基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法技术

本发明专利技术公开了基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，首先，对植被参数进行长时间尺度上高频次定量反演，根据遥感反演、统计数据获取矿区长时间尺度、连续空间的植被参数及气候气象因子、地理因子和人类活动因子数据集；然后基于采矿前的长时序多源数据，利用地理时空加权回归模型构建植被变化的理论驱动模型；最后利用上述模型预测无采矿活动条件下的植被演变过程，进而与遥感监测的采矿活动背景下的实际植被演变进行对比，分离出煤炭开采对植被的扰动量V

【技术实现步骤摘要】
基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法


[0001]本专利技术涉及生态学领域、煤炭领域、遥感及地理信息领域，尤其涉及一种基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法。

技术介绍

[0002]现有关于煤炭开采对植被的扰动分析主要分为两大类，一是在时间尺度上，研究植被受煤炭开采扰动的变化规律；二是在空间尺度上，通过拟合植被参数随离矿距离的变化曲线来界定植被受煤炭开采扰动的范围。但现有研究均假定直接监测到的植被状态变化代表了采矿的影响，但事实上，植被状态变化是自然条件、采矿及其它人类活动等综合作用的结果，因此当前研究没有将采矿影响和其他因素的影响分离开，导致无法揭示采矿活动对植被的单独影响规律。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，基于地理时空加权回归与多源大数据相结合，以局部多元回归代替整体回归，且充分考虑了各因子的复杂性和时空异质性，能够剔除气候因子、地理条件、人类活动等多因素对植被的耦合影响，分离并量化煤炭开采对植被的单独影响，即可得到煤炭开采对植被的扰动量V
‑
MD，为矿区的生态环境保护提供了理论数据支持。
[0004]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0005]一种基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，其特征在于：其方法如下：
[0006]A、建立长时序多源数据的植被参数反演模型，遥感参数反演模型包括归一化指数模型、像元二分模型、PROSAIL植被辐射传输模型；收集包括多光谱遥感影像、地面实测数据在内的原始数据，通过遥感参数反演模型对原始数据进行反演得到植被参数，植被参数包括归一化植被指数NDVI、植被覆盖度FVC、叶面积指数LAI、植被叶绿素含量Cab；
[0007]B、构建无采矿背景下的植被响应模式：对矿区无煤炭开采活动时期的长时序逐年植被参数和驱动因子集合进行建模，驱动因子集合包括气候气象因子、地理因子和人类活动因子，具体如下：气温、降水、风速、日照对应气候气象因子，坡度、坡向、海拔对应地理因子，放牧、城镇开发、发电对应人类活动因子；通过地理时空加权回归模型建立植被参数与各驱动因子之间的定量关系并训练其定量关系；
[0008]C、采矿植被扰动量计算：在矿区有煤炭开采活动时期所收集的原始数据中提取驱动因子集合和实际植被参数，驱动因子集合包括气候气象因子、地理因子和人类活动因子，并将该驱动因子集合输入训练后的植被参数与驱动因子之间定量关系中得到对应的植被参数预测值，然后将实际植被参数与植被参数预测值对照求差并得到植被参数差值，该植被参数差值为煤炭开采而导致的植被变化量，该植被参数差值为采矿植被扰动量，将其命名为V
‑
MD；通过V
‑
MD进行时空分布差异和演变量化特征分析与展示。
[0009]本专利技术优选的技术方案如下：本专利技术步骤A中反演得到植被参数方法如下：
[0010]利用归一化指数模型按照如下公式计算得到归一化植被指数NDVI：
[0011][0012]其中，ρ
NIR
为近红外波段地表反射率，在Landsat
‑
5和Landsat
‑
7中为波段4，在Landsat
‑
8中为波段5；ρ
Red
为红波段地表反射率，在Landsat
‑
5和Landsat
‑
7中为波段3，在Landsat
‑
8中为波段4；
[0013]利用像元二分模型按照如下公式计算得到植被覆盖度FVC：
[0014][0015]其中，NDVI为像元的NDVI值，NDVI
min
为研究区内完全为裸土的像元NDVI值，NDVI
max
为研究区纯植被像元的NDVI值；
[0016]叶面积指数、叶片叶绿素含量计算：采用PROSAIL植被辐射传输模型耦合Landsat系列、Sentinel
‑
2A卫星传感器光谱响应函数，结合地面实测光谱和参数数据，基于随机森林算法建立植被参数反演模型，在Google Earth Engine平台上生产长时间序列的两种植被参数产品，两种植被参数产品分别为叶面积指数、叶片叶绿素。
[0017]本专利技术优选的技术方案如下：本专利技术步骤A中还包括对反演得到的植被参数进行多源数据一致性校正与精度检验，方法如下：
