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基于改进Faster-RCNN的露天煤矿开采区遥感识别方法

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东北大学学报（自然科学版） 2023年第12期44卷 1759-1768页

作者：包妮沙韩子松于嘉欣韦丽红东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 长光卫星技术有限公司吉林长春130000 呼伦贝尔学院内蒙古呼伦贝尔021008

利用卫星遥感技术融合深度学习算法,可以快速、动态、高效识别露天煤矿开采区,以我国和其他煤炭资源大国的典型露天煤矿开采区为研究对象,基于高分二号多光谱遥感影像,制作数据集及标签,构建基于卷积神经网络(convolutional neural netw... 详细信息

利用卫星遥感技术融合深度学习算法,可以快速、动态、高效识别露天煤矿开采区,以我国和其他煤炭资源大国的典型露天煤矿开采区为研究对象,基于高分二号多光谱遥感影像,制作数据集及标签,构建基于卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)的深度学习目标检测算法.通过加入特征金字塔网络,充分挖掘开采区及背景区的低分辨率语义信息和高分辨率纹理信息,实现快速卷积神经网络的深度学习目标检测算法模型的改进及参数优化.结果表明改进后的模型平均检测精度提高到98.48%,总体识别精度达到96.7%,有效提高了复杂背景下的多尺度、多类型露天开采目标的识别精度,为全球煤炭资源大国能源合作、生态环境保护及我国矿产资源的合理利用和修复提供了科学、精准手段.

关键词：高分影像露天开采区目标检测特征金字塔

基于成像高光谱技术的露天煤矿区复垦土壤剖面有机碳和全氮预测及制图

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煤炭学报 2023年第7期48卷 2949-2960页

作者：彭思涵包妮沙雷海梅刘善军杨天鸿东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110000

k露天煤矿区复垦土壤在经过开采—剥离—覆盖过程后,其有机碳(SOC)和全氮(TN)的垂直分布发生巨大变化,并且直接决定植被恢复物种的选择和生态恢复效果。因此,在双碳目标下,复垦SOC和TN在0~100 cm剖面的监测及制图,是评估矿区生态恢复及... 详细信息

k露天煤矿区复垦土壤在经过开采—剥离—覆盖过程后,其有机碳(SOC)和全氮(TN)的垂直分布发生巨大变化,并且直接决定植被恢复物种的选择和生态恢复效果。因此,在双碳目标下,复垦SOC和TN在0~100 cm剖面的监测及制图,是评估矿区生态恢复及复垦工程固碳的重要基础。相比于传统的化学方法,高光谱技术是一种快速而且无损,已经广泛应用于土壤属性估测的技术,成像高光谱技术相比于点位光谱测量具有图谱合一的优势。因此以我国北方干旱半干旱草原大型露天煤矿复垦土壤为研究对象,采集不同复垦工程、复垦年限的土壤剖面样本,揭示不同复垦年限和复垦方式下土壤剖面SOC和TN垂直分布规律和高光谱特征,通过深度挖掘和筛选SOC和TN特征波段和指数,构建可解释性机器学习模型,从而实现土壤剖面SOC和TN的制图,结果表明:(1)土壤光谱反射率随SOC和TN质量分数的增加而降低,通过集成皮尔森相关性分析和选择连续投影算法,对点状高光谱数据进行降维和去冗余,最终明确表征SOC质量分数的30个特征波段和表征TN质量分数的18个特征,并基于特征波段建立了SOC和TN三维光谱特征指数;(2)通过对比偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林模型(RF)和径向基函数(RBF)神经网络预测模型,发现对光谱数据进行特征波段筛选和变换,可以提高预测精度,其中随机森林模型预测SOC和TN的精度最高,对SOC的预测结果为R^(2)=0.97、RMSE=7.5 g/kg、LCCC=0.84、bias=3.70,TN预测结果为R^(2)=0.78、RMSE=0.33 g/kg、LCCC=0.74、bias=0.19;(3)利用SHAP可解释机器学习模型方法对输入特征进行重要度排序,发现提出的三维光谱指数对模型预测的贡献大于大部分特征波段;(4)使用最佳模型可以快速绘制出成像高光谱图像中每个像素的SOC和TN质量分数,实现矿山土壤剖面中SOC和TN质量分数的制图和可视化。基于成像高光谱技术绘制露天煤矿区复垦土壤剖面可以揭示复垦土壤形成和演化过程,阐明复垦年限、复垦植被类型在剖面演替过程中的驱动力,为露天煤矿区复垦土壤碳汇潜力的动态监测以及土壤固碳技术的效益评价提供重要的数据来源和技术支持。

