302 / 2023-10-12 11:20:52

黄土覆盖区采煤沉陷对土壤水分扰动影响

土壤水分，黄土高原，Sentinel-1A，开采沉陷

      土壤水分是矿山沉陷区土地复垦和生态修复的关键参数，对于区域生态环境健康发展至关重要。由于雷达和光学影像反演土壤水分过程中均会受到地形、地表粗糙度和植被冠层的干扰，本文针对①黄土沟壑区复杂地形造成的光学和雷达地形扭曲和入射角偏差问题；②低矮植被冠层对于光学反射率和雷达回波后向散射信号干扰；③开采沉陷导致的微地形持续变化以及地表粗糙度不确定问题，提出一种适用于黄土高原矿区土壤水分改进的遥感反演模型。该方法首先对Sentinel-1A影像的雷达信号进行了显示地形校正和入射角校正处理，以修正地形起伏造成的雷达图像扭曲及入射角偏差问题。其次利用Sentinel-2A数据获取8种与植被含水量相关的植被指数，并结合光谱信息与雷达数据构建了植被冠层含水量的特征数据集，通过随机森林法估测研究区植被冠层含水量。然后，采用二分量极化分解和水云模型方法去除植被散射分量后，剩余土壤散射分量使用我们提出的一种雷达后向散射、光学反射率耦合的方法建立土壤水分参数模型，以消除沉陷区土壤粗糙度对模型的影响，最后利用粒子群优化算法确定模型参数。本研究以陕西省彬长矿区文家坡煤矿为例，以Sentinel-1A和Sentinel-2A影像为主要数据源，通过上述方法获取了2020年整年文家坡矿区土壤水分的基础上，结合文家坡煤矿典型的4个煤层（4101和4102煤层为2年和1年沉降区，4103和4104煤层刚开采完毕准备开采）的沉降和土壤水分为期一年的监测数据，从不同开采年限角度，分析黄土高原矿区开采沉陷对土壤水分的扰动影响。结果表明，卫星和原位土壤水分偏差、MRE和RMSE差异分别降低至0.129、0.0851和0.0219，证明了所提土壤水分修复方法在半干旱矿区的可靠性。通过比较不同沉降时间的煤层，发现存在生态自修复，土壤水分的空间变异程度随着沉降时间的增加而逐渐减弱。4103和4104煤层土壤水分平均值分别降低了0.20%和1.89%，变异系数分别提高了13.99%和10.45%。窗口互相关分析表明地下采矿活动具有滞后效应。沉降发生后90 d，沉降与土壤水分响应之间的平均时滞变化。但是，在采矿结束后大约120天，土壤湿度逐渐恢复。这些结果表明，在沉降边缘及时修复地裂缝可以防止土壤水分下降。