淺談激光雷達(dá)在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

宋建偉，邢艷英，侯 雙

（1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，河北 石家莊 050021；2.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021）

激光雷達(dá)的特點(diǎn)是測(cè)量精度高、穿透力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)。在多個(gè)領(lǐng)域都有激光雷達(dá)應(yīng)用的足跡[1]。在進(jìn)行自然資源監(jiān)測(cè)時(shí)，采用激光雷達(dá)可以將傳統(tǒng)遙感技術(shù)的缺陷補(bǔ)足，能夠提升廢棄礦山生態(tài)修復(fù)質(zhì)量，利用激光雷達(dá)可以快速采集廢棄礦山的環(huán)境信息，為生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)保障。所以有必要研究激光雷達(dá)在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用。

1 激光雷達(dá)在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)

1.1 技術(shù)原理

如果想要將激光雷達(dá)的作用發(fā)揮，必須先研究其工作原理。激光雷達(dá)主要是借助于激光測(cè)距技術(shù)對(duì)工作區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行探測(cè)，收集環(huán)境信息。激光束是激光雷達(dá)探測(cè)時(shí)的主要媒介，在探測(cè)過(guò)程中能夠獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)，讓后將數(shù)據(jù)整理生成精確模型[2]。在利用激光雷達(dá)技術(shù)探測(cè)廢棄礦山環(huán)境時(shí)，可以掌握目標(biāo)空間位置，并能夠給出非常精確的探測(cè)數(shù)值，是一種高效的遙感技術(shù)。如果按照激光雷達(dá)工作方式進(jìn)行分類，可以將激光雷達(dá)分為三類。第一類是脈沖式激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)應(yīng)用廣泛；第二類相位式激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯；第三類是光學(xué)三角式激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)精度高。在進(jìn)行廢棄礦山生態(tài)修復(fù)時(shí)，使用頻次較高的則是脈沖式激光雷達(dá)，由于在工作時(shí)激光雷達(dá)所處的平臺(tái)、位置存在差異性，所以這種激光雷達(dá)的種類選擇也有所不同。首先是機(jī)載激光雷達(dá)，這種類型的激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由位置姿態(tài)系統(tǒng)、機(jī)載平臺(tái)控制系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)等組成[3]。采用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量時(shí)能夠快速地將所需數(shù)據(jù)獲取，而且所得數(shù)據(jù)的精度相對(duì)較高，采用機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描定位，最終所得數(shù)據(jù)的絕對(duì)精準(zhǔn)度小于10cm，而且這種機(jī)關(guān)雷達(dá)可以在6000米高空進(jìn)行作業(yè)。所以很多情況下機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)所帶來(lái)的價(jià)值更高。其次是地基激光雷達(dá)，移動(dòng)式與固定式最為常見(jiàn)。移動(dòng)式地基激光雷達(dá)作業(yè)時(shí)需要借助于車輛，車輛在行駛時(shí)能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，并獲得數(shù)據(jù)。此外，借助于固定式地基激光雷達(dá)測(cè)定目標(biāo)區(qū)域信息時(shí)，需要在固定地方安裝雷達(dá)裝置，然后掃描目標(biāo)區(qū)域并獲取數(shù)據(jù)，這中雷達(dá)主要由數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀、筆記本電腦、電源組成。借助于地基激光雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，其最大的特點(diǎn)是野外操作性能強(qiáng)，可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行快速檢查，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。所以，在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中這種雷達(dá)的使用頻次相對(duì)較高。第三種是便攜式激光雷達(dá)，顧名思義，這種雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于攜帶便捷，能夠快速測(cè)量目標(biāo)區(qū)域，操作起來(lái)十分靈活方便，不過(guò)這種激光雷達(dá)的測(cè)量精準(zhǔn)度十分有效，在一些規(guī)模大的廢棄礦山中應(yīng)用缺陷明顯。

