基于FM-UNet++和高分二号卫星影像的露天矿区范围变化检测

利用遥感和深度学习技术实现露天矿区土地利用变化信息的自动提取对于矿区开采监测、生态环境保护具有重要意义。针对复杂异质矿区场景下土地利用类型的变化,构建新型深度学习模型FM-UNet++,利用高分二号(GF-2)卫星影像实现露天矿区的自动变化检测。首先,通过资料调查和目视解译制作露天矿区变化检测数据集,通过数据增强对其进行扩充;其次,通过在UNet++模型中引入特征增强坐标注意力机制FECA(Feature-enhanced Coordinate Attention)和Mish激活函数构建面向露天矿区变化检测的FM-UNet++模型;最后,训练FM-UNet++及7种对比模型进行露天矿区变化检测实验,并比较不同深度学习模型的检测结果。结果表明：特征增强坐标注意力机制FECA和Mish激活函数均提升了UNet++模型的露天矿区变化检测性能。FM-UNet++模型对露天矿区变化检测的精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1-Score和交并比(IoU)值分别达到95.6%、89.2%、92.3%和85.7%,相较于FCN、PSPNet、Deeplabv3+、LANet、UN...     

基于深度学习的页岩扫描电镜图像有机质孔隙识别与比较

将深度学习模型引入地质图像分析中,可以大幅提高工作效率,增加研究定量化程度,开拓图像研究新领域。本文以上扬子鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩的离子抛光扫描电镜图像为例,通过对图片二值化等预处理后,利用Mask-RCNN、FCN和U-Net 3种深度学习模型对页岩中主要矿物、有机质及孔隙等进行识别,比较运行时间与识别结果的准确度,讨论了不同深度学习模型在地质图像识别和处理过程中的适用性和差异性。并优选效果最优的U-Net模型与JMicroVision、Adobe Photoshop等通用图像处理软件识别结果进行孔隙识别对比。结果显示：FCN模型能够基本识别图像中的主要矿物、有机质与孔隙,但对颜色相近的组分和裂缝识别效果较差;Mask-RCNN模型可识别分割性强的主要矿物,但对分辨率较低的孔隙和裂缝识别效果较差;U-Net模型对主要矿物、有机质及孔隙识别效率大大提高,在页岩地质图像识别方面具有优势。相较于通用图像处理软件,U-Net模型识别速度提高了300多倍。基于深度学习U-Net模型识别结果,研究区牛蹄塘组页岩孔隙结构类型可分为矿物内圆状孔、矿物间随机不规则孔、有机棱角状孔和有机密集微孔。...     

基于极限学习机的GF-2影像分类

遥感图像分类是提取图像有效信息过程中重要的一部分,为了探寻最优的分类方法,许多机器学习算法逐步应用于遥感分类中。极限学习机（extreme learning machine,ELM）以其高效、快速和良好的泛化性能在模式识别领域得到广泛应用。本文采用训练速度快、运算量小的极限学习机算法与支持向量机（support vector machines,SVM）算法和最大似然法进行分类对比,对高分辨率遥感图像进行分类,分析极限学习机算法对于遥感图像分类的准确度等性能。选取吉林省长春市部分区域的GF-2遥感数据,将融合后的影像设置为原始数据,利用3种方法进行分类。研究结果表明,极限学习机算法分类图像总体分类精度达到85%以上,kappa系数达到0.718,与其他分类方法相比分类准确度较高,且极限学习机运行时间比支持向量机运行时间约短2 480 s,约为支持向量机运行时间的1/8,因此具有良好的性能和实用价值。     

利用ETM+数据进行沉积岩区岩性识别

重庆市长寿区位于四川盆地东南缘,为单一沉积岩分布区,其岩石光谱特征复杂,遥感识别难度极大。以2000年成像的ETM+影像数据为信息源,借助ENVI4.5遥感数据处理软件,研究了ETM+影像数据应用于长寿地区三叠系-侏罗系地层岩性识别的最佳波段组合、波段比值、主成分变换等处理技术,探讨了采用最大似然分类法提取了碎屑岩、碳酸盐岩、水体、居民地等信息的有效性。为该区域遥感技术应用提供了一定依据。     

