無人機航測技術(shù)在河南駐馬店市廢棄礦山生態(tài)修復勘查設計中的應用

王少輝 周小雨劉潤勝

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450000；3.河南省煤田地質(zhì)局，河南鄭州 450000）

0 引言

河南省駐馬店市驛城區(qū)礦產(chǎn)資源主要以石灰?guī)r、花崗巖、石英巖等露天開采石材礦為主。由于長期不科學、不規(guī)范、不環(huán)保的過度開采，致使礦區(qū)周邊的地質(zhì)環(huán)境遭到嚴重破壞。近年來，河南省連續(xù)開展了三區(qū)兩線及特定生態(tài)保護區(qū)范圍內(nèi)露天礦山開發(fā)及生態(tài)環(huán)境綜合整治工作、河南省露天礦山綜合整治3 年行動計劃（2018—2020 年），為了改善礦山周邊生態(tài)環(huán)境，駐馬店市驛城區(qū)開展了廢棄礦山生態(tài)修復項目的勘查、設計工作。本文通過對駐馬店市驛城區(qū)周邊廢棄礦山生態(tài)修復勘查設計中無人機航測及三維模型新技術(shù)的應用研究，進而為駐馬店市周邊乃至河南省露天開采廢棄礦山生態(tài)修復工作提供參考依據(jù)。

1 礦山生態(tài)修復概述

礦山生態(tài)修復一般是指對礦業(yè)活動受損生態(tài)系統(tǒng)的修復（杜青松，2020），這個生態(tài)系統(tǒng)有露天采場、渣土堆場、尾礦庫等（張偉，2018），破壞的生態(tài)環(huán)境為土地、土壤、林草、地表水與地下水、礦區(qū)大氣、動物棲息地、微生物群落等（胡榮榮等，2019）。

礦山生態(tài)修復要根據(jù)生態(tài)環(huán)境標準要求，采取巖土工程、農(nóng)田水利工程等技術(shù)措施，重塑礦山損毀區(qū)地表地形，并通過物理、化學、生物的方法來恢復或重建廢棄地的生態(tài)系統(tǒng)（霍順生和姜圣才，2020）。礦山生態(tài)修復是一項系統(tǒng)工程，不僅涉及礦山的地質(zhì)地貌、水文、植被、土壤等要素，而且還需要巖土力學、環(huán)境學、生態(tài)學、生物學、土壤學、植物生理學、園藝學等多個學科的共同參與研究，充分體現(xiàn)了多學科交叉綜合的特點（高云峰等，2018）。

2 礦山現(xiàn)狀及生態(tài)環(huán)境問題

2.1 廢棄礦山現(xiàn)狀

驛城區(qū)位于河南省駐馬店市中西部，礦產(chǎn)資源主要分布在西部、西南部山區(qū)。截至2017 年底，歷史遺留礦山49 個，其中“三區(qū)兩線”歷史遺留礦山33 個，其他區(qū)域歷史遺留礦山16 個。全區(qū)歷史遺留和現(xiàn)狀礦山共破壞土地面積502.83 hm2，其中耕地87.29 hm2，林地116.57 hm2，建設用地244.03 hm2，其他地類48.41 hm2。礦山開采尾礦及固體廢棄物總量57.2 萬m3。

露天礦山的持續(xù)開發(fā)，為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供動力的同時，也造成了較為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，給礦山周邊居民的生產(chǎn)生活帶來了諸多困擾（賈斌和宋少秋，2019）。為了有效改善生態(tài)環(huán)境，駐馬店市驛城區(qū)編制了礦山地質(zhì)環(huán)境恢復和綜合治理規(guī)劃，通過勘查設計，對全區(qū)范圍內(nèi)的廢棄礦山開展生態(tài)修復工作。

2.2 生態(tài)環(huán)境問題

根據(jù)影響礦山生態(tài)環(huán)境破壞類型的主導因素，駐馬店市驛城區(qū)露天礦山存在的主要地質(zhì)環(huán)境問題包括：地形地貌景觀破壞、土地資源破壞、礦山地質(zhì)災害隱患、礦區(qū)周邊大氣污染、水資源破壞和生物資源破壞等（李光華和高永興，2019）。

（1） 地形地貌景觀破壞

露天礦山開采以剝離挖損土地為主，礦山開采前為有林地、草地等自然植被覆蓋的山體，開采后礦區(qū)植被毀壞，山體由正地形轉(zhuǎn)為負地形，形成凹陷，多已積水，廢渣隨意堆放，嚴重破壞了地形地貌景觀（李海東等，2018；張闖等，2020）。采礦形成的高陡邊坡，長幾十到幾百米不等，邊坡高度5～50 m，大部分邊坡坡度近乎直立，極大的破壞了原生地形地貌（圖1）。

