矿山遥感调查的理论及方法研究
第一章绪论
矿产资源是国家经济发展的基础，也是国防安全的基础。矿产资源是国家综合实力的体现，还是现代国际政治生活中的一个重要问题。我国矿产资源开发管理秩序长期存在以下问题：一是无证采矿，非法采矿。危害严重，影响恶劣。抢夺资源，纠纷不断；二是边探（矿）边釆（矿，以采（矿）代探（矿）。以勘探的名义从事非法釆矿活动，严重破坏浪费资源；三是越权发证，违法处置。不依法定程序办事，审批把关不严；四是乱釆滥挖，损坏资源。对共伴生矿产资源不综合利用；五是重（视）采轻（视）治，破坏环境。造成矿区耕地林地破坏，污染地表水体，甚至导致地面塌陷、地裂缝和滑坡等地质灾害⑴。多年矿山遥感多目标工程实践表明现代空间信息技术在整顿矿产资源开发中的各类违法违规行为，规范矿产资源开发活动，建立和维护良好的矿产资源开发秩序;中具有全面、客观、及时和不受地理环境条件限制等优势。
从自然地质地貌景观演替过程看：当前矿山开采的人类活动是陆地表层演化过程的主要动力因子之一，他加剧地表景观格局的变化与再造，与自然资源保障与生态环境建设密切相关；从经济发展角度看：矿产资源开发秩序影响着国民经济的稳定可持续发展、各种经济利益的分配；从区域可持续发展看：需要将人口、资源、环境与发展作为一个整体研究，使域经济效益、资源效益、环境效益和人民生活质量提高等方面之间有机结合，协调发展。需要加强矿山生态文明建设，尽量较少无序的矿产资源开采对生态环境的破坏。本论文立足实际应用，以求建立我国矿山遥感调査理论、方法，探究矿山这个与众不同的地理单元的资源环境与可持续发展问题。
1.1研究背景与意义
1.1.1研究背景
我国是一个矿业大国，也是最大的发展中国家，处在以开发利用矿产资源为主要特征的工业化进程中，20世纪80年代后期，我国国民经济持续稳定的增长消耗人量的矿产资源，矿产资源开发秩序一度比较混乱、矿山环境破坏十分严重。为此国务院以国发33号发布了国务院对于整顿矿业秩序维护国家对矿产资源所有权的通知;。2003年6月3日，最高人民法院公布《对于审理非法采矿、破坏性采矿刑事案件具体应用法律若干问题的解释》。特别是2005年《国务院对于全面整顿和规范矿产资源开发秩序的通知》要求，力争用两年左右的时间使无证勘査、开采、乱采滥挖、浪费破坏矿产资源、严重污染环境等违法行为得到全面遏制：越界开采、非法转让探矿权和采矿权等违法行为得到全面清理，违法案件得到及时査处；矿山安全事故及破坏生态环境现象明显减少；矿山布局不合理的状况得到明显改善，矿产资源开发利用规模化、集约化程度明显提高；基层监管到位，投资环境改善，矿产资源管理加强，从而基本建立依法、有序的矿产资源开发正常秩序。
1.2国内外矿山开发遥感调查研究现状
所谓矿山开发指的就是人类对矿产资源的勘察开发利用，在进行勘察与采掘时会在地表形成众多的影响，在图像上也会形成直接与间接标志。遥感图像信息的获取就是接受直接作用人的感官刺激信息。图像认知过程是对感官刺激信息的编码过程，就是将图像感官的形式信息转换为基地学理论的知识信息，以利于信息的存、提取和使。矿山地学目标在遥感图像上的光谱、图形、纹理、结构等信息都会在人体的知觉、表象、想象、记忆、思维等认知活动中形成基于矿山地学知识的相应的信息编码方式。通对这些信息的加工与综合，就逐渐积累成图像识别标志及图像理解的推理认知系统。矿山幵开发问题的图像识别需要在图像识别理论的基础上结合矿山开采实际过程，建立具有针对性的图像识别理论与模式。
1.2.1图像识别理论
1.传统的模式识别理论
模板匹配模式虽可以解释人的某些模式识别，但它难以解释人们为什么能够迅速识别一个新的、不熟悉的模式这类事实。原型匹配模型的优势在于它不仅可以减轻记忆的负担，而且能也使人的模式识别更加灵活，更能适应环境的变化。特征分析模式是我们地学分析中常用的模式，这三种模式也是后面将重点讨论的自下而上分析地学问题经常采用的三种模式。傅里叶模式是把我们在真实世界看到的空间域图像变换到频率域，从而可发现原来在真实世界看不到的许多特征，并根据这些特征进行分析与识别。结构描述模式主要利用图像各部分或特性之间的关系（包含、邻接、方向、距离等等）识别地物。