利用ETM+数据进行沉积岩区岩性识别

重庆市长寿区位于四川盆地东南缘,为单一沉积岩分布区,其岩石光谱特征复杂,遥感识别难度极大。以2000年成像的ETM+影像数据为信息源,借助ENVI4.5遥感数据处理软件,研究了ETM+影像数据应用于长寿地区三叠系-侏罗系地层岩性识别的最佳波段组合、波段比值、主成分变换等处理技术,探讨了采用最大似然分类法提取了碎屑岩、碳酸盐岩、水体、居民地等信息的有效性。为该区域遥感技术应用提供了一定依据。     

基于多尺度循环注意力网络的遥感影像场景分类方法

高分辨率遥感影像场景分类一直是遥感领域的研究热点.针对遥感场景对尺度的需求具有多样性的问题,提出了一种基于多尺度循环注意力网络的遥感影像场景分类方法.首先,通过Resnet50提取遥感影像多个尺度的特征,采用注意力机制得到影像不同尺度下的关注区域,对关注区域进行裁剪和缩放并输入到网络.然后,融合原始影像不同尺度的特征及其关注区域的影像特征,输入到全连接层完成分类预测.此分类方法在UC Merced Land-Use和NWPU-RESISC45公开数据集上进行了验证,平均分类精度较基础模型Resnet50分别提升了1.89%和2.70%.结果表明,多尺度循环注意力网络可以进一步提升遥感影像场景分类的精度.      

集成空间变换结构与深度残差网络的遥感影像场景分类方法

针对传统高分辨率遥感影像的场景分类效率较低,以及卷积神经网络在遥感影像场景分类上由于空间不变性而导致的分类精度不高的问题,提出了一种结合空间变换网络和迁移学习的高分辨率遥感影像场景分类算法.首先,利用ImageNet数据集训练深度残差网络ResNet101得到预训练模型,通过知识迁移提高模型目标探测效率;之后在模型中嵌入空间变换结构,使模型能够主动在空间上变换特征映射,提高模型的鲁棒性;最后,在模型中添加Dropout层减小模型出现过拟合的概率.本方法在AID和NWPU-RESISC45两种不同规模的高分遥感影像数据集上进行了验证,在只有20%训练样本的情况下仍达到了94.30%和93.63%的分类精度.实验结果表明本次改进模型具有更好的特征提取能力,针对易误分类场景的分类结果更优.     

喀斯特地区遥感影像解译新算法——支持向量机算法

现行的遥感影像解译方法有监督分类和非监督分类。在监督分类中有平行算法,最小距离算法、最大似然算法等,而支持向量机是监督分类中的一种新的算法。本研究选择贵阳市花溪区小碧乡局部地区为研究对象,采用SPOT数据,分别运用最大似然算法和支持向量机算法对研究区遥感影像进行解译。通过建立混淆矩阵,来计算分类精度和Kappa系数。结果表明:支持向量机具有分类精度高,分类图斑完整等优点;但在时间的消耗上,支持向量机算法要比最大似然算法长。对于这两种算法而言,都存在地物光谱特征明显相异的地物易于区别,光谱相似的地物容易造成错分的现象,然而支持向量机分类精度要比最大似然分类精度高一些。支持向量机对样本数量具有敏感性,样本数量过多将导致运算时间过长。因此在实际运用中应根据实际情况,选择适合的算法。      

集成多时相ETM+影像的证据推理湿地遥感分类

选择黑龙江省扎龙湿地自然保护区作为研究区,开展了基于Dempster-Shafer理论的证据推理方法(ER)湿地遥感空间分类研究,提出了一种针对ETM+多波段遥感影像的计算证据支持度的新算法,利用证据推理方法集成研究区5个时相的ETM+影像。研究表明,证据推理方法能有效集成多时相ETM+影像实现湿地空间分类,其总体分类精度比基于任一单时相影像的最大似然法(MLC)分类精度都高,提高幅度约为2%~12%。     