1.2 應(yīng)用適宜性

由于進(jìn)行廢棄礦山生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，這項(xiàng)工作的特點(diǎn)是多樣性等，在進(jìn)行修復(fù)時(shí)，需要做好生態(tài)調(diào)查、生態(tài)監(jiān)測(cè)以及生態(tài)修復(fù)等多項(xiàng)復(fù)雜工作，而且這些工作所涉及到的分支內(nèi)容較多。因此，需要現(xiàn)金的技術(shù)作為支撐，而在生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，采用激光雷達(dá)能夠滿足修復(fù)工作的需求，激光雷達(dá)的應(yīng)用適宜性非常強(qiáng)，具體內(nèi)容如下。首先，能夠精確地量廢棄礦山生態(tài)信息收集整理，這種技術(shù)比傳統(tǒng)遙感技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，采用激光雷達(dá)系統(tǒng)可以將廢棄礦山高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集整理，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)建立三維模型，這樣能夠有效地將礦山土地?fù)p毀類指標(biāo)掌握，而且所獲的數(shù)據(jù)精度能夠滿足預(yù)期要求。其次，激光雷達(dá)技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于植被垂直結(jié)構(gòu)信息收集的質(zhì)量更高，可以將傳統(tǒng)遙感技術(shù)在獲取植被水平結(jié)構(gòu)信息時(shí)所體現(xiàn)出的不足完善，大大拓展了數(shù)據(jù)采集范圍。總體來(lái)看，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)遙感技術(shù)缺陷上，激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)明顯，所以在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)過(guò)程中可以將激光雷達(dá)應(yīng)用。

2 激光雷達(dá)在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 收集生態(tài)指標(biāo)

首先，可以將植被覆蓋度指標(biāo)提取。采用激光雷達(dá)能夠有效地收集廢棄礦山生態(tài)植被指標(biāo)，在激光雷達(dá)工作是，主要以兩種方法對(duì)目標(biāo)區(qū)域的植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，第一種方式是運(yùn)用CHM直接將所需數(shù)據(jù)收集整理，第二種方式是對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸納整理，分析出目標(biāo)區(qū)域的植被覆蓋度。其次，能夠?qū)χ脖黄茐拿娣e進(jìn)行計(jì)算[5]。在一些實(shí)例研究中，借助于激光雷達(dá)影像可以將目標(biāo)區(qū)域的植被、非植被數(shù)據(jù)收集整理，捕獲在細(xì)化區(qū)分地物上缺陷也十分明顯。廢棄礦山環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境缺陷問(wèn)題種類較多，所以很多時(shí)候，對(duì)廢棄礦山植被情況進(jìn)行了解時(shí)，需要獲得最為精確的植被破壞面積，這時(shí)一般會(huì)將激光雷達(dá)與遙感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，以此來(lái)進(jìn)一步區(qū)分植被圖斑，這可以大大提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。所以，在獲取廢棄礦山相關(guān)信息時(shí)，為了提升數(shù)據(jù)經(jīng)確性，應(yīng)該配合光學(xué)遙感技術(shù)一同應(yīng)用，這大大提升了生態(tài)修復(fù)質(zhì)量。

2.2 檢測(cè)土地指標(biāo)

在進(jìn)行礦山開采時(shí)，所選擇的開采方式不同，對(duì)于礦山生態(tài)環(huán)境造成的影響程度也不同，所以土地?fù)p壞指標(biāo)也不同。在應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)后，可以進(jìn)一步地對(duì)廢棄礦山生態(tài)結(jié)構(gòu)中的土地?fù)p毀指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，能夠獲得更多高密度檢測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)，進(jìn)而分析出廢棄礦山土地?fù)p毀程度，使得決策者能夠更為科學(xué)地制定修復(fù)方案[6]。其次，提取參數(shù)信息上，采用激光雷達(dá)技術(shù)也有著巨大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)激光雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，并將目標(biāo)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集起來(lái)，之后將收集的數(shù)據(jù)整理，通過(guò)去噪、拼接能夠獲得更為直觀的數(shù)據(jù)，然后構(gòu)建高精度DEM，進(jìn)一步將廢棄礦山土地?fù)p毀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)獲取。