2.现代模式识别理论
随着认知心理学自身的发展，认知心理学对于模式识别的研究取得了重大进展。视觉计算理论，注意的特征整合理论，成分识别理论，相互作用激活理论是麦克利兰和鲁姆尔哈特于1981年提出，该理论在矿山目标的识别实践中有较为重要的意义。以及拓扑视觉理论。
1.2.2矿山环境遥感调查理论与方法问题
《矿山地质环境保护规定》（2009-44号令）规定了地质环境问题的范围及治理要求。因矿产资源勘查幵采等活动造成矿区地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡，含水层破坏，地形地貌景观破坏等的预防和治理恢复，适用本规定。开釆矿产资源涉及土地复垦的，依照国家关于土地复垦的法律法规执行。但生态问题、矿山水体破坏问题又缺乏相关依据，这是行政管理上的缺陷。从矿山环境问题发生学上看，矿山环境问题是由矿山地质环境的变化引起的，是一个系统的灾害链问题，本文从地球系统科学出发讨论矿山环境问题及其遥感调查与监测方法问题。
第二章矿山目标遥感图像认知理论
在图像信息认知理论指导下，从矿产资源产出的地质背景条件、矿山开采活动的系统性和整体性出发，建立基于创新的知识体系的不同类型矿山目标图像标记理论。基于图像地学信息转换理论，构建矿山遥感区域地质地貌图像结构格架、含矿地层与含岩体的图像标记属性和综合性图像标志，以解决矿山目标在大区域尺度的空间定位问题；构建矿山具体目标（包括矿山幵釆面、同体废弃物、矿山道路、矿山建筑物类型和选矿设备及尾矿库等）的空间结构要素及其地质地理环境组合信息的图像标记和综合识别标志。对山目标的空间定位、采矿权属边界复核及行政执法具有指导意义。
2.1遥感图像的认知理论与矿山目标识别
遥感图像的认知过程是指运用矿山目标的知识系统研究遥感图像矿山特征信息识别标志的认知过程。认知心理学将认知过程看成是由信息的获取、编码、存、提取和使用的连续认知操作所组成的信息加工认知程序系统对遥感图像的矿山目标认识过程而言，实质上就是对矿山目标的图像信息的认知综合与信息加工过程。通过对图像要素的地学信息编码，遥感图像特性就可以转换为地学目标的物质形象、属性语义或空间结构等形式的图像结构信息，再将遥感图像的构象特征与遥感成像机理转化为对地学客观目标的心理表征，即遥感图像的地学表征信息。矿山图像认知理论研究的核心就是建立图像的知识标记和基丁矿山知识系统的语义化属性表述体系。这一认知过程实质上就是图像感官剌激信息在人脑中的信息加过程。
矿山遥感图像认知理论研究也可以看作是图像视觉过程的研究，但本节所论述的图像认知过程不同丁计算机认知模？？丨或机器人视觉系统的研究。基丁图像特征识别的视觉感知过程也属丁图像模式识别的一部分，但我们强调的是人的感官识别过程，即基于人脑思维能力的模式识别能力和对图像的分类能力。
2.1.1遥感图像知觉的产生与图像识别
矿山多目标遥感程的主要的之一就是对矿山地物目标进行识别，遥感图像上不同地物目标的光谱色调差异的存在是图像知觉形成的必要条件。只有当被识别的矿山目标与所在区域背景之间存在一定影像色调差异时才可形成矿山图像标志，进行矿山地学目标的图像解译（梅安新等，2001）。对矿山地学目标的图像理解是一个基于知识的认知过程，矿山目标图像标志的建立是从个别到一般的认知过程，遥感图像的地学解译则是从一般到个别的图像认知过程。
因此，矿山遥感图像解译的认知理论基础，就是对遥感图像的矿山目标实体与区域成矿地质背景的空间关系的认知过程，也可以先获取整体认识，然后再识别个体目标，如首先确定区域成矿构造格架，然后再具体解析某一控矿、含矿部位，即完成从宏观大区域整体到微观局部的一个空间分析认知过程。在矿山开发和矿山环境目标的识别中，也需要从区域成矿背景、矿体有利赋存部位和开釆历史过程信息中发现开采点和环境破坏点入手，具体开采点上的建筑物、开采面和废弃物堆放点等组成要素的配置、分布则需要采矿学理论的支撑完成。知觉者的经验显然有助于引导他去关注刺激的特定方向，也会促进他获取;更多的信息。