基于Sentinel-1A雷达数据和Sentinel-2A多光谱数据特征融合的地物分类

基于光学影像受云雨等不良天气的影响,导致在地物分类时易造成数据信息缺失,而雷达影像作为主动式成像,能够较好地克服这一缺陷。笔者选取长春市净月开发区部分地块为研究区域,分别采用最小距离、最大似然和支持向量机3种分类方法,以Sentinel-1A雷达影像和Sentinel-2A多光谱影像为数据源,基于特征融合,提高地物分类精度。结果表明:特征融合后影像的地物分类精度较单一的光学影像有明显提高,且与最小距离和最大似然相比支持向量机分类精度最高。在无云层覆盖的情况下,融合后支持向量机分类精度达到97.94%,较光学影像提高8.11%;在有云层覆盖情况下,融合后支持向量机精度达到77.29%,较光学影像提高12.5%,尤其对水域和建筑区的识别精度有较大提高。     

重建植被视角下露天煤矿区土地复垦演替过程及管控模式研究

重建植被在能量交换与生态循环中发挥着重要作用,其动态变化可表征煤矿区生态系统受扰动和修复的广泛细节。从植被的不同扰动状态(未扰动状态、采煤扰动状态、复垦恢复状态和修复后状态)出发,分析了煤矿区重建植被演替的6种情景:高效恢复至成熟型、低效恢复至成熟型、高效恢复而后退化型、高效恢复发展型、低效恢复发展型与无效恢复型。通过模拟重建植被发展的阶段性特征,将煤矿区土地复垦全生命周期划分为:未复垦期、土地复垦发展期(复垦初期、快速发展期和稳定发展期)和成熟期。再对不同恢复阶段的重建植被分别设置判断标准,提出煤矿区土地复垦关键保护区域的识别思路,据此确立煤矿区土地复垦管控的4种修正模式:生态保育、生态管护、生态修复、生态重建。并以黄土高原山西平朔大型露天煤矿区为研究区开展应用分析,在学习掌握重建植被发展规律基础上,通过判断土地复垦模式与矿区生态系统演变机理的适应性水平,具体落实平朔露天煤矿复垦排土场集群区生态保育、生态管护、生态修复和生态重建等4大修正模式的具体管控措施。本研究归纳了露天煤矿区重建植被动态发展的演替规律,并据此提出加强土地复垦管控的修正模式,可为国家绿色矿山建设提供方法论基础。      

我国露天煤矿水害特征与防治水技术

露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一。与地下开采煤矿类似，露天煤矿在开采过程中同样面临防治水问题，由于我国露天煤矿水害类型相对单一，国内学者鲜有对露天煤矿的水害特征和防治水技术进行深入研究。以我国露天煤矿分布范围为出发点，从充水水源、充水通道、充水强度3方面分析露天煤矿水害特征，得出大气降水、地表水和浅层地下水是主要充水水源；人为开挖形成的直通式通道、强渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂缝等是主要充水通道；季节性变化明显、疏排水周期长、排水量大是露天煤矿疏排水主要水害特征的结论。归纳目前我国露天煤矿常用的7种防治水技术，提出露天煤矿由远及近、由上而下、由面至点的立体防治水技术体系。从地下水资源保护和生态环保角度出发，为实现露天煤矿绿色开采和可持续发展，提出以切断补给通道、减小矿坑疏排水量为目的的帷幕截流技术是今后露天煤矿防治水的主要技术方法。      

新疆荒漠露天矿区生态受损及砾幕层重构方法研究

露天矿开采过程中的岩土剥离、土地压占导致大面积的地表、植被及地下水系被破坏和景观格局的改变,带来一系列生态环境问题。西北荒漠矿区作为我国未来煤炭资源战略的重要接替区,若无针对性的生态修复对策,将会严重威胁到我国国土生态安全。选取西北荒漠区7座典型露天煤矿,采用实地调研与实证研究法、遥感影像法、比较研究法等,从地貌重塑、砾幕层重构、荒漠植被重建3方面进行研究。结果如下:(1)新疆7座露天煤矿均有不同程度的土地扰动情况,白石湖矿区土地压占情况最严重,达到1 190.3 hm²;五彩湾矿区土地占用面积最大,为2 251.0 hm²;将军戈壁土地挖损面积最严重,达到1 007.3 hm²;大南湖矿区裸地面积最多,达到20 164.2 hm²;伊犁露天煤矿周边植被较多,达到343.3 hm²;西黑山矿区周边交通用地最多,达到194.3 hm²。(2)选择最具有代表性的五彩湾露天矿区进行砾幕层研究,其砾幕层面积比例由2000年的60.12%下降到2010年的31.28%,再上升至2017年的42.75%。(3)五彩湾矿区生物量为12.53 g/(m²·a),景观多样性指数为0.219 3,景观优势度为1.780 7,景观均匀度为0.109 7,其生态承载能力较弱,生态体系阻抗干扰能力较差,且区域的生态完整性较低。(4)五彩湾矿区植被覆盖率在2000年至2005年呈现上升趋势,2005年达7.72%,2005年至2015年呈现下降趋势,2015年降至3.89%。总的来说,西北荒漠露天矿区生态受损程度较为严重,应以砾幕层重构为主,采取人工支持引导的方式,提高自然生态修复的速率与效果,使受损生境通过自身主动反馈,走向自发恢复的良性循环。     

