū)(對照、采空、裂縫)的10 m樣方調(diào)查與室內(nèi)元素含量分析的方法。

針對風(fēng)沙區(qū)土壤水分動態(tài)規(guī)律監(jiān)測的空白，分別構(gòu)建了裂縫區(qū)與影響區(qū)差別化的土壤水分動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，建立了消除時空差異與降水影響的土壤水分解算方法，實現(xiàn)了對地裂縫發(fā)育全周期的水分監(jiān)測；建立了基于中子儀和沉陷損毀分區(qū)特征的淺層土壤水分監(jiān)測方法與布設(shè)參數(shù)，揭示了沉陷裂縫區(qū)土壤水分的自修復(fù)周期(約18 d)和土壤2 m內(nèi)水分含量分為速變層(60 cm以上)和穩(wěn)定層(60 cm以下)的規(guī)律，構(gòu)建了沉陷裂縫附近土壤水分自修復(fù)周期模型。

(6) 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測系統(tǒng)

以遙感和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，系統(tǒng)收集了神東礦區(qū)1990—2015年期間的遙感影像數(shù)據(jù)，提取了土地利用、土壤溫度、植被覆蓋度、土地復(fù)墾率、土地綠化率和水體6項遙感監(jiān)測專題信息，開發(fā)了“神東礦區(qū)水保生態(tài)信息管理系統(tǒng)”，實現(xiàn)了環(huán)境的遙感監(jiān)測；在大柳塔沉陷區(qū)建設(shè)了視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)，集成了已有的生態(tài)、灌溉水質(zhì)、土壤風(fēng)蝕3個方面的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了從宏觀與微觀兩個方面對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)控與展示，為礦區(qū)環(huán)境監(jiān)管可視化、數(shù)據(jù)管理一體化、環(huán)境決策科學(xué)化提供了基礎(chǔ)資料。

提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤電基地生態(tài)擾動監(jiān)測技術(shù)體系的設(shè)計方案，并從感知層、傳輸層、支撐層、應(yīng)用層、用戶層的角度，論述了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤電基地進行生態(tài)擾動監(jiān)測的技術(shù)體系的具體方法與監(jiān)測成本低、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的優(yōu)勢。

啟動建設(shè)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器技術(shù)、信號傳輸技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)，從宏觀、微觀相結(jié)合的全方位角度，監(jiān)測各種關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)；記錄歷史、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，分析未來的走勢，以便輔助企業(yè)及政府決策，提升礦山地質(zhì)環(huán)境保障水平，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。系統(tǒng)依托智能的軟件系統(tǒng)，建立分析預(yù)警模型，實現(xiàn)與短消息平臺結(jié)合，當(dāng)發(fā)生異常時，及時自動發(fā)布短消息到管理人員，盡快啟動相應(yīng)的預(yù)案。

2 國內(nèi)外進展比較

2.1 重視程度與研究深度

德國、美國、加拿大等發(fā)達國家礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)起步早，自20世紀(jì)70年代起，各國逐步開展了生態(tài)環(huán)境的調(diào)查、監(jiān)測與評價的研究。發(fā)達國家一般根據(jù)場地和利益相關(guān)者調(diào)查建立可持續(xù)目標(biāo)，將目標(biāo)分解為具體監(jiān)控和評估指標(biāo)，依據(jù)國家規(guī)定或文獻確定修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，再進行具體的規(guī)劃設(shè)計，包括場地生態(tài)環(huán)境調(diào)查、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險評估、功能定位及修復(fù)策略、生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計和后期環(huán)境監(jiān)管等步驟,礦山開采前，必須對當(dāng)時的生態(tài)環(huán)境狀況進行研究并取樣，獲得數(shù)據(jù)并作為采礦過程中以及采礦結(jié)束后復(fù)墾的參照；在采礦權(quán)申請階段，必須同時提供礦區(qū)環(huán)境評估報告和礦山閉坑復(fù)墾環(huán)境恢復(fù)方案，由政府環(huán)境、資源等有關(guān)主管部門共同組織專家論證，舉行各種類型的聽證會，因此生態(tài)擾動監(jiān)測工作一直貫穿于始終，具有特別重要的地位，得到高度重視,作了大量研究，形成了針對不同區(qū)域、采礦方法及地理環(huán)境條件，不同土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的監(jiān)測與評價方法、方案。我國礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)近幾年進展迅速，也開展了大量生態(tài)擾動監(jiān)測研究，某些技術(shù)方法上甚至達到處于國際先進水平，但總體而言，重視程度仍然不夠，圍繞礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的系統(tǒng)、深入、長期的研究仍然不足，關(guān)鍵生態(tài)擾動規(guī)律研究掌握不透。

