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      基于逆向建模技術(shù)的金屬礦山空區(qū)探測(cè)與治理研究

      2020-08-15 09:59:14郝圣旺張海清史先鋒田一麟
      金屬礦山 2020年7期
      關(guān)鍵詞:空區(qū)逆向曲面

      王 虎 郝圣旺 張海清 史先鋒 田一麟

      (1.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京100012;2.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院,河北秦皇島066004;3.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北保定071002)

      我國(guó)金屬礦山采空區(qū)存量規(guī)模巨大,環(huán)境條件復(fù)雜,形態(tài)千差萬(wàn)別,形成方式也各有不同。采空區(qū)是伴隨金屬礦山開采與生俱來(lái)的危險(xiǎn)源,可能誘(引)發(fā)片幫、冒頂、突水、礦震、地面塌陷、山體崩落、泥石流、地表植被破壞等多種形式的災(zāi)害[1]。隨著金屬開采的深入和外拓,加之早期非法、違法亂采濫挖留下的不明采空區(qū),空區(qū)災(zāi)害成為金屬礦山普遍存在的問題,給礦山正常生產(chǎn)帶來(lái)了極大的安全隱患[2]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,采空區(qū)事故占到礦山事故總數(shù)的26.5%~30%[3]。

      近年來(lái),空區(qū)災(zāi)害一直是礦山技術(shù)人員和科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)[4],馬海濤等[2]將空區(qū)災(zāi)害研究歸結(jié)為探測(cè)預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和隱患治理4個(gè)方面,并對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為系統(tǒng)的梳理??諈^(qū)探測(cè)是對(duì)采空區(qū)災(zāi)害進(jìn)行深入研究及評(píng)價(jià)治理的前提,除了常規(guī)的鉆探以及瞬變電磁法[5]、高密度電法[6]、三維地震[7]等物探方法之外,近年來(lái),能夠精確獲取空區(qū)三維形態(tài)信息的三維激光掃描技術(shù)[8-10]在空區(qū)探測(cè)中得到了應(yīng)用。同時(shí),逐漸形成了將多種技術(shù)相結(jié)合的綜合精準(zhǔn)探測(cè)方法,即以物探鎖定空區(qū)范圍,鉆探核實(shí)空區(qū)位置,三維掃描獲取精確空區(qū)信息[11-12],各類方法既相互驗(yàn)證,又層層推進(jìn)。

      空區(qū)形態(tài)要素是進(jìn)行空區(qū)研究的必要條件,可為空區(qū)災(zāi)害評(píng)估及治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),因此,基于探測(cè)數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地描繪出空區(qū)形態(tài)要素并構(gòu)建出空區(qū)三維模型至關(guān)重要[13-14]。本研究在分析空區(qū)掃描特點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了基于逆向工程的復(fù)雜空區(qū)建模完整工作流程,并將其應(yīng)用于金屬礦山空區(qū)災(zāi)害問題研究,該方法對(duì)于提高采空區(qū)災(zāi)害定性分析及評(píng)估效率具有一定的意義。

      1 逆向工程建模概述

      隨著探測(cè)設(shè)備的精度不斷提升,空區(qū)三維探測(cè)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量日趨巨大,傳統(tǒng)建模方法對(duì)于巨量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理面臨諸多困難。對(duì)于空區(qū)數(shù)據(jù)一次掃描成型、數(shù)據(jù)相對(duì)簡(jiǎn)單完整的情況,利用CAD正向建模方法,按照從點(diǎn)到線、線到面、面到體的基本思路建模,容易實(shí)現(xiàn)。但是,空區(qū)實(shí)際形態(tài)和分布往往比較復(fù)雜,需要多次掃描,再進(jìn)行各次數(shù)據(jù)的拼接整合,此時(shí)如果仍采用常規(guī)的CAD正向建模方法,采用人工進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接將非常困難,甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

      逆向工程也稱反求工程或反向工程,是指從實(shí)物樣本獲取產(chǎn)品數(shù)字模型進(jìn)而開發(fā)新產(chǎn)品的一系列技術(shù)。從建模的角度來(lái)說(shuō),逆向工程基于對(duì)實(shí)物的掃描和測(cè)量得到點(diǎn)云數(shù)據(jù),再通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行三維模型重建,其中的關(guān)鍵技術(shù)包含兩方面:一是獲取精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù),即實(shí)物表面數(shù)字化技術(shù);二是快速準(zhǔn)確地構(gòu)建實(shí)體三維模型,即三維幾何模型重建技術(shù)[15]。其優(yōu)勢(shì)在于,通過曲面重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大體量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速有效處理,原始對(duì)象特征信息保留程度高,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的精細(xì)化描述。

