基于高分二号卫星影像高潜水位煤矿区沉陷地土壤含水量监测

高潜水位地区煤炭开采破坏导致地表沉陷出现积水和斜坡,沉陷内土壤含水量会分布不均匀,影响农作物的生长,从而严重影响矿区居民的生产和生活。因此大范围快速、精确监测高潜水位地区煤矿开采区的土壤含水量具有重要现实意义。卫星遥感技术可以快速、准确、高效监测矿区土壤含水量。通过遥感手段对高潜水位采煤塌陷地土壤含水量进行监测,探求出一个比较方便、快速、合理监测高潜水位采煤塌陷地土壤含水量分布状况方法,为矿区环境影响评价、农作物估产、破坏等级评价、耕地损害补偿与土地复垦方案的编制提供参考依据。借鉴土壤含水量遥感监测经验,通过野外实地采集土壤样本并测量土壤光谱数据,在室内测量土壤含水量,分析实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系,结合实测的土壤含水量与光谱特征数据,对土壤含水量与实测水体光谱进行相关性分析,得到土壤含水量光谱数据敏感波段范围。结合高分二号卫星影像谱段数据特点,将实测光谱波长按照波段范围划分为与高分二号卫星影像谱段对应的4个波段,即450~520,520~590,630~690,770~890 nm,再取各个波段范围反射率的平均值与土壤含水量光谱反射率进行相关性分析,寻求高分二号卫星影像监测土壤含水量最敏感的波段数据,在确定遥感探测敏感波段的基础上,建立了土壤含水量与光谱反射率的遥感反演模型,即:S曲线模型、逆函数模型,基于预处理的高分二号卫星影像进行沉陷区地土壤含水量遥感反演,从而得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量的空间分布情况。研究结果表明不同土壤含水量的光谱特征基本相似,实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系为土壤光谱反射率随着波长的增长而增大,呈正相关关系;土壤含水量与高分二号卫星影像数据B3波段的反射率具有显著的负相关关系,可将B3波段作为监测土壤含水量最敏感的波段;通过对S曲线模型、逆函数模型进行分析与检验,S曲线模型比逆函数模型更接近实测值;基于高分二号遥感影像,利用S曲线模型进行遥感反演,可以迅速得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量空间等级分布图。     

煤矿区水域煤粉浓度遥感反演模型实验研究

遥感是目前水质环境监测的重要方法,其中水体悬浮物的监测主要针对泥沙成分进行,而针对矿区水域煤粉含量的监测研究较少。文中利用便携式光谱仪测试了不同煤粉浓度水样的可见光-近红外光谱,分析了光谱特征与煤粉浓度之间的关系,发现煤粉含量对水的光谱反射率有很大影响,即随着煤粉浓度的增大,水的光谱反射率逐渐减小;不同煤粉浓度的水样均在740 nm波段处存在光谱吸收特征,且吸收深度与煤粉含量存在密切关系。基于此,建立了光谱吸收指数(SAI)与煤粉浓度之间的线性模型,以此作为水体煤粉浓度的遥感反演模型。模型验证结果表明,煤粉浓度在200~700 mg/L,模型具有较高的反演精度,其相对误差平均为6.3%。研究结果为煤矿区水质监测提供了新的思路。     

基于TM数据的土壤含水率反演研究

文中采用TM数据,根据水的吸收率曲线,使用中红外波段来监测土壤含水率。以神府东胜矿区为例,回归分析TM第5波段(1.55-1.75μm)图像灰度值、反射率与地表土壤含水率之间的关系。结果表明:图像灰度值、反射率与地表土壤含水率之间存在显著的负线性相关关系。因此认为使用TM数据进行区域土壤含水率监测是可行的。     