[0018]对于植被参数，采用传感器配准的方法将所有反演结果都以Landsat8为基准；首先选择日期最为接近的Landsat5、Landsat7和Landsat8的一天的影像，分别计算植被参数；然后选择一个小块研究区，将该区域内的像元值提取到点，运用最小二乘原理，分别构建不同影像对应像元之间的线性模型；基于回归线性模型实现不同传感器之间的配准，最后都以Landsat8为基准；多源结果的一致性校正完成之后，再与地面实测数据进行检验。
[0019]本专利技术优选的技术方案如下：本专利技术步骤B中地理时空加权回归模型建立植被参数与驱动因子之间的定量关系模型公式如下：
[0020][0021]式中，(x
i1
,x
i2
,
…
,x
id
；y
i
)表示第i个观测点(u
i
,v
i
,t
i
),(i＝1,2,
…
,n)处的植被参数y和驱动因子x1,x2,
…
,x
d
的n组观测值；β
k
(u
i
,v
i
,t
i
),(k＝0,1,
…
,d)是第i个数据点(u
i
,v
i
,t
i
)处的未知回归系数；(ε1,ε2,
…
,ε
n
)为独立同分布的误差项，通常假定均值为0，方差为σ2；
[0022]根据加权最小二乘方法，第i个观测点的回归系数估计值为：
[0023][0024]第i个观测点因变量的拟合值为：
[0025][0026]式中，X为驱动因子矩阵X
i
是X矩阵的第i行；y为植被参数矩阵W
i
表示空间核函数矩阵常用的核函数包括高斯核函数和近高斯核函数；
[0027]调整型高斯核函数下，观测点j对观测点i影响的权重值：
[0028][0029]调整型近高斯核函数下，观测点j对观测点i影响的权重值：
[0030][0031]式中:d
ij
表示点(u
j
,v
j
,t
j
)到点(u
i
,v
i
,t
i...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，其特征在于：其方法如下：A、建立长时序多源数据的植被参数反演模型，遥感参数反演模型包括归一化指数模型、像元二分模型、PROSAIL植被辐射传输模型；收集包括多光谱遥感影像、地面实测数据在内的原始数据，通过遥感参数反演模型对原始数据进行反演得到植被参数，植被参数包括归一化植被指数NDVI、植被覆盖度FVC、叶面积指数LAI、植被叶绿素含量Cab；B、构建无采矿背景下的植被响应模式：对矿区无煤炭开采活动时期的长时序逐年植被参数和驱动因子集合进行建模，驱动因子集合包括气候气象因子、地理因子和人类活动因子，具体如下：气温、降水、风速、日照对应气候气象因子，坡度、坡向、海拔对应地理因子，放牧、城镇开发、发电对应人类活动因子；通过地理时空加权回归模型建立植被参数与各驱动因子之间的定量关系并训练其定量关系；C、采矿植被扰动量计算：在矿区有煤炭开采活动时期所收集的原始数据中提取驱动因子集合和实际植被参数，驱动因子集合包括气候气象因子、地理因子和人类活动因子，并将该驱动因子集合输入训练后的植被参数与驱动因子之间定量关系中得到对应的植被参数预测值，然后将实际植被参数与植被参数预测值对照求差并得到植被参数差值，该植被参数差值为煤炭开采而导致的植被变化量，该植被参数差值为采矿植被扰动量，将其命名为V
‑
MD；通过V
‑
MD进行时空分布差异和演变量化特征分析与展示。2.按照权利要求1所述的基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，其特征在于：步骤A中反演得到植被参数方法如下：利用归一化指数模型按照如下公式计算得到归一化植被指数NDVI：其中，ρ
NIR
为近红外波段地表反射率，在Landsat
‑
5和Landsat
‑
7中为波段4，在Landsat
‑
8中为波段5；ρ
Red
为红波段地表反射率，在Landsat
‑
5和Landsat
‑
7中为波段3，在Landsat
‑
8中为波段4；利用像元二分模型按照如下公式计算得到植被覆盖度FVC：其中，NDVI为像元的NDVI值，NDVI
min
为研究区内完全为裸土的像元NDVI值，NDVI
max
为研究区纯植被像元的NDVI值；叶面积指数、叶片叶绿素含量计算：采用PROSAIL植被辐射传输模型耦合Landsat系列、Sentinel
‑
2A卫星传感器光谱响应函数，结合地面实测光谱和参数数据，基于随机森林算法建立植被参数反演模型，在Google Earth Engine平台上生产长时间序列的两种植被参数产品，两种植被参数产品分别为叶面积指数、叶片叶绿素。3.按照权利要求1所述的基于长时序多源数据的煤炭开采植被扰动分析方法，其特征在于：步骤A中还包括对反演得到的植被参数进行多源数据一致性校正与精度检验，方法如下：对于植被参数，采用传感器配准的方法将所有反演结果都以Landsat8为基准；首先选
择日期最为接近的Landsat5、Landsat7和Landsat8的一天的影像，分别计算植被参数；然后选...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全生，李军，张成业，许亚玲，郭俊廷，佘长超，
申请(专利权)人：国家能源投资集团有限责任公司北京低碳清洁能源研究院神华北电胜利能源有限公司，
类型：发明
国别省市：