关键词：成像高光谱技术干旱半干旱露天煤矿复垦土壤土壤剖面有机碳全氮

基于实测光谱和国产高分五号高光谱卫星的铁尾矿表层含水率遥感反演方法研究

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光谱学与光谱分析 2023年第4期43卷 1225-1233页

作者：曹粤包妮沙周斌顾晓薇刘善军虞茉莉东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 辽宁省固废产业技术创新研究院辽宁沈阳110819 辽宁省生态气象和卫星遥感中心辽宁沈阳110166

尾矿库作为高势能的人造泥石流危险源,在尾砂含水量过高时有溃坝风险,低含水量状态下产生扬尘则会危害周围环境。尾砂含水量实时、动态监测对于尾矿库安全状况及矿区环境保护具有重要意义。相比传统采样化验手段,高光谱遥感拥有观测面... 详细信息

尾矿库作为高势能的人造泥石流危险源,在尾砂含水量过高时有溃坝风险,低含水量状态下产生扬尘则会危害周围环境。尾砂含水量实时、动态监测对于尾矿库安全状况及矿区环境保护具有重要意义。相比传统采样化验手段,高光谱遥感拥有观测面积大、数据实时易获取、光谱信息丰富的特点,为快速、高精度尾矿水分监测提供了手段。以鞍山-本溪铁矿群中的高硅型铁尾矿为研究区,实地采集尾砂样品77个,利用可见光-近红外(350~2500 nm)光谱仪获取其光谱数据,分析不同含水率尾砂光谱特征及机理;引入竞争性自适应加权重采样法(CARS)筛选水分敏感波段,并基于敏感波段建立三维波段光谱指数(TBI),结合随机森林(RF)、粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)及卷积神经网络(CNN)算法建立尾砂水分反演模型,以国产高分五号高光谱卫星为数据源进行模型应用,获取尾矿库表层含水时空分布特征。结果表明:(1)尾砂光谱反射率随含水率升高明显下降,在1455和1930 nm处出现O—H吸收特征,吸收深度随含水率减小而逐渐减小;(2)基于CARS方法能够对高光谱数据(305波段)有效降维,筛选出18个水分敏感波段,进一步利用敏感波段构建不同形式的尾砂含水率TBI指数集,其中三维差值指数TBI5=(R1097.47-R1990.67)-(R1990.67-R437.39),与水分含量相关性最高,达到0.84;(3)对比RF,PSO-ELM及CNN方法以及不同形式的输入数据,基于尾砂含水率TBI指数联合反射率数据集作为输入数据进行CNN建模,室内光谱模型达到验证精度R2=0.92,相对分析误差RPD=3.43,基于该模型利用高分五号卫星数据反演可获取研究区尾砂含水率空间分布结果,实地验证R2达到0.79,相对分析误差RPD=2.20,获得较好的预测效果。可为基于高光谱技术的铁尾矿水分含量大面积实时快速监测提供参考。

关键词：可见光-近红外光谱三维光谱指数国产高分五号卫星铁尾矿尾砂含水率

耦合多因子的地表生态状况指数在干旱半干旱区露天矿的应用效果评价

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金属矿山 2023年第1期 40-54页

作者：包妮沙李秋玥杨天鸿刘善军齐迹东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000

矿区生态环境遥感动态监测是指导绿色矿山建设和生态恢复的重要基础。耦合绿度、热度、干度、湿度、亮度多种生态因子的指数,如遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)、地表生态状况组成指数(Land Surface Ecological Sta... 详细信息

