煤矸石山生態(tài)利用工程中現(xiàn)狀測(cè)繪與成圖方法

趙艷玲，胡振琪，梁 爽，楊成兵

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京100083）

一、引 言

煤矸石是煤的伴生廢石，是在掘進(jìn)、開采和洗煤過程中排出的固體廢物，產(chǎn)生量一般要占原煤的10% ～20%［1］。我國(guó)每年排出的矸石量約為產(chǎn)量的10%，占全國(guó)工業(yè)廢棄物的1/4［2］。生態(tài)利用是煤矸石綜合利用的途徑之一，尤其是對(duì)于已經(jīng)堆積多年、具有自燃傾向的煤矸石山，而建立穩(wěn)定的人工植物群落是煤矸石山生態(tài)利用的根本途徑［3］，其中，矸石山整形整地是必要步驟［1］。地形圖是進(jìn)行各種工程所必需的基礎(chǔ)資料，矸石山生態(tài)利用同樣需要具有良好現(xiàn)勢(shì)性的地形圖。由于煤矸石山生態(tài)恢復(fù)工程有其自身的特點(diǎn)，其地形測(cè)繪及成圖工作既有與普通地形測(cè)繪相似之處，又有其特殊要求。

本文以北京市門頭溝區(qū)某矸石山生態(tài)恢復(fù)工程為例，基于煤矸石山生態(tài)恢復(fù)的特點(diǎn)，介紹了三維激光掃描與RTK技術(shù)相結(jié)合的地形測(cè)繪方法，并給出了成圖方法及示例，為煤矸石山生態(tài)利用提供了可靠的前期基礎(chǔ)資料，也為其他類似工程提供了借鑒。

二、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市門頭溝區(qū)的龍泉鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為(39.55°N，116.24°E)，煤矸石堆積場(chǎng)面積約為6.09 hm2，已停止排矸約20年，呈兩級(jí)平臺(tái)，在二級(jí)平臺(tái)上堆積有落差約70 m的錐形山體，占地2.97 hm2(如圖1所示)。

由于人工私挖，錐形山體西側(cè)和北側(cè)有自然冒落痕跡，坡度大于45°，呈小落差陡坎狀，陡坎至坡腳無任何植被，矸石形成松軟，極不穩(wěn)定。山體東側(cè)及南側(cè)的中上坡至山頂，可見野生植被，植被均生長(zhǎng)于風(fēng)化層厚的山脊梁上，沿坡向呈縱向條帶狀分布。其中，喬木以臭椿為主，偶有洋槐，偶見十余年生喬木;草本以禾本科為主，但植被覆蓋密度小，生長(zhǎng)凌亂，品種單一。喬木間距大，不利于水土保持和環(huán)境保護(hù)，不能有效防治矸石山對(duì)周圍環(huán)境及居民的影響，而東側(cè)坡下即為居住區(qū)。

圖1 研究區(qū)煤矸石山

為了適應(yīng)北京市生態(tài)保護(hù)區(qū)的建設(shè)和鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)思想，擬將該煤矸石山及其周邊的空地進(jìn)行植被恢復(fù)，首先就要獲取矸石山的地形數(shù)據(jù)。

三、煤矸石山生態(tài)恢復(fù)工程地形測(cè)繪特點(diǎn)

同一般地形圖測(cè)繪步驟一樣，煤矸石山生態(tài)恢復(fù)工程的地形測(cè)繪遵循“先整體，后局部;先控制，后碎部”的原則。由于煤矸石山生態(tài)恢復(fù)工程的特點(diǎn)，其地形測(cè)繪有特殊要求，主要體現(xiàn)在:

1)地形地貌特征。不僅關(guān)注地形的起伏變化及一般的地貌地物，其煤矸石山地表風(fēng)化層、大片矸石層及獨(dú)特的地表特征等信息也息息相關(guān)，應(yīng)該在野外工作中加以施測(cè)。

2)地表植被特征。由于植被恢復(fù)的需要，除采集大面積的典型植被地類邊界點(diǎn)外，對(duì)于適應(yīng)了矸石山環(huán)境長(zhǎng)勢(shì)較好的小片或單獨(dú)存活的樹種的數(shù)據(jù)點(diǎn)采集也非常必要。

3)地物特征。除煤矸石山本身外，需要詳細(xì)地調(diào)查測(cè)繪矸石山周邊及相關(guān)的地物，如道路寬度、類型及聯(lián)絡(luò)等。

四、煤矸石山生態(tài)恢復(fù)工程現(xiàn)狀測(cè)繪方法及成圖

1.地形地貌測(cè)繪

傳統(tǒng)的地形地貌測(cè)繪方法一般要求在測(cè)站上安置儀器，所測(cè)碎部點(diǎn)與測(cè)站應(yīng)通視，且測(cè)量速度慢，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而對(duì)矸石山生態(tài)恢復(fù)工程來說，快速施測(cè)是關(guān)鍵。而且對(duì)于研究區(qū)來說，由于錐形山體西側(cè)和北側(cè)冒落，坡度陡，不能設(shè)站，屬難及區(qū)域，東側(cè)與南側(cè)可以設(shè)站，因此將地形測(cè)繪分為兩個(gè)部分，即難及區(qū)域與一般區(qū)域。