2.2矿山目标的自上而下认知过程与矿山目标识别
矿产资源空间分布不均衡，有的地方富集，有的地方缺乏。在确实没有矿产资源的地方，就不可能创造出一个矿山，也就没有矿山目标识别可言。这就是地理学上所谓的无此必不然;原理在矿山目标识别中的体现。在对矿山开发相关地物进行识别时，必须将矿山识别目标与区域地质地理环境联系起来，形成更多的知觉，进行综合分析，探索专题目标发生、发展和空间分布规律，找出事物成因内在联系，建立矿山开采目标识别的局部概念模型。
2.2.1概念驱动（区域构造单元）加工与目标识别的初始分析
现代边缘成矿理论表明，内生成矿作用在空间上经常产生于各类地质构造单元的边缘部位以及构造变异部位、重要的矿产资源空间上主要分布于不同板块结合带，时间上一般与地质构造运动时间密切相关。据研究我国的主要成矿区带可划分为：西南三江成矿带、雅鲁藏布江成矿带、天山成矿带、南岭成矿带、大兴安岭成矿带、阿尔泰成矿带、西运企一阿尔金成矿带、北山成矿带、秦岭成矿带、川滇龄相邻成矿区、晋冀铁矿成矿区、豫两成矿区、湘西一鄂两成矿带、辽东一吉南成矿带、长江中下游成矿带和武夷成矿带等个成矿区带。16个成矿区带构成了我国的主要金属矿产的集聚区，也是主要的矿产资源违规开采多发区域。
鄂东南地区可供开发利用的金属矿产有铁、铜、金、银、鹤、银等，非金属矿产有膨润土、水泥用灰岩、培剂用灰岩等，能源矿产主要有煤。矿产资源分布点多面广，矿产地相对集中，矿床规模以中、小型为主。微观上与岩架岩关于的占90%，这些矿产沿着六大侵入体;接触带和小岩体出露区分布，并相对集中于铁山、铜绿山、金山店、灵乡、铜山口、鸡笼山、丰山等地。与二叠系和三叠系地层关于的矿床、矿点数占10%，以非金属矿和能源矿产为主，分布于黄石市各地，相对集中于黄荆山、韦源口、龙港、洋港、三溪口等地。
因此，矿山目标识别时宏观定位上与成矿单元相关，成矿区带的确定为矿山目标的识别、目标语义属性确定提供了初始条件。
2.2.2赋矿影像地层标记信息与目标微观定位识别
矿产资源的形成与一定地质时期、一定大地构造环境相关，其赋存现实与区域构造地貌的形成与演变密切相关。自然地物、地貌在空间上都具有一定位置，如声華一般生长在河湖沼泽地，红柳则生在沙漠，河漫滩和阶地按照海拔高程有序分布丁河谷两侧。湖北符憐矿基本沿震口系卜部分布，煤矿产自魯纪、晚二脊世含煤地层。在人机交互解華的环境卜如何快速、准确识别地表景观改变是釆矿活动引起的，而不是其他活动导致的，需要 地质学、矿床学、采矿学的知识指导。
湖北将绝人部分重点成矿带与矿集区位湖北的内部，地形切强烈，矿产资源开发规模较小，各类矿山开发利用的影像空间特征和光谱特征较弱，矿产资源开发及矿种类项难以确定。赋矿地戾影像信息为此提供了最为直接的理论依据，矿山开采标识别需将遥感影像、地理地质资料、矿产资源规划数据咎加，区分矿山开发与非矿山幵发活动造成的地表景观改变。
第三章矿山目标图像识别机理及方法研究.......30
3.1矿山目标的图像识别机理特征......30
3.1.1目标的图像光谱特征.......30
3.1.2目标的图像形态特征......33
第四章矿山开采环境效应综合研究......56
4.1矿业活动环境效应及分异性.....56
4.1.1不同类型矿业活动对地形地貌破坏方式差异性.......56
第五章矿山环境遥感调査及预测方法研究.......76
5.1矿山地质环境遥感调查.......76
5.1.1矿山地质环境问题及相关调查监测技术......76
第五章矿山环境遥感调查及预测方法研究