矿区生态环境遥感动态监测是指导绿色矿山建设和生态恢复的重要基础。耦合绿度、热度、干度、湿度、亮度多种生态因子的指数,如遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)、地表生态状况组成指数(Land Surface Ecological Status Composition Index,LSESCI)具有可视化、可扩展等优势,已被广泛用于矿区生态环境监测中,但地表生态状况指数在不同景观条件和露天开采模式下表征矿区生态环境的适宜性及差异性尚不明确,并且研究区多为单一矿区易忽略因生态环境背景差异导致的区域异质性。因此,以新疆位于不同生态功能分区以及地形条件下的金宝铁矿区、黑山煤矿区和乌拉根锌矿区为研究区,基于长时间序列Landsat遥感影像提取绿度、热度、干度、湿度、亮度生态因子耦合构建LSESCI、RSEI、改进遥感生态指数(Modified Remote Sensing Ecological Index,MRSEI)及标准化遥感生态指数(Standardized Remote Sensing Ecological Index,RSEIs)4个地表生态状况指数,结合土地利用数据和DEM数据,通过相关性分析、缓冲区分析、滑动滤波、Sen+MK等多种方法综合分析,揭示了基于卫星遥感数据反演获取的地表生态状况指数表征不同生态功能区露天矿地表生态状况性能的差异性。结果表明:(1)不同地表生态状况指数与绿度、热度、干度、湿度、亮度各生态因子的平均皮尔森相关系数达到0.6以上,其中RSEI指数对各生态因子拟合程度最好。(2)结合土地利用数据和DEM数据,LSESCI指数能够有效区分位于山前冲洪积扇区的金宝铁矿露天采区和原地貌裸土及山间谷地,不会过低估计生态环境质量,能够反映露天开采对生态环境的影响范围。对于原地貌有低覆盖植被且存在土地盐渍化的研究区,如黑山煤矿区和乌拉根锌矿区,相比MRSEI和RSEIs指数,RSEI指数与湿度、热度等生态因子相关性更高,不会低估研究区的生态环境质量。(3)基于Sen+MK时间序列分析算法和最优指数,对2005—2020年各矿区的生态环境时空变化特征进行了分析,露天开采对研究区内生态环境质量“良”和“优”的土地影响不大,通过露天开采占用、挖损的土地主要为生态环境质量“中”的土地。相比黑山煤矿区,金宝铁矿区和乌拉根锌矿区的生态环境质量显著下降区域面积小,通过复垦及生态恢复生态环境质量显著提高的面积比例高,其中乌拉根锌矿区复垦率为34.58%,金宝铁矿区复垦率为20.75%。

关键词：干旱半干旱矿区地表生态状况指数时空变化特征露天矿生态环境质量

扎赉诺尔露天煤矿排土场复垦与土壤微生物反馈响应

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环境工程 2022年第7期40卷 45-51页

作者：王育光王诺李一依周咏春包妮沙赵鑫东北大学资源与土木工程学院沈阳110819 沙河市自然资源和规划局河北沙河054100 东北大学智慧水利与资源环境科技创新中心沈阳110819

以扎赉诺尔露天煤矿排土场边坡与平台区域的复垦土壤为研究对象,通过对土壤理化性质测定、土壤菌群结构分析,以及与环境因子相关性分析,将其与未复垦的土壤进行比较,探究排土场复垦与土壤微生物的反馈响应。研究发现:复垦土壤的理化性... 详细信息

以扎赉诺尔露天煤矿排土场边坡与平台区域的复垦土壤为研究对象,通过对土壤理化性质测定、土壤菌群结构分析,以及与环境因子相关性分析,将其与未复垦的土壤进行比较,探究排土场复垦与土壤微生物的反馈响应。研究发现:复垦土壤的理化性质差异主要与试验区域土壤深度有关,深度为0~10 cm的土壤相比10~20 cm的土壤理化性质变化更大,其中土壤容重、机械组成和pH对复垦土壤的影响作用明显高于土壤有机碳、土壤总氮和碳氮比,对照组土壤的pH为8.87和8.76,远高于复垦土壤的pH。排土场复垦前后土壤菌群结构差异大,复垦有助于改善土壤微生物菌群结构,且土壤中有机碳和总氮含量增加对其有促进作用。

关键词：排土场复垦土壤微生物露天煤矿扎赉诺尔反馈响应

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国产高分遥感数据估算草地NPP

东北大学学报（自然科学版） 2016年第10期37卷 1450-1454页

作者：包妮沙吴立新叶宝莹赵菲菲东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 中国地质大学(北京)地质调查院北京100083

利用国产卫星高分一号卫星数据评估其植被第一生产力(NPP)的潜力,对植被指数取值范围、光能利用率、水分指数等参数进行修订,建立适合高分卫星数据的光能利用率模型,反演小尺度草地生态系统的生产力,利用野外观测数据对反演结果进行验证... 详细信息

利用国产卫星高分一号卫星数据评估其植被第一生产力(NPP)的潜力,对植被指数取值范围、光能利用率、水分指数等参数进行修订,建立适合高分卫星数据的光能利用率模型,反演小尺度草地生态系统的生产力,利用野外观测数据对反演结果进行验证.模型模拟的数值与实测值的拟合度达到0.94,均方差为20.59 g C/(m2·a),并进一步将该结果与该区域同类型研究进行类比分析.结果表明,该模型对小尺度草地NPP估算可行,减少了工作量,为国产高分数据进行草地NPP、尤其煤矿区草地环境的监测提供了可行的技术方法,从而推动国产卫星在该地区的应用.