鞍山式铁尾矿区土壤重金属含量高光谱反演

土壤中的铜浓度占比过高会对人体和环境造成一定的危害,因此探讨重金属铜含量反演具有重要意义。本研究以唐山典型铁尾矿区43个土壤样品为例,同时测定土壤中铜的反射光谱和含量信息,经多种波谱变换后,通过相关性分析法（CA）和连续投影法（SPA）进行土壤铜含量的特征波段选取,然后利用多元线性回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLSR)算法建立了铜含量的反演模型,得到多种光谱数据的反演成效。结果显示：二阶微分处理后的光谱数据,其反演效果较好,CA-PLSR和SPA-MLR两种反演模型中,SPA-MLR的反演精度相对较准确;二阶微分光谱变换后的SPA-MLR模型在估算土壤铜含量方面更有优势。     

利用无人机遥感反演高潜水位矿区沉陷地玉米叶绿素含量

有效识别采煤沉陷耕地损毁程度、面积及空间分布信息是矿区沉陷土地复垦、赔偿的客观需求。农作物受损后叶片叶绿素是很好的指示性指标,针对高潜水位矿区开采沉陷导致地面积水所引起的农作物渍害影响,基于无人机多光谱影像,在传统植被指数的基础上引入红边波段进行扩展,改进了现有的植被指数,结合田间同步实测叶绿素数据,采用经验模型法分别构建了单变量和多变量叶绿素反演模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和估测精度(EA)3 个指标筛选出最佳模型。最终构建了多元线性回归MVI(red-edge),GNDVI,NDVI的叶片叶绿素定量反演模型,并采用野外对照区域样本对反演结果进行精度验证。结果显示:相对传统植被指数,引入红边后植被指数与叶片叶绿素的相关性得到显著增强,采用上述方法构建的多元线性回归模型的决定系数普遍提高010~020,达到了073,均方根误差降低了011~198,为0938 SPAD,估测精度EA最终可达到834%,说明红边波段对采煤沉陷区作物的叶绿素响应敏感,引入红边波段构建叶绿素反演模型,可以应用于采煤沉陷影响下的玉米叶片叶绿素无人机遥感反演。结果显示:采煤沉陷盆地内玉米叶绿素含量主要集中于52~61 SPAD,面积占整体的751%,叶绿素含量在9~52 SPAD的作物面积占57%,玉米整体长势受采煤扰动影响较严重,叶绿素含量呈现从沉陷盆地边缘往中心逐渐降低的趋势。该研究为土地损毁监测与评价,土地复垦与生态修复等提供基础数据与理论支撑。     

颗粒度对高品位赤铁矿可见光—近红外光谱的影响研究

岩矿的反射光谱是进行岩矿分类与定量分析的重要依据,而颗粒度是影响光谱反射率的关键因素之 一,探究不同颗粒度对岩矿反射光谱的影响至关重要。 为了揭示颗粒度对赤铁矿反射光谱的影响规律,以巴西高品 位赤铁矿为研究对象,利用 SVC HR-1024 光谱仪对不同颗粒度的样品进行可见光—近红外光谱测试,分析了赤铁矿 样品的光谱反射率随着颗粒度的变化规律。 研究表明:0. 07 ~ 3. 00 mm 颗粒度范围内赤铁矿样品的光谱反射率随着 颗粒度变化较小,且无明显规律;颗粒度为 0. 04~ 0. 07 mm 时,颗粒度对于光谱的影响主要体现在 1 000 ~ 2 500 nm 范 围的近红外波段,颗粒度与反射率呈负相关关系;当颗粒度<0. 04 mm 时,样品光谱反射率发生突然性升高,在红光波 段(620~ 760 nm)的反射峰突显,使得样品呈现明显的砖红色,同时在 850 ~ 1 200 nm 波段。 光谱曲线出现陡边,反射 率增加加快。 试验结果很好地解释了赤铁矿在块状呈现钢灰色而在粉末状呈现红色的原因,同时也为提高铁矿遥感 分类和定量反演精度提供了参考。     

露天矿区植被协同演变多源数据时序分析 ——以准格尔矿区为例

为揭示露天煤矿排土场复垦区人工植被与矿区外围未扰动的原始植被间的协同演变规律,研究基于Landsat TM/OLI与MODIS卫星遥感数据,结合气象台站观测数据,采用一元线性回归法,分析准格尔矿区1988—2020年的归一化植被指数(NDVI)与植被覆盖度的时序变化,对Landsat卫星热红外波段数据反演得到准格尔矿区...     