（2） 土地資源破壞

露天采礦土地資源破壞形式主要包括挖損和壓占（李磊等，2019）。采礦前剝離表土直接挖損土地資源，工業(yè)廣場、廢渣堆等壓占土地資源（圖2、3）。

（3） 礦山地質(zhì)災害隱患

礦山開采和相關(guān)工程的興建使礦區(qū)原有地形地貌發(fā)生巨大變化，存在引發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害隱患（李欽韜等，2020）（圖4、5）。

（4） 礦區(qū)周邊大氣污染

由于礦山開采多采用破碎或切割的方式，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的粉塵、粉末，對礦區(qū)周邊大氣造成污染（劉軍等，2019）。

（5） 水資源破壞

礦山開采使正地形變?yōu)樨摰匦?，且多已積水，改變了地表水流向（王羽佳等，2018）。特別是凹陷開采，使得地下水徑流通道被改變，導致水位下降，水資源遭到破壞（文卓等，2019）。

圖1 凹陷開采造成地形地貌景觀破壞

圖2 采坑挖損土地

圖3 廢渣堆壓占土地

（6） 生物資源破壞

礦山開采引起的生態(tài)環(huán)境問題導致礦區(qū)周邊生物生存環(huán)境碎片化、棲息地破壞、生物多樣性損失，造成生物資源破壞（葉珊珊等，2019；葉鑫等，2019）。

圖4 滑坡地質(zhì)災害隱患

圖5 崩塌地質(zhì)災害隱患

3 無人機航測技術(shù)淺析

3.1 總體技術(shù)方案

無人機航測技術(shù)方法為：獲取無人機遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理，對工作區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境信息進行提取，形成工作區(qū)數(shù)字正射影像圖（DOM）及三維模型（張兵兵等，2019）；采用人機交互的解譯方式，生成數(shù)字線劃地圖（DLG）；對獲得的數(shù)據(jù)進行分析研究，進行礦山生態(tài)修復勘查設計工程部署（李磊等，2019）。

3.2 技術(shù)路線

本次無人機航測采用Bentley Systems（奔特力系統(tǒng)）公司的ContextCapture Center 軟件，該軟件主要由Master、Engine 及Acute3D Viewer 等模塊組成。其中Master 是主控模塊，Engine 是引擎模塊，Acute3D Viewer 模塊是三維模型成果瀏覽器（周小杰等，2020）。技術(shù)路線見圖6，技術(shù)優(yōu)勢見表1。

3.3 技術(shù)要求

（1） 地面分辨率：地面分辨率0.1m，航攝相機分辨率5.2μ，像幅大小為10328×7760 像素，滿足無人機航測（DLG、DEM、DOM）產(chǎn)品的精度需要。

（2） 像片控制測量精度要求：平面控制點和平高控制點相對鄰近基礎控制點的平面位置中誤差不應超過地物點平面位置中誤差的1/5，高程控制點相對鄰近基礎控制點的高程中誤差不應超過基本等高距的1/10。

表1 無人機航測技術(shù)優(yōu)勢分析表

4 無人機航測技術(shù)應用實例

4.1 廢棄礦山基本情況

驛城區(qū)廢棄礦山共28 處，大致可分為3 個連片區(qū)域，開采礦種為建筑用或飾面用花崗巖、建筑用頁巖，礦山開采方式均為露天開采，目前采礦證已過期或滅失，駐馬店市驛城區(qū)人民政府作為責任主體對其進行礦山生態(tài)修復。

4.2 無人機影像獲取及處理

圖6 無人機航測技術(shù)路線圖

河南省地球物理空間信息研究院于2019 年5月在駐馬店市驛城區(qū)開展了廢棄礦山無人機航測工作。所獲數(shù)據(jù)經(jīng)過畸變校正、DEM 提取、正射糾正和鑲嵌等環(huán)節(jié)，最終生成了地面分辨率為0.1 m 的正射影像（圖7），數(shù)據(jù)量38.7GB。針對工作區(qū)內(nèi)的重點部位，采用全像素精細建模技術(shù)，獲取礦區(qū)采坑、廢渣堆等礦山地物的高精度三維模型（圖8）。

4.3 工程總體布置

對礦區(qū)內(nèi)廢渣堆進行清理，遺留的建筑物進行拆除；已積水采坑設計作為水塘用于灌溉，由于距離村莊較近，出于安全考慮，在采坑周邊修建防護欄，安裝警示牌；對礦區(qū)內(nèi)采坑以外其他部位平整后，根據(jù)“宜林則林、宜草則草、宜耕則耕”原則，覆土恢復成耕地或林地；在道路一側(cè)修建排水溝。

4.4 工程分項設計

通過Acute3D Viewer 三維模型，查看礦區(qū)內(nèi)采坑大小、渣堆分布、周邊地類等，主要采用采場整理、建筑物拆除、覆土工程、土壤改良工程、綠化工程、排水溝工程等進行分析設計。