2.2 監(jiān)測分析方法

我國雖然在礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測方面起步晚，但起點高、實例多、需求大。特別是國務(wù)院辦公廳印發(fā)了生態(tài)擾動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案的通知，促進了礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測發(fā)展迅速，帶來了難得的機遇。但與國外對比還存在很多問題,主要表現(xiàn)在：礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測綜合能力尚需加強，生態(tài)擾動監(jiān)測的內(nèi)容、廣度、頻度、信息發(fā)布需進一步完善，數(shù)據(jù)共享難，尚難完整準(zhǔn)確地對跨區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行大尺度的宏觀綜合監(jiān)測與分析；由于各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點各異,解譯技術(shù)方法的研究尚不系統(tǒng)、完善，如發(fā)達國家更著重于環(huán)境因素的深入定量分析遙感反演，我國在信息獲取和綜合質(zhì)量評價應(yīng)用研究較多；所用裝備及軟件，不少為國外進口，特別是監(jiān)測裝備研究很少，傳感器等監(jiān)測設(shè)備嚴(yán)重依賴進口；圍繞生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的監(jiān)測分析研究仍不足，指導(dǎo)治理工程效果仍有待加強，多源信息重視不夠，數(shù)據(jù)集成和深度分析能力不足，等等。

3 發(fā)展趨勢展望

近年來，我國提出要加快推進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會建設(shè)，并把生態(tài)文明建設(shè)放在了突出地位，礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)得到前所未有的重視；與此同時，國務(wù)院《關(guān)于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案的通知》提出，建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)集成共享機制，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，統(tǒng)一發(fā)布生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息，積極培育生態(tài)環(huán)境監(jiān)測市場；到2020年，全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基本實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、重點污染源、生態(tài)狀況監(jiān)測全覆蓋，各級各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享，監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、信息化能力和保障水平明顯提升，監(jiān)測與監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動，初步建成陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，使生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力與生態(tài)文明建設(shè)要求相適應(yīng)。

特別重要的是，衛(wèi)星通信技術(shù)、空間定位技術(shù)、遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)飛速發(fā)展，所有這些將給礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測帶來新機遇、新要求、新挑戰(zhàn)，將呈現(xiàn)出從單一數(shù)據(jù)源到多源數(shù)據(jù)的協(xié)同觀測、從常規(guī)觀測到應(yīng)急響應(yīng)、從靜態(tài)分析到動態(tài)監(jiān)測、從目視解譯到信息提取的自動化與智能化的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向，無人機、激光雷達、視頻衛(wèi)星等新型對地觀測技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)將得到更多的研究和應(yīng)用，生態(tài)擾動監(jiān)測將與礦區(qū)土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)要求更加緊密，目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向的特點更加凸現(xiàn)。

其近期目標(biāo)是研究衛(wèi)星遙感、無人機監(jiān)測、地面固定及移動觀測、特定觀測點相組合的全景、立體式礦區(qū)生態(tài)擾動協(xié)同獲取理論與方法；運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù),解決從礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測野外數(shù)據(jù)采集到傳輸、存儲、管理、加工處理、共享、分析過程中存在的一系列問題，建立多源多尺度、異構(gòu)異質(zhì)礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測大數(shù)據(jù)融合處理與知識挖掘理論體系，提出從背景、狀態(tài)、格局、過程、異常等不同角度揭示礦區(qū)生態(tài)災(zāi)害的形成演化、臨災(zāi)預(yù)報預(yù)警及控制的理論與方法，構(gòu)建最優(yōu)對地觀測傳感網(wǎng)，將空天地一體化對地觀測傳感網(wǎng)和礦山物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，研究以高性能傳感器為代表的空天地協(xié)同監(jiān)測及智能感知體系。需要在下述方面進行攻關(guān)：