基于多光谱遥感的矿区积水区水深反演

采煤沉陷区积水会严重影响到矿区周围的生态环境和生产工作,为定量获取淮南潘一矿沉陷区的积 水深度,基于多光谱遥感数据对沉陷区积水深度的反演方法进行了研究。首先选择两期 Landsat 5 卫星遥感影像进 行辐射定标和积水区水体提取等预处理;然后基于像元绝对辐射亮度值与 2005 年研究区水深实测值,分别选取单 波段模型、双波段比值模型进行建模分析,在此基础上,选择拟合优度最高的影响因子建立多波段模型并进行模型 改进;最后将 2010 年反演结果与矿区沉陷预测预报系统（MSPS）软件计算的水深值进行对比分析。结果表明：改进 后的水深反演模型拟合优度达到 0.9 以上,且 2005 年潘一矿沉陷区积水深度反演值与实测值相比平均绝对误差为 0.21 m,平均相对误差为 10.92%;2010 年该区域水深反演值与预计值的平均绝对误差为 0.63 m,平均相对误差为 15.24%,二者差值呈正态分布,可以达到相互验证的目的。研究表明：利用多光谱遥感影像可以得到精度较高（误 差在分米级）的水深反演模型,在一定程度上满足工程需求,可以为矿区生态环境治理和评价提供可靠依据。     

GIS支持下的矿区土壤含水量遥感反演及变化规律

遥感方法可以开展大范围土壤含水率的连续监测,其技术关键是建立土壤含水率的遥感信息模型.针对矿区采动影响特征,提出了应用归一化植被指数NDVI=0.3作为判别高、低植被覆盖条件的阈值;裸地或低植被覆盖条件(NDVI≤0.3)采用基于热惯量理论的表现热惯量法(ATI)、高植被覆盖条件(NDVI＞0.3)采用作物供水指数法(VSWI)来反演土壤含水量.并根据采后"三带"高度和植被覆盖情况,将矿区分为6种不同的研究区域,提出应用MODIS数据和TM/ETM 数据定量反演矿区土壤含水量,进一步提出了在GIS支持下,由非采煤区推算采煤区采矿前的土壤含水量以及分析采矿前后土壤含水量变化规律的理论和方法.     

分数阶微分在高光谱数据估算矿区土壤砷含量中的应用

分数阶微积分将整数微积分的概念推广到分数阶。以准东煤田五彩湾矿区为研究区,测定土壤样本的砷含量及光谱反射率。对土壤光谱、均方根、倒数、对数变换进行对应的0~2阶(间隔0.2阶)微分处理,利用偏最小二乘回归进行建模,并比较不同模型的反演效果。结果表明：均方根变换1.8阶微分数据所建立的模型,RMSEC=1.996,R_2C=0.821,RMSEP=1.973,R_2P=0.890,RPD=2.367为最优模型,能较好的预测土壤砷含量。该结果可为分数阶微分在高光谱遥感监测土壤重金属污染中的应用提供参考。     

准东煤田土壤汞含量的高光谱反演

本文对新疆准东煤田进行实地的野外调查并采集土壤样品,在室内测定风干后的土壤样品光谱反射率,经处理后分析土壤光谱和土壤重金属汞含量的相关性,运用逐步多元线性回归法建立土壤汞含量高光谱估算模型,并由均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)检验模型的预测能力和稳定性。结果表明:逐步多元线性回归法建立的模型适合于准东煤田土壤汞含量高光谱估算。其中反射率一阶微分光谱是估算土壤汞含量较好的指标,估算R2为0.93、RMSEP为0.036。研究发现可以通过各种光谱预处理方法提高土壤汞含量的估算精度,从而为研究区生态环境的恢复和评价提供依据。     