      由于逆向工程在復(fù)雜結(jié)構(gòu)體建模方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航天工程、醫(yī)學(xué)工程、藝術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域[16-19],在復(fù)雜地質(zhì)體建模方面也有成果問世[15,20-21],但是在礦山工程中還鮮有應(yīng)用。傳統(tǒng)的逆向工程多用于機(jī)械、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,其測(cè)量及建模對(duì)象是已知的、可見的,尺寸一般較小,講求對(duì)實(shí)物對(duì)象細(xì)部的精細(xì)描述,數(shù)據(jù)處理過程中可以相對(duì)方便地與實(shí)物對(duì)象進(jìn)行比較,即傳統(tǒng)的逆向工程大多是針對(duì)已知對(duì)象的重構(gòu)建模。與此相比,地下空區(qū)三維形態(tài)、空間展布特征是未知的,基于三維掃描的空區(qū)逆向建模的目的之一就是將未知的空區(qū)三維形態(tài)探測(cè)清楚并精確地描繪出來(lái)。此外,地下空區(qū)的分布范圍也是未知的,空區(qū)探測(cè)本身就面臨諸多未知因素,三維掃描獲取的空區(qū)形態(tài)數(shù)據(jù)空間分布散亂無(wú)序、數(shù)據(jù)量大、分布范圍廣、邊界輪廓復(fù)雜,加之空區(qū)真實(shí)形態(tài)不可見,空區(qū)數(shù)據(jù)處理難度相對(duì)較大。本研究針對(duì)金屬礦山空區(qū)的三維幾何形態(tài)特點(diǎn)及表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布特征,結(jié)合逆向工程建模的技術(shù)特點(diǎn),探討基于逆向工程的金屬礦山空區(qū)精細(xì)化三維建模方法,以期實(shí)現(xiàn)金屬礦山空區(qū)高效、精細(xì)仿真模擬,提高分析效率,降低技術(shù)難度,縮短空區(qū)災(zāi)害分析評(píng)估周期,為保障礦區(qū)安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

      2 基于逆向工程的空區(qū)三維精細(xì)化建模

      基于逆向工程原理,本研究復(fù)雜空區(qū)三維精細(xì)化建模的基本流程如圖1所示。

      2.1 空區(qū)數(shù)據(jù)采集

      逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一就是快速、精確地獲取研究對(duì)象表面的三維數(shù)據(jù)。獲取金屬礦山空區(qū)形態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法有多種,一般采用非接觸式測(cè)量設(shè)備,常見的有全站儀測(cè)量設(shè)備、三維激光掃描設(shè)備、圖像分析設(shè)備等。不同測(cè)量方法采集到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同,從建模角度而言,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映出測(cè)量對(duì)象特征,不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含的幾何信息容量差距較大,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)越完善,同一測(cè)量對(duì)象所包含的數(shù)據(jù)容量越大,逆向建模越方便。目前,逆向建模一般采用具有特征關(guān)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

      空區(qū)精確測(cè)量主要采用三維激光掃描系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集時(shí)首先將測(cè)量設(shè)備通過鉆孔布置于采空區(qū)內(nèi)部,然后通過軟件控制水平和豎直驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)探頭用激光器進(jìn)行掃描(圖2),獲得空區(qū)形態(tài)、邊界的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將所有的測(cè)量數(shù)據(jù)傳回外部的主控裝置??諈^(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)可通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被計(jì)算機(jī)獲取并管理。

      2.2 空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

      點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù),為后期的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備。無(wú)論哪一種測(cè)量?jī)x器,在采集數(shù)據(jù)的過程中都會(huì)采集到一些雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)和誤采集的點(diǎn),所以需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提高點(diǎn)云質(zhì)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理一般包括如下幾個(gè)方面:

      (1)數(shù)據(jù)拼合。當(dāng)金屬礦山空區(qū)體積較大、形狀復(fù)雜或水汽、粉塵濃度較大時(shí),數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要多次在不同位置進(jìn)行掃描,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)合并。這就涉及到數(shù)據(jù)的拼合,將不同層次的掃描數(shù)據(jù)集合到一個(gè)公共坐標(biāo)系下,進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,形成一套完整的模型數(shù)據(jù)。

      (2)噪聲去除。在測(cè)量過程中,由于空區(qū)內(nèi)人員、設(shè)備、環(huán)境變化等因素的存在,采集的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)噪聲,根據(jù)所需的精度要求,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,刪除噪聲點(diǎn)。

      (3)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化。在大數(shù)據(jù)時(shí)代,當(dāng)測(cè)量精度設(shè)定較高時(shí),采集數(shù)據(jù)的點(diǎn)密度很高,如果空區(qū)體積較大,那么整合后的數(shù)據(jù)可能達(dá)到幾百萬(wàn),甚至上千萬(wàn)、上億個(gè)點(diǎn),點(diǎn)的數(shù)據(jù)量過大反而不利于后續(xù)三維建模,因此可根據(jù)精度要求,按照一定的標(biāo)準(zhǔn)、要求進(jìn)行簡(jiǎn)化。

      (4)數(shù)據(jù)補(bǔ)缺。測(cè)量時(shí)可能由于物體阻擋,導(dǎo)致局部區(qū)域無(wú)法測(cè)量到,影響后續(xù)的模型重構(gòu),對(duì)這部分缺失的數(shù)據(jù),可以基于另一角度或重復(fù)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及孔洞邊界點(diǎn),按照一定的擬合、插值算法進(jìn)行補(bǔ)缺處理。

      處理完畢的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)展示效果如圖3所示。

      2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝

      基于處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過曲面建模軟件可以構(gòu)建出封裝的三角網(wǎng)格曲面模型(圖4),進(jìn)而可以導(dǎo)入實(shí)體建模軟件建立空區(qū)三維實(shí)體模型,得到空區(qū)的三維實(shí)體幾何特征?;趯?shí)體特征的逆向建模方法不僅可從網(wǎng)格曲面模型中識(shí)別并提取空區(qū)實(shí)體特征,而且能通過直接編輯修改實(shí)體特征,以實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)和模型重建。

      2.4 模型優(yōu)化重建

      初建的實(shí)體模型表面由三角網(wǎng)格組成,事實(shí)上有大量控制點(diǎn)對(duì)于描述實(shí)體特征來(lái)說(shuō)是多余的,并且大大降低了模型用于計(jì)算分析的實(shí)用性。曲面重建即是基于空區(qū)的關(guān)鍵實(shí)體特征,通過插值或者擬合構(gòu)建一個(gè)近似曲面模型來(lái)逼近空區(qū)的形態(tài)原型。目前逆向工程研究中,自由曲面建模手段分為以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)建方法和以NURBS(非均勻有理B樣條)曲面為基礎(chǔ)的四邊域參數(shù)曲面擬合方法兩類[22]。相比較而言,NURBS曲面重建方法數(shù)據(jù)量更小、算法穩(wěn)定、曲面質(zhì)量好、便于運(yùn)算,對(duì)于復(fù)雜空區(qū)建模及后續(xù)計(jì)算分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

      NURBS曲面是在B樣條方法的基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)引入權(quán)因子,可以通過調(diào)整控制頂點(diǎn)的位置和權(quán)因子來(lái)較為精確地設(shè)計(jì)各種曲線和曲面[22],其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

      式中,p(u,v)表示u方向k次、v方向l次的樣條曲線;S(u,v)表示u方向k次、v方向l次的NURBS曲面;pij(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)為控制點(diǎn);ωij(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)為權(quán)因子;Ni,k(u)(i=0,1,…,m)和Nj,l(v)(j=0,1,…,n)分別為u方向k次、v方向l次的非有理B樣條基函數(shù)。