（1） 采場整理

采場整理主要包括礦區(qū)內(nèi)場地的平整、局部的挖高填低、清理殘留的巖土體、雜物等，最后采用機械和人工相結(jié)合的方式統(tǒng)一壓實。根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，結(jié)合地形圖及三維模型估算廢渣量（圖9、10）。

（2） 建筑物拆除

對原來礦山生產(chǎn)遺留的礦山機械及建筑物進行拆除，對建筑垃圾進行清運。

（3） 覆土工程

根據(jù)耕地質(zhì)量等級（GB/T 33469—2016）中表B.4 耕地等級劃分指標，將恢復成耕地的區(qū)域覆土80 cm，恢復成林地的區(qū)域覆土50 cm，恢復成草地的區(qū)域覆土30 cm。

（4） 土壤改良工程

圖7 驛城區(qū)廢棄礦山正射影像圖（DOM）

圖8 驛城區(qū)廢棄礦山采坑現(xiàn)場調(diào)查照片（a）與高精度三維模型（b）

根據(jù)“宜耕則耕、宜草則草、宜林則林”的原則，對覆土平整后的耕地進行土地翻耕。通過土壤培肥，為植物提供良好的立地條件，也為恢復植被、提高土地生產(chǎn)力打下良好基礎。主要措施為增施復合肥和有機肥，促進土壤熟化，保證作物增產(chǎn)。本次通過施有機肥和復合肥來提高土壤肥力，設計每公頃施有機肥45 m3，施復合肥750 kg。

（5） 綠化工程

根據(jù)項目區(qū)的環(huán)境、氣候及土壤條件，選擇種植馬尾松，對治理區(qū)進行造林綠化、撒播草籽，采用穴栽的方式種植，樹坑大小為1 m×1 m×1 m，行間距2 m，株間距1.5 m，錯落種植，樹苗規(guī)格：樹徑5 cm，株高2 m，帶土球。

（6） 排水溝工程

在路基一側(cè)修建縱向排水溝，與采坑相連，匯集后用于工作區(qū)內(nèi)林地、草地養(yǎng)護。排水溝采用底寬110 cm，高度80 cm，排水溝斷面結(jié)構(gòu)為矩形；橫向截水溝迎坡一側(cè)成1 ∶1 坡面，其他與排水溝一致。截排水溝及消能井采用漿砌塊石，每10 m 設置2 cm 寬的伸縮縫，縫內(nèi)填瀝青油毛氈。

圖9 Acute3D Viewer 三維模型中采坑俯視圖（左）與斜視圖（右）

圖10 Acute3D Viewer 三維模型中廢渣堆清運量（圖中Cut volume）計算圖

通過以上工程部署，礦山生態(tài)修復效果見圖11。

4.5 設計工程量

經(jīng)計算，駐馬店市驛城區(qū)廢棄礦山生態(tài)修復設計部署的主要工程量見表2。

4.6 工程效益分析

（1） 環(huán)境效益

項目實施后，將使礦區(qū)環(huán)境得到綠化美化，將有效遏制項目區(qū)周邊環(huán)境的惡化，減少水土流失，對局部環(huán)境空氣和小氣候產(chǎn)生正效與長效影響，改善周邊區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量，從而改善礦區(qū)人民的生活工作環(huán)境和自然生態(tài)環(huán)境。

圖11 驛城區(qū)廢棄礦山生態(tài)修復設計效果圖

表2 礦山生態(tài)修復設計工程量表

（2） 社會效益

該礦山生態(tài)修復工程實施后預計可恢復耕地49 hm2，林地164 hm2，改善礦區(qū)周邊的自然生態(tài)環(huán)境，增加當?shù)厝嗣竦慕?jīng)濟收入，提高生活水平，有利于社會大局的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1） 駐馬店市周邊廢棄礦山對城市周邊生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，不符合城市長遠綠色發(fā)展的基本需求，因此，從源頭控制好礦山生態(tài)環(huán)境是生態(tài)修復的基礎。本文針對廢棄礦山實際情況，采用“因地制宜，實事求是，精準設計”的原則，提出了符合實際情況的生態(tài)修復方案，為駐馬店市更好地綠色發(fā)展奠定了基礎。

（2） 無人機航測技術(shù)在礦山生態(tài)修復方面具有良好的應用效果，具有精度高、成本低和效率高的優(yōu)勢，能夠準確、快速的獲取廢棄礦山的基本地質(zhì)環(huán)境問題，對進一步制定相應的治理措施提供了可靠的影像數(shù)據(jù)資料。

（3） 針對駐馬店市廢棄礦山基本現(xiàn)狀，以Acute3D Viewer 三維模型軟件為平臺進行了模型分析，結(jié)果表明，本文提出的治理方案是行之有效的，且能夠獲得較高的社會經(jīng)濟效益。