（1）難及區(qū)域的地形測(cè)繪

對(duì)于難及區(qū)域，地形測(cè)繪方法有無棱鏡全站儀［4］、近景攝影測(cè)量［5］、三維激光掃描［6］等?？紤]到快速和精度，采用三維激光掃描技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是速度快，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)約時(shí)間，測(cè)量完整、精確，可多視角觀察可視化三維點(diǎn)云模型，且不需要接觸被測(cè)物體［6］，三維測(cè)繪技術(shù)也是對(duì)未來工程測(cè)量科技發(fā)展有較大影響的核心技術(shù)之一［7］。圖2(a)為掃描時(shí)的設(shè)站情況，圖2(b)為生成的三維模型及等高線。

圖2 利用三維激光掃描儀進(jìn)行陡坡測(cè)繪

（2）一般區(qū)域的地形測(cè)繪

對(duì)于一般區(qū)域，常規(guī)的測(cè)繪方法均可使用?？紤]到快速和應(yīng)用精度，本研究采用RTK實(shí)時(shí)定位技術(shù)，該方法不需布設(shè)加密控制網(wǎng)，定位速度快、精度高［8］，而且研究區(qū)周圍主要是山地，干擾衛(wèi)星信號(hào)的因素少，較之傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

按照RTK的技術(shù)流程［9］施測(cè)后的研究區(qū)三維模型如圖3所示。從圖3中可以看出，錐形山體的西側(cè)和北側(cè)為內(nèi)插點(diǎn)生成，與實(shí)際陡坡差異較大。

圖3 基于RTK技術(shù)的研究區(qū)三維模型

（3）矸石山地貌界限特征點(diǎn)測(cè)繪

煤矸石山常年堆積，存在風(fēng)化較好的地表層及風(fēng)化不完全的大塊矸石地表層，因其不同直接影響生態(tài)修復(fù)工程的方案設(shè)計(jì)，故對(duì)矸石山地表層不同地貌加以區(qū)別，應(yīng)沿其邊界線采集特征點(diǎn)，相隔2～5 m采集，以確定地貌邊界。對(duì)于陡坎，在陡坎成果圖中標(biāo)示比高，如圖4所示。

圖4 地形圖陡坎比高的標(biāo)注

2.地表植被測(cè)繪

由于研究區(qū)內(nèi)在矸石地表局部區(qū)域有若干獨(dú)立長(zhǎng)勢(shì)較好的臭椿，有的區(qū)域則有大片生長(zhǎng)著的灌木叢，而有的區(qū)域植被卻趨向死亡，這些細(xì)微的區(qū)別應(yīng)該在矸石山野外測(cè)繪時(shí)加以體現(xiàn)，以對(duì)后續(xù)植被恢復(fù)方案設(shè)計(jì)及樹種的優(yōu)選起到重要的指導(dǎo)作用。具體如下:

1)采集矸石山地表植被長(zhǎng)勢(shì)有差異的分界特征點(diǎn)，點(diǎn)間距平均2～5 m。

2)對(duì)于獨(dú)立植被單獨(dú)測(cè)點(diǎn)，記錄名稱、徑粗、株高等信息，并在成果圖中標(biāo)示。圖5為獨(dú)立植被的符號(hào)標(biāo)注。

圖5 獨(dú)立植被的符號(hào)標(biāo)注

3.地物特征測(cè)繪

對(duì)于研究區(qū)來說，其周邊有一廢棄井口內(nèi)的礦井水可作為后續(xù)煤矸石山生態(tài)恢復(fù)后初期養(yǎng)護(hù)所需的灌溉水源，因此必須測(cè)繪并標(biāo)注。具體如圖6所示。

圖6 可用水源的廢棄房屋

五、結(jié) 論

本文在分析煤矸石山生態(tài)利用工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例給出了現(xiàn)狀測(cè)繪的方法及成圖，為研究區(qū)的設(shè)計(jì)、施工提供了依據(jù)，所得有益結(jié)論包括:

1)與一般地形現(xiàn)狀相比，煤矸石山生態(tài)利用的現(xiàn)狀測(cè)繪有自身的細(xì)節(jié)要求。

2)由于煤矸石山地形復(fù)雜，測(cè)繪時(shí)會(huì)采用多種技術(shù)相結(jié)合。

3)由于沒有可參照的規(guī)程，特殊地物的成圖方法需要自行設(shè)計(jì)。

經(jīng)工程參與人員驗(yàn)證，依據(jù)本文提出的測(cè)繪要求及方法測(cè)得的地形圖滿足煤矸石山生態(tài)恢復(fù)工程設(shè)計(jì)及施工的要求。

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