煤矿复垦重构土壤呼吸季节变化特征及其环境影响因子

为了研究采煤沉陷地复垦生态系统土壤呼吸季节特征,探讨各主要环境影响因子对土壤呼吸的影响,利用Li-8100A自动土壤碳通量系统,测定潘一矿复垦区不同季节土壤呼吸速率,同时测定土壤温度、大气温度等环境影响因子。结果表明:1在季节尺度上土壤温度(10 cm)、大气温度和土壤含水率(10 cm)与土壤呼吸速率呈显著正相关。2土壤呼吸速率在日间呈单峰曲线型变化,土壤呼吸速率观测最大值出现在12:00—14:00,观测最小值出现在8:00和18:00两个时间点。土壤呼吸速率均表现出明显的季节变化特征,不同季节具有显著差异。与正常农田观测点数据对比知,大气温度和相对湿度差异不大,土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水率平均值略高于复垦区土壤观测点数据。3潘一矿复垦区重构土壤呼吸的Q10值为1.94,低于暖温带Q10平均值,低于中国土壤呼吸Q10平均值和农田生态系统的Q10平均值。研究结果初步阐明煤矿复垦区重构土壤呼吸的季节变化特征。     

钼蓝光度法测定高纯氧化铋中微量硅

采用氢溴酸直接分解高纯氧化铋试样,并使铋生成易挥发的溴化铋除去,从而消除了铋对测定硅的干扰,硅以钼蓝光度法测定。其最大吸收波长为810nm,表观摩尔吸光系数为2 12×104L·mol-1·cm-1,二氧化硅在0～60μg/50mL范围内符合比耳定律。该方法用于高纯氧化铋中微量硅的测定,获得满意结果,适用于高纯氧化铋中0 001%～0 01%SiO2的测定,其RSD为1 50%～6 94%、回收率为96 00%～105 10%。     

覆土厚度对煤矸石充填重构土壤活性有机碳分布的影响

按照不同覆土厚度将研究区分为A(＞100 cm),B(60~100 cm),C(40~60 cm)和D(20~40 cm)4类采样区,分别采集重构土壤剖面不同深度土壤或煤矸石样品,测定其含水量(WC)、pH值、密度(BD),以及有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC),研究覆土厚度对活性有机碳(AOC)分布的影响。结果表明：复垦5 a后,试验区0~20 cm土壤层SOC含量增加0.48 g/kg,DOC平均含量为46.86 mg/kg,MBC平均含量为46.09 mg/kg。与其他类型重构土壤相比,研究区有机碳库的恢复进度较慢,这主要受制于区域土壤性质和复垦地的土地利用方式。研究区相同土壤层的SOC含量大小关系为A＞B＞C＞D,也即随覆土厚度增加,煤矸石充填重构土壤SOC含量也相应增加。采样区B和C的 0~20 cm土壤层MBC含量相对较高,说明覆土厚度过薄或过厚,均不利于表层土壤MBC的积累;采样区D的煤矸石层DOC含量高达97.90 mg/kg,表层土壤中含量也达到64.80 mg/kg,均高于其他采样小区,说明覆土厚度较薄时,上覆土壤DOC含量很可能受到煤矸石层的影响。煤矸石层的qMBC值不能准确反映重构土壤肥力质量,而上覆土壤的肥力质量和SOC,我们可以用MBC来表征或预测。MBC与重构土壤pH值、BD呈极显著负相关(p＜0.01)、与WC呈显著正相关关系(p＜0.05),而SOC和DOC与上述土壤理化性质的关系却与之相反。     