(1) 礦區(qū)特殊地物類型遙感特征變化的采動影響機理，主要包括礦區(qū)典型地物類型多/高光譜特征庫的構(gòu)建方法；礦區(qū)地下水、土壤濕度演變遙感模型與方法；采動影響下礦區(qū)特殊地物類型的遙感特征變化規(guī)律；大氣污染氣體多源遙感反演及評估方法；礦區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的規(guī)模效應(yīng)與時間效應(yīng)等。

(2) 礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測及智能感知體系構(gòu)建，主要包括礦區(qū)地表非線性變形多源探測方法，礦區(qū)不同生態(tài)擾動監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)，礦區(qū)生態(tài)擾動協(xié)同無線觀測傳感網(wǎng)的構(gòu)建方法，礦山時空監(jiān)測基準(zhǔn)、礦山地面生態(tài)擾動監(jiān)測地學(xué)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)整合、監(jiān)測空間數(shù)據(jù)聚類分析、監(jiān)測功能分區(qū)、區(qū)域動態(tài)形變場理論和地學(xué)傳感網(wǎng)地理信息系統(tǒng)模型理論，事件智能感知及多平臺系統(tǒng)耦合技術(shù)等。

(3) 空天地多源數(shù)據(jù)信息協(xié)同處理理論，主要包括礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素空天地協(xié)同觀測模式；多源觀測數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與融合方法；空天地異質(zhì)數(shù)據(jù)在時間、空間、光譜維度的特征描述方法；多源遙感數(shù)據(jù)的一體化融合及同化模型等；集成空天地連續(xù)觀測的多源多尺度信息，借助云計算、人工智能及模型模擬等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的集成分析、信息挖掘。

致謝：胡振琪、吳立新、靳奉祥、范洪冬、譚琨、程琳琳、趙艷玲、肖武、黃翌等老師為本文提供了資料與信息，在此表示衷心感謝。

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(責(zé)任編輯：陳品馨)

Research Progress and Prospect on Ecological Disturbance Monitoring in Mining Area

WANG Yunjia1,2

1. School of Environment Science and Spatial Information,Xuzhou 221116，China; 2. China University of Mining and Technology, NASG Key Laboratory of Land Environment and Disaster Monitoring,Xuzhou 221116，China

Due to the exploitation of resources, serious ecological and environment problem had been aroused in the mining area. Monitoring and analyzing various typical signals and anomalies in the ecological environment of the mining area had become an important basis for environmental protection and ecological restoration. The research progress had been reviewed from such aspects as ground deformation and subsidence, underground coal fire and spontaneous combustion of coal gangue and other ecological disturbance factors monitoring. For the particularity, complexity and highly dynamic of mining subsidence and ecological environment change, the single monitoring method is not enough, integrating the aerospace-borne and ground based integrated earth observation sensor Web and mine Internet of Things, to develop multi-source and multi-scale aerospace-borne and ground based cooperative monitoring and intelligent sensing system for ecological disturbance is the future research focus and direction in mining area.

mining area；ecological disturbance；ground deformation and subsidence；underground mine fire；spontaneous combustion of coal gangue；monitor

The National Natural Science Foundation of China(No. 51574221)； The Non-profit Industry Financial Program of Surveying, Mapping and Geoinformation(No. 201412016)

汪云甲.礦區(qū)生態(tài)擾動監(jiān)測研究進展與展望[J].測繪學(xué)報，2017,46(10)：1705-1716.

10.11947/j.AGCS.2017.20170358.

WANG Yunjia.Research Progress and Prospect on Ecological Disturbance Monitoring in Mining Area[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1705-1716. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170358.

P227

A

1001-1595(2017)10-1705-12

國家自然科學(xué)基金(51574221);測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(201412016)

2017-06-20

修回日期： 2017-09-14

汪云甲(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為國土環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測、室內(nèi)定位系統(tǒng)、礦山測量等。

Author： WANG Yunjia(1960—),male,professor,PhD supervisor,majors in environment and disaster monitoring,indoor positioning system and mining surve-ying.

E-mail： wyj4139@cumt.edn.cn