      最終構(gòu)建的三維曲面模型由多張四邊形曲面拼接封裝而成,如圖5所示。

      建立空區(qū)三維曲面模型后,通過逆向建模軟件可以導(dǎo)出多種主流格式的數(shù)據(jù)交互文件,支持多種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),如IGES、PDDI、STEP、DXF等。基于空區(qū)的三維曲面模型數(shù)據(jù),可以通過專業(yè)的前處理軟件(如Hypermesh)或有限元分析軟件(如ANSYS、ABAQUS、MIDAS等)進(jìn)行實(shí)體建模和實(shí)體網(wǎng)格劃分,進(jìn)而可以用于復(fù)雜空區(qū)災(zāi)害模擬分析。在空區(qū)充填或爆破作業(yè)方案設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)空區(qū)形態(tài)進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化或參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      3 采空區(qū)逆向建模應(yīng)用實(shí)例

      3.1 溜井空區(qū)探測(cè)及治理

      以某鐵礦主溜井為例,首先利用三維激光掃描設(shè)備獲得溜井空腔三維形態(tài)數(shù)據(jù),基于探測(cè)數(shù)據(jù)采用逆工程建模技術(shù)構(gòu)建溜井三維模型,繼而結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)該溜井的破壞程度進(jìn)行分析,最后為防止溜井繼續(xù)發(fā)生破壞制定了相關(guān)治理方案。

      3.1.1 溜井空區(qū)模型構(gòu)建

      基于溜井空區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)建立的溜井及圍巖三維模型如圖6所示。溜井現(xiàn)狀三維模型顯示,溜井井筒內(nèi)受礦石沖刷和碰撞影響,不同高度和不同方向上的井筒磨損程度差異明顯;井筒形成了不同規(guī)模的沖擊坑,第一處位置無(wú)明顯大規(guī)模塌落,而第二處和第三處沖擊點(diǎn)位置上方都發(fā)生了規(guī)模較大的圍巖片垮;受礦石沖刷規(guī)律影響,溜井中段區(qū)域破壞程度明顯大于兩端,沖刷位置形狀具有螺旋破壞特征。溜井設(shè)計(jì)斷面直徑為4 m,井筒內(nèi)部受礦石多次撞擊位置,擴(kuò)徑現(xiàn)象突出,最大直徑已經(jīng)達(dá)到14.8 m,溜井破壞非常嚴(yán)重。

      3.1.2 溜井災(zāi)害治理

      原始溜井井筒沒有進(jìn)行支護(hù),受礦石沖擊和連續(xù)沖刷作用后,溜井內(nèi)部破壞嚴(yán)重,且溜井距離附近的主井僅有25 m,溜井如果進(jìn)一步破壞必然引發(fā)相關(guān)工程災(zāi)害,因此迫切需要對(duì)其進(jìn)行治理。

      根據(jù)采用逆向建模技術(shù)構(gòu)建的真實(shí)模型,掌握了溜井的破壞現(xiàn)狀和破壞程度,并提出采用混凝土加錳鋼板擋墻加固法對(duì)其進(jìn)行加固,增加井壁防御礦石流沖擊和磨損的能力,基本加固方案如圖7所示。首先對(duì)井筒原巖進(jìn)行錨噴網(wǎng)支護(hù);其次建設(shè)托臺(tái)和混凝土擋墻用于恢復(fù)原井壁;最后在混凝土擋墻與原巖之間的空腔內(nèi)填充廢石,并在混凝土擋墻表面加設(shè)錳鋼板。方案實(shí)施后不僅對(duì)現(xiàn)井壁進(jìn)行了加固,而且通過構(gòu)筑新的結(jié)構(gòu)體恢復(fù)了溜井原狀,有效確保了溜井正常生產(chǎn)。

      3.2 盲空區(qū)探測(cè)及爆破優(yōu)化

      某露天礦山開采臺(tái)階下方存在盲空區(qū),該空區(qū)由于距離地表較淺,嚴(yán)重影響到礦山的正常作業(yè)和開采進(jìn)度,并對(duì)地表作業(yè)人員及設(shè)備安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為解決這一問題,對(duì)空區(qū)進(jìn)行了探測(cè),根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)空區(qū)進(jìn)行了爆破處理,徹底消除了空區(qū)隱患。

      3.2.1 盲空區(qū)模型構(gòu)建

      本研究利用鉆孔探測(cè)和三維激光掃描相結(jié)合的方法,對(duì)盲空區(qū)實(shí)施了精確探測(cè)?;讷@得的點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用逆向建模技術(shù)構(gòu)建了空區(qū)三維模型,如圖8所示。三維模型顯示,空區(qū)真實(shí)X軸分布長(zhǎng)度為25.4 m,Y軸線分布長(zhǎng)度為32.4 m,Z軸分布高度為24.3 m,空區(qū)腔體面積為1 710 m2,空區(qū)體積為2 011 m3,該空區(qū)頂部到地表的最近距離僅為6 m。