基于BP神经网络PID的液压支架初撑力自适应控制

液压支架初撑力对顶板的控制具有重要作用,采用三位四通手动操纵阀的开环控制或两位三通电磁换向阀的先导控制,很难使初撑力达到设定值并保持稳定,即使达到设定值也存在压力降和波动现象。基于此,建立了立柱电液力控制系统数学模型,利用MATLAB分析了系统的稳定性,得到系统的Pole-Zero图右半S平面不存在开环零点和极点,系统为最小相位系统;Nyquist图逆时针绕（-1,j0）的圈数为0,系统相位裕度为941°,幅值裕度为107 dB,系统稳定;阶跃响应115 s趋于稳定,脉冲响应90 s趋于稳定。提出了基于BP神经网络的PID初撑力自适应控制方法,并建立了三层神经网络控制模型,误差控制采用二次型性能指标;采用有监督的Hebb学习规则和梯度下降法对输出层和隐含层的权值系数进行更新,经训练得到PID控制器的三个控制参数。仿真结果表明:期望输入为阶跃信号时,立柱达到初撑力并稳定需要约885 s,期望输入为方波信号时,立柱达到初撑力并稳定需要约91 s,相比没有采用BP神经网络PID控制,其响应时间提高了约13倍。     

钛负载纳米银电极去除水中PFOA与PFOS

针对全氟和多氟化合物（per and polyfluoroalkyl substances，PFASs）中的全氟辛酸（perfluorooctanoic acid，PFOA）和全氟辛烷磺酸（perfluorooctane sulfonate，PFOS）难以自然降解且传统方法并不能有效去除的问题，本研究通过电化学氧化法对全氟化合物进行处理研究。采用电沉积方法制备钛负载纳米银极板，并分别探究极板材料、反应时间、pH值、电流密度等因素对水中PFOA与PFOS去除效果的影响。结果表明:钛板表面负载银后，腐蚀电位提高了0.2 V，抗腐蚀能力显著提高；在pH值为7、反应时间为60 min、电流密度为25 mA/cm2时，PFOA与PFOS的去除率分别为92.7%和94.0%。     

煤基复合絮凝剂对高浊度高矿化度矿井水的絮凝效果研究

煤矿分布式地下水库在神东地区应用取得显著成果，宁东地区已开始论证其可行性，但宁东地区矿井水多为高浊度高矿化度矿井水，需要对水库入水进行预处理。本文采用以粉煤灰为原料，通过与聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）、壳聚糖混合得到处理高浊度高矿化度矿井水的絮凝剂，试验对比了粉煤灰基复合絮凝剂和未加粉煤灰絮凝剂的絮凝效果，并探究了粉煤灰基絮凝剂的影响因素，确定了最佳投加量和试验条件。实验结果表明:① 5个处理组中对矿井水的处理效果依次是:PAM+PAC+壳聚糖+粉煤灰>PAM+PAC+壳聚糖>PAM+PAC>PAM>PAC；② 粉煤灰基复合絮凝剂的最佳絮凝条件为温度25℃、pH值7、搅拌强度220 r/min、搅拌时间20 min；③ 在最佳条件下，复合絮凝剂对矿化度、悬浮物、钙离子、总硬度和硫酸根的去除率分别为1216%、9804%、8057%、7786%和9544%；④ 粉煤灰基复合絮凝剂作为地下水库处理高浊度高矿化度矿井水预处理絮凝剂是可行的。本研究为地下水库进水的絮凝等预处理提供理论依据和技术支撑。     

基于粉煤灰基质充填覆土复垦的最佳覆土厚度

为研究粉煤灰充填复垦地种植农作物的经济产量达到最优时的最佳覆土厚度,选择淮南上窑粉煤灰场复垦地为研究对象,选取不同厚度覆土（A：<40 cm;B：40~55 cm;C：55~70 cm;D：>70 cm）的地块采样监测冬小麦的经济产量、根长密度、土壤含水量、土壤pH、土壤N,P,K营养元素含量等指标。实验结果表明：有利于冬小麦生长并得到最佳产量的适宜覆土厚度为55~70 cm,其土壤pH为8.15,N,P,K含量分别为6.272,26.253,143.76 mg/kg。综合评价结果表明该地块的表土具有较好的营养能力,土壤质量较好。