Mapping and detection of land use change in a coal mining area using object-based image analysis

Object-based image analysis was used to map land use in the Panxie coal mining area, East China, where long-term underground coal mines have been exploited since the 1980s. A rule-based classification approach was developed for a Pleiades image to identify the desired land use classes, and the same rule-based classification strategies, after the threshold values had been modified slightly, were applied to the Landsat series images. Five land use classes were successfully captured with overall accuracies of between 80 and 94%. The classification approach was validated for its flexibility and robustness. Multitemporal classification results indicated that land use changed considerably in the Panxie coal mining area from 1989 to 2013. The urban, coal and coal gangue, and water areas increased rapidly in line with the growth in mine production. Urban areas increased from 9.38 to 20.92% and showed a tendency to increase around the coal mines. From 1989 to 2013 the coal and coal gangue area increased by 40-fold, from 0.02 to 0.58%. Similarly, the water area increased from 2.77 to 7.84% over this time period, mainly attributable to the spread of waterlogged areas. The waterlogged areas increased to about 2900 ha in 2013, which was about 80 times more than their area in 1989. In contrast, the area of cultivated land was negatively related to the increase in mine production and decreased from 73.11 to 57.25%. The results of this study provide a valuable basis for sustainable land management and environmental planning in the Panxie coal mining area.     

Ecological effects analysis of land use change in coal mining area based on ecosystem service valuing: a case study in Jiawang

Land use change is one of the uppermost driving forces of regional ecosystem change, and has a huge impact on the environmental balance. Mining areas with intensive resources exploitation and utilization have undergone different kinds of environmental influences, such as water pollution and land use cover change. The extensive coal mining in China has led to significant regional land use change resulting in major ecological damage. The objective of this study was to form a clearer picture of the regional ecological environmental situation for promoting ecological protection and improvement by ecosystem service valuing. The case study area was selected at Jiawang town, which has undergone extensive coal mine exploitation for many decades. The study investigated the relationship between land use change and ecological environment, and described the ecosystem service value variations in Jiawang, based on remote sensing and GIS technology. After modification of regional ecosystem service value coefficients, the method was used to evaluate the conditions in the study area from 1990 to 2005 based on the land use/cover information interpreted from TM/ETM+ images. The characters and changes of ecosystem service values were then analyzed both quantitatively and spatially.     

基于高分二号卫星数据的煤矿区地质灾害信息提取研究

随着遥感数据获取技术和能力的全面提高,遥感数据呈现出明显的大数据特征。发展适应于遥感大数据的智能分析和信息挖掘技术,成为当前遥感技术研究的前沿。高分二号（GF-2）卫星数据是我国首颗自主研发的亚米级高分辨率卫星数据,具有观测幅宽、重访周期短、高辐射精度、高定位精度等优势,为未来我国地质灾害的长期、动态地监测和研究提供了高精度、稳定可靠的数据源。本文选取安徽谢桥煤矿2015年1月8日的GF-2卫星影像为研究数据,在对煤矿区主要地质灾害遥感地学分析的基础上,采用面向对象的影像分析方法对研究区由采煤活动所诱发的地质灾害信息进行自动提取。结果表明：利用GF-2卫星数据能够有效地识别地质灾害体的位置、范围、形态等空间分布特征;面向对象的自动提取方法对于煤矿区大面积的积水塌陷盆地、小规模的塌陷坑和线性的地裂缝都有很高的提取精度,识别精度达90% 以上;基于逐层剔除的思路构建的提取规则,为GF-2数据在地质灾害调查和大数据分析中的应用提供了很好的技术支持,也为其它地物目标的提取提供了参考,但在特征的选择和阈值的设定上需要具体分析。     