此外，利用不同階段收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)所侯建出的DEM，能夠分析土地?fù)p毀情況，將多個(gè)DEM疊加在一起進(jìn)行綜合性的分析，可以將土地?fù)p毀類中的一些突出性數(shù)據(jù)找出，然后動(dòng)態(tài)地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督管理，最終調(diào)整土地修復(fù)措施，使得土地修復(fù)的合理性得到凸顯，只有確保土地結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，才能夠?qū)⑿迯?fù)工作開展下去，為修復(fù)工作提供穩(wěn)定的環(huán)境。

2.3 提取土壤指標(biāo)

首先，可以將水力侵蝕類指標(biāo)獲取。在大多礦上中，水土流失現(xiàn)象問(wèn)題都十分嚴(yán)重。一般情況下，礦山開采活動(dòng)主要以露天開采形式為主，這種開采形式所帶來(lái)的問(wèn)題是大量松散堆積物堆積在作業(yè)空間，所以很容易導(dǎo)致徑流問(wèn)題出現(xiàn)在這些堆積區(qū)域，徑流問(wèn)題持續(xù)加重，則會(huì)出現(xiàn)泥石流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。雖然一些礦山也會(huì)以地下開采方式為主進(jìn)行開采，但是也會(huì)導(dǎo)致地表出現(xiàn)變形問(wèn)題，礦山地表面層坡度增大，也會(huì)引發(fā)以上災(zāi)害。所以，如果想要將廢棄礦山生態(tài)修復(fù)工作做好，則應(yīng)該首先解決水土流失問(wèn)題。而在開展廢棄礦山水土修復(fù)時(shí)，借助于激光雷達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域的土壤信息進(jìn)行收集，將收集的數(shù)據(jù)整合在一起，反映水土流失情況，并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息模型提升修復(fù)方案，將多期DEM綜合在一起對(duì)水土修復(fù)模型進(jìn)行分析，能夠更好地將水力侵蝕深度測(cè)算出來(lái)，然后修復(fù)人員則能夠采取相應(yīng)措施開展修復(fù)作業(yè)，這可以大大將滑坡、崩塌等問(wèn)題減少。其次，能夠?qū)︼L(fēng)力侵蝕類指標(biāo)進(jìn)行提取。很多情況下，廢棄礦山風(fēng)力侵蝕會(huì)演變?yōu)橥恋厣郴瘑?wèn)題，借助于激光雷達(dá)能夠?qū)⒏黝愶L(fēng)力侵蝕各類指標(biāo)獲取，然后結(jié)合高密度等高線信息對(duì)礦山土地沙化數(shù)據(jù)分析并建立其DEM模型，通過(guò)模型可以將沙丘長(zhǎng)度、寬度等各類信息詳細(xì)地掌握，然后對(duì)沙化問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，能夠?yàn)榻鉀Q沙化問(wèn)題提供更多基本數(shù)據(jù)支撐，這大大增加了土壤修復(fù)治理，使得廢棄礦山修復(fù)工作質(zhì)量提升，大大增加了修復(fù)價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分凸顯，在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中激光雷打起到了重要作用，可以將各項(xiàng)修復(fù)工作優(yōu)化，獲取更多修復(fù)數(shù)據(jù)，借助于激光雷達(dá)技術(shù)可以切實(shí)掌握廢棄礦山的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，幫助決策這科學(xué)地制定修復(fù)策略，這對(duì)于改善廢棄礦山環(huán)境，促進(jìn)人魚自然和諧發(fā)展有著重要意義。所以在廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中，應(yīng)該切實(shí)將激光雷達(dá)的作用發(fā)揮，使得更像修復(fù)工作有序開展。