矿山环境遥感调査涉及到多学科领域，本章主要研究矿山地质环境及土地复垦遥感调査问题。①矿山地理环境遥感调查主要是对矿山地理地貌环境及生态环境、水体环境、土地环境、交通及社会经济环境的综合性调查。②矿山地质环境遥感调查主要针对矿山开釆工程对环境地质的影响，包括矿山地面塌陷环境、采空区剩余沉降量及疏干沉降的塌陷区域对饱气带地下水环境的影响、采空区岩层位移环境对矿山滑坡、泥石流灾害的环境问题。矿山地质灾害包括露天釆场的滑坡灾害、斜坡地带开挖引发的崩滑灾害、矿山边坡失稳引发的灾害、矿山废弃物堆积引发的泥石流灾害等问题。③矿山土地复环境遥感调査主要研究矿山开釆对土地的破坏和矿山废弃地的土地复星问题。
基于层次分析和主组分分析理论，运用图像时空信息重构方法，提取矿山地质环境及地质灾害动态信息。建立了单一时相矿山灾害调査和多时相灾害监测的预测方法；建立了矿山废弃堆积体、泥石流的危险性评价方法；建立了土地恢复现状调査评价方法。对各类动态监测及预测成果进行了现场检测验证。
5.1矿山地质环境遥感调查
矿山环境遥感调査是基于矿山地理学和矿山地质学的理论知识系统，结合国土资源部门的相关技术规范和工程要求所进行的一种具有遥感信息工程意义的实用型应用技术。按照《矿山地质环境保护规定》要求，因矿产资源勘查开采等活动造成矿区地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡，含水层破坏，地形地貌景观破坏等的预防和治理恢复，适用本规定。开采矿产资源涉及土地复垦的，依照国家关于土地复垦的法律法规执行。
5.1.1矿山地质环境问题及相关调查技术
矿山地质环境图像解译是运用多尺度、多时相卫星图像，按照《矿山地质环境保护规定》要求对矿山开采区的地理区域进行地质环境专题解译⑴、矿山地质环境遥感监测是针对矿山开采引发的各类地质环境问题进行动态监测和预报。矿山地质环境遥感解译的主要目标有：滑坡、重力崩塌、泥石流、地面沉降、塌陷、裂缝等类型。并进行矿山区域的水系网解译与制图、矿山交通网解译与制图、矿山地质灾害类型解译调査与制图、矿山地质环境评价图等。
第六章结论与展望
论文是在中国近十年矿山遥感调查及监测项目的基础上开展研究的。矿山遥感调查涉及到地学多个学科领域，论文基本资料涉及湖北、江西和青海等省的多个矿山遥感调査、监测、评价项目。作者经历了多年的矿山遥感实践，致力研究遥感空间信息科学在矿山地理地质环境灾害生态土地及矿山废弃物二次开发中的地学环境问题。认识到中国矿山开发及环境保护利用和矿山保护之间问题的复杂性和严重性。对涉及国家矿山开发的法律法规问题，在论文中很难述及。总结论文研究成果，展望未来学术发展，对提高今后矿山遥感的研究水平及实践中的关键技术开发都具有重要的科学意义。
现代遥感技术扩大了人们对地观测的视野与观察的领域，标志着人类对地球的研究手段与监测技术进入了一个新的发展阶段。针对中国矿山开采秩序及矿山环境保护存在的科学问题和矿山遥感调查监测的技术开发问题，深感空间信息技术进一步扩大应用领域的重要性、必要性和紧迫性。论文研究的总体成果可以证明，国土资源部近十年开展的基于空间信息技术调查和监测矿山开采现状和对矿山环境灾害的动态监测是极为有效的科学方法。在政府公共管理方面，它也可以提高矿山环境管理的科学水平。
论文立足矿山科学实践和国家对矿山遥感的技术需求，对论文涉及的研究成果进行了总结，得出了以下结论。
6.1主要研究成果及创新点
论文的选题围绕国家目标及科技开发的紧迫性，针对矿山地质一±也理一环境及土地地学目标问题，将空间信息科学引入到矿山管理科学领域。依托国土资源部中国地质调查局矿山多目标遥感调查与监测项目，重点研究矿山遥感调查与监测中的图像认知理论和构建矿山目标的图像标志问题。引入图像多重信息重构理论，基于图像的光谱匹配、时间匹配和空间匹配原理，重点解决矿山遥感调查和动态监测中的图像标记构建与特征信息提取问题。
初步构建了矿山遥感调查图像认知理论及基于图像理解的矿山遥感监测方法体系。针对矿山遥感信息工程涉及的多专业、多目标、多尺度、多层次和多时相问题，研究了矿山图像目标信息转换中的矿山目标信息表述及其局限性问题。并就矿山遥感图像中的尺度效应、时间效应和光谱效应的信息重构及转换方法进行了深入研究，建立了矿山遥感图像人机交互式信息提取框架和方法体系。
参考文献（略）