徐州城市规划区煤矿采空区稳定性评价

徐州城市规划区内由于大规模的煤炭开采,采空区分布面积较广,随着城市建设的发展,土地资源日益紧张,煤矿采空区土地成为煤矿区可持续发展的重要自然资源。开展采空区稳定性评价,是煤矿采空区土地利用的前提。本文针对徐州城市规划区内大面积的煤矿采空区,建立了采空区稳定性评价指标体系,采用敏感因子—一般因子评价模型对采空区稳定性进行综合评定,最终划分出不稳定区、基本稳定区和稳定区。     

丛枝菌根真菌与沙棘对露天矿排土场的联合改良效应

我国东部草原露天矿区土壤瘠薄,草场退化严重,生态恢复难度大。针对露天矿排土场的特殊环境,研究丛枝菌根真菌与沙棘的共生状况以及菌根对沙棘根系发育的影响和对排土场土壤的改良效应。试验发现,接菌组(+M)沙棘的株高和冠幅比对照组处理(CK)分别提高了20%和21%,+M的根长和根体积分别为CK的1.46倍和1.97倍;+M中沙棘根际土中的易提取球囊霉素含量为3.22 mg/g,显著高于CK的2.16 mg/g;+M的磷酸酶活性是CK的1.76倍,速效磷含量也有相似变化规律。研究结果表明,利用微生物促进露天矿排土场的土壤改良及生态恢复具有较强的可行性,对矿区生态系统的恢复具有重要意义。      

长江经济带江苏段废弃露天矿山分布与生态修复遥感调查研究

江苏省长江沿岸废弃矿山修复治理是长江经济带生态修复的关键节点区域,如何快速、直观地获得区域内废弃矿山的分布和修复工程进展,成为长江经济带废弃矿山生态修复工程的重要工作之一。以江苏长江干流两岸10?km范围为研究区,以2017—2020?年4?期高分辨率遥感影像为数据源,采用ArcGIS平台人机交互解译和野外验证的方式,获取了研究区内露天废弃矿山分布情况、地质环境问题和生态修复情况等信息。结果表明:镇江市和南京市需修复面积较大,区内露天废弃矿山主要表现为矿山的采场和中转场地两类占地,涉及矿种以建筑石料用灰岩和建筑用砂矿为主;存在的主要矿山环境问题有地形地貌破坏、矿山地质灾害、矿区生态环境破坏和水土污染等;2018—2020 年研究区已修复面积和正在修复面积均呈上升趋势,截至2020 年10 月,研究区废弃矿山修复效果良好,修复面积占67.08%;主要生态修复措施有自然恢复、客土回填、土地平整、削坡、土地综合治理等。建议在进行修复治理工程时,最大限度地保护矿区原有地貌,充分利用土地资源。调查结果和建议可为同类型地区露天废弃矿山生态修复治理提供技术参考。     

露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析

露天煤矿开采过程中的矿坑疏排水是引起地下水资源流失的重要原因,寻求新的控水方法势在必行。以内蒙古赤峰市元宝山露天煤矿为研究对象,根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征,分析了露天开采驱动下帷幕墙体建设对地下水系统控制的基本原理,得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是帷幕墙减少露天采坑涌水的基本思路。将露天采矿疏排水与地下水系统数值仿真研究结合,对露天煤矿开采与帷幕墙建设对矿坑疏排水强度影响程度进行预测分析,模拟结果显示,采用针对主要涌水段的局部帷幕工程方案,地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心,区域流场形态基本未发生重大变化,在未帷幕区段地下水发生了强烈的侧向绕流现象,初期(300 d)矿坑残余涌水量较之现有矿坑排水量最大减幅 37.16%,而残余涌水量随时间增大趋势明显。按准全封闭型帷幕方案建墙后,地下水基本未发生绕流现象,矿井残余涌水量为先减小后增大的趋势,最大减幅达85.79%,且后期涌水量增加幅度不大,可见准封闭型帷幕建设方案较之局部帷幕方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。通过分析露天煤矿开采侧向帷幕控水规律,构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型,评价帷幕截水减排效果,以期为露天矿区煤–水资源协调开发提供科学依据。