关键词：国产高分卫星植被第一生产力干旱半干旱草地煤矿区光能利用率模型

基于PBL和OBE理念的遥感原理与应用课程设计探索

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高教学刊 2023年第28期9卷 63-66页

作者：包妮沙周斌刘善军刘亚男李诺东北大学资源与土木工程学院沈阳110819 辽宁省生态气象和卫星遥感中心沈阳110819

以东北大学测绘工程专业核心专业课遥感原理与应用课程为例,依托国家一流本科专业(建设点)和辽宁省一流专业,对教学内容、教学方式进行持续改革,聚焦教学过程中存在的新技术更新快、理论与实践深度结合以及线上互动教学和学生自主学习... 详细信息

以东北大学测绘工程专业核心专业课遥感原理与应用课程为例,依托国家一流本科专业(建设点)和辽宁省一流专业,对教学内容、教学方式进行持续改革,聚焦教学过程中存在的新技术更新快、理论与实践深度结合以及线上互动教学和学生自主学习能力等迫切要求等问题,从思政元素、授课模块和体系、作业和实验设计方面对课程内容进行重构,基于OBE理念逆向设计教学目标,通过深度融合项目驱动式教学方法(PBL),以学生学习为中心,设计科研成果创新、工程应用、行业需求引导的实验教学内容,注重实验内容的实用性和科学性,提高上机实践环节中学生的主观能动性和兴趣,通过鼓励学生主动完成项目驱动式的实验内容,使学生系统地掌握所学的理论知识。

关键词： PBL OBE 遥感原理与应用测绘专业人才培养思政元素

基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化

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农业工程学报 2012年第3期28卷 230-236页

作者：张召白中科贺振伟包妮沙中国地质大学(北京)土地科学技术学院北京100083 国土资源部土地整治重点实验室北京100035 中煤平朔煤业有限责任公司朔州036006

为了研究矿区土地复垦与生态重建对陆地生态系统碳素生物地球化学循环的影响,以平朔安太堡露天煤矿为研究对象,通过遥感影像解译,对矿区1976-2009年33a期间的土地利用类型与碳汇量变化进行了研究。结果表明:1)由于采矿活动和土地复垦工... 详细信息

为了研究矿区土地复垦与生态重建对陆地生态系统碳素生物地球化学循环的影响,以平朔安太堡露天煤矿为研究对象,通过遥感影像解译,对矿区1976-2009年33a期间的土地利用类型与碳汇量变化进行了研究。结果表明:1)由于采矿活动和土地复垦工程的交互影响,矿区5224.98hm2范围内土地利用类型发生了巨大变化:3346.35hm2的耕地和906.45hm2的林地全部转化为工业广场、剥离区、露天矿坑、未复垦的排土场和已复垦的排土场,其中复垦面积为1167.72hm2;2)矿区生态系统的碳汇量和碳汇价值,分别由1976年的602040.22t和63214.22万元,下降为2009年的351173.50t和36873.22万元;3)1990-1996年和2001-2005年期间,矿区生态系统碳汇量分别有所上升。通过设置研究区域在33a间"全部废弃地未复垦"、"全部废弃地常规复垦"以及"全部废弃地生态复垦"3种情景模拟,得出碳汇量分别为62279.57t、961622.2t和1250108.86t,说明采取科学的土地复垦与生态重建措施,有利于整个矿区生态系统碳汇量的增加。

关键词：矿区土地利用碳碳汇价值土地复垦

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利用TM影像区分矿区小煤窑与水体信息

测绘科学 2010年第S1期35卷 134-135,183页

作者：包妮沙叶宝莹白中科中国地质大学土地科学技术学院北京100083

本文根据TM影像多波段的特征,针对矿区小煤窑和水体难以区分的问题,利用谱间关系法和NDVI植被指数法,提取矿区的小煤窑,并通过航片以及野外实地调查对提取结果进行了验证,经验证提取的小煤窑样本全部正确,提高了土地利用/土地覆盖的分... 详细信息

本文根据TM影像多波段的特征,针对矿区小煤窑和水体难以区分的问题,利用谱间关系法和NDVI植被指数法,提取矿区的小煤窑,并通过航片以及野外实地调查对提取结果进行了验证,经验证提取的小煤窑样本全部正确,提高了土地利用/土地覆盖的分类精度。

关键词：露天煤矿区 TM影像波谱特征小煤窑水体