      3.2.2 盲空區(qū)隱患爆破消除

      對(duì)于礦山地下遺留空區(qū),處理方法通常有封閉、崩落、加固和充填四大類。某礦山空區(qū)位于開采臺(tái)階下方,涉及到正在開采的區(qū)域,因此選用爆破方式消除空區(qū)隱患。由于空區(qū)頂板到地表的距離不一致,結(jié)合逆向建模結(jié)果,對(duì)每個(gè)爆破孔的深度、裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),爆區(qū)布置如圖9所示。根據(jù)優(yōu)化方案爆破完成后,空區(qū)隱患得以消除,地表呈現(xiàn)一個(gè)小規(guī)模塌陷坑。

      3.3 空區(qū)群調(diào)查及充填治理

      某銅礦由于歷史原因,新老空區(qū)夾雜,分布混亂,礦山缺乏清晰、合理的總體空區(qū)信息統(tǒng)計(jì)。鑒于該礦空區(qū)的特殊性,首先對(duì)空區(qū)進(jìn)行分析和調(diào)查,采集了大量的空區(qū)數(shù)據(jù);然后利用逆向建模技術(shù),快速構(gòu)建了空區(qū)群模型和礦區(qū)地表模型,并利用綜合可視化技術(shù),對(duì)地表、巷道、空區(qū)等關(guān)鍵因素進(jìn)行三維重現(xiàn),結(jié)果如圖10所示。

      結(jié)合逆向建模獲得的空區(qū)信息,統(tǒng)計(jì)了空區(qū)群基本信息,可知該礦區(qū)未充填空區(qū)有47個(gè),未充填空區(qū)總體積為497 500 m3。根據(jù)最終建模成果,形成了不同類型的剖面圖和平面圖,滿足了礦山后續(xù)采礦設(shè)計(jì)和災(zāi)害治理計(jì)劃編制的需要,有效指導(dǎo)了礦山對(duì)空區(qū)進(jìn)行后續(xù)充填治理,消除了空區(qū)隱患,保證了礦山安全生產(chǎn)。

      4 結(jié)論

      (1)金屬礦山空區(qū)災(zāi)害與空區(qū)的特殊存在狀態(tài)及形態(tài)密切相關(guān),空區(qū)形態(tài)數(shù)據(jù)采集是空區(qū)災(zāi)害治理的前提與基礎(chǔ),傳統(tǒng)正向建模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單空區(qū)建模,但對(duì)于復(fù)雜模型和大數(shù)據(jù)模型,正向建模技術(shù)效率偏低,實(shí)現(xiàn)難度較大,不利于大規(guī)模應(yīng)用。

      (2)在介紹逆向建模方法及實(shí)現(xiàn)流程的基礎(chǔ)上,通過對(duì)比常規(guī)的正向建模方法,系統(tǒng)分析了逆向建模方法在金屬礦山領(lǐng)域用于復(fù)雜空區(qū)建模的優(yōu)勢(shì)。逆向建模方法簡(jiǎn)化了建模步驟,降低了對(duì)建模人員技術(shù)水平的要求,縮減了建模周期,可大大提高空區(qū)災(zāi)害調(diào)查分析及治理的效率。

      (3)發(fā)揮逆向建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合金屬礦山空區(qū)三維建模及治理的典型工程案例,詳細(xì)討論了逆向建模方法在金屬礦山空區(qū)隱患探測(cè)及治理方面的應(yīng)用效果。逆向工程技術(shù)得到的精確三維模型對(duì)于空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)研和評(píng)估、災(zāi)害形成機(jī)理分析和治理方案優(yōu)化等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),應(yīng)用效果良好。

      (4)在金屬礦山領(lǐng)域,除了空區(qū)災(zāi)害研究之外,逆向建模技術(shù)還可以應(yīng)用于排土場(chǎng)體積估算,礦區(qū)地表變形體積估算,尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)尾礦體積變化分析,礦區(qū)地表水土流失變化分析等多個(gè)方面,應(yīng)用前景廣闊。

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