機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

王曉星

（銀川市勘察測繪院，寧夏 銀川 750001）

礦產(chǎn)資源是現(xiàn)今社會不可或缺的資源類型之一，礦產(chǎn)資源的開發(fā)愈發(fā)迅速，也就導(dǎo)致礦山生態(tài)環(huán)境問題隨之凸顯，水土流失、土地荒漠化、環(huán)境污染等問題嚴(yán)重，不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。因此，礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測受到了人們的廣泛關(guān)注，應(yīng)用了一系列的遙感技術(shù)來進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，但實際效果卻較為低下，究其根本是缺乏完善的礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系，且礦山生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣，僅憑傳統(tǒng)遙感技術(shù)受到時空限制較為嚴(yán)重，地形識別能力差、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度低，也就制約了實際的監(jiān)測效率。而激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)有效地改變了這一現(xiàn)狀，激光雷達(dá)技術(shù)被譽(yù)為繼GPS技術(shù)之后的又一技術(shù)革命，其具備著主動性強(qiáng)、穿透性強(qiáng)、實時性強(qiáng)、掃描速度快以及精度高的特點，十分契合礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的需求。

1 礦山生態(tài)環(huán)境問題和傳統(tǒng)遙感技術(shù)

1.1 礦山生態(tài)環(huán)境問題

礦山的地形地貌是自然生態(tài)環(huán)境的重要組成部分[1]。礦山開采方式的不同也引發(fā)了不同性質(zhì)的生態(tài)環(huán)境。露天開采對生態(tài)環(huán)境的破壞集中于地表層，造成嚴(yán)重的土地?fù)p毀，而地下開采對生態(tài)環(huán)境的破壞則集中于地下層，出現(xiàn)了水體污染、地面下陷等問題。

露天開采無疑會大規(guī)模的剝離土層、巖體，所以地表的植被結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)就會受到破壞。如排土場建設(shè)、道路占地、開礦用地建設(shè)等，都會導(dǎo)致土地嚴(yán)重?fù)p毀，還會一定程度影響周圍山體的穩(wěn)定性，從而引發(fā)水土流失、山體滑坡等現(xiàn)象。此外，則是堆積廢物造成的土壤污染問題。

而礦山地下開采卻帶來了更為復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境問題。地下開采會使地下產(chǎn)生挖空區(qū)和崩塌、裂縫等，相較于露天開采的地表損毀而言，地下開采的影響更加多元，不僅會影響土地，還會影響水資源與地表植被生長。地下開采的過程中需要將水資源大量的抽出，而這就導(dǎo)致了地下水系受到了一定破壞，容易導(dǎo)致地下水位下降。

1.2 礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中傳統(tǒng)遙感技術(shù)的弊端

早在20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國家就逐漸地將遙感技術(shù)應(yīng)用于礦山環(huán)境監(jiān)測，而我國卻在20世紀(jì)90年代后期才將其逐漸地運(yùn)用，以治理礦山生態(tài)環(huán)境[2]。雖然我國遙感技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中起步晚，但進(jìn)步速度卻較為快速。2014至今，我國逐漸應(yīng)用了多項遙感技術(shù)展開了對礦山生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的提取工作。如部分學(xué)者利用多光譜數(shù)據(jù)，分析了礦區(qū)土地退化特征、礦山土壤侵蝕問題、泥石流潛在危害等，也有部分學(xué)者借助高分辨率數(shù)據(jù)分析了礦區(qū)裂縫對植被生長的影響、分析了土地退化中存在的人為因素，更是利用多種遙感數(shù)據(jù)分析了草原礦山區(qū)域的土地退化特征。

雖然傳統(tǒng)遙感技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了對礦山生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，但有效性還是較為有限，由于傳統(tǒng)遙感技術(shù)的本身特點，決定了只能局限于大范圍、單一指標(biāo)的監(jiān)測，且存在多方面的不足。首先，就礦山垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)而言，就無法實現(xiàn)有效的獲取，并且實際的監(jiān)測局限于土地?fù)p毀、植被破壞等水平角度的地表環(huán)境監(jiān)測，垂直結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取有限[3]。其次，監(jiān)測精度低，即便將地表為參考對象，但精度、層次還是相對偏低。最后，滯后性。遙感技術(shù)無法第一時間發(fā)現(xiàn)礦山生態(tài)問題，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境監(jiān)測缺乏實效性。不難看出，傳統(tǒng)遙感技術(shù)雖然一定程度地實現(xiàn)了對礦山生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，但受到時空分辨率、結(jié)構(gòu)性設(shè)計的影響，導(dǎo)致礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測局限性較強(qiáng)，急需開發(fā)新技術(shù)來實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)提取不足的缺陷。

2 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)原理

激光雷達(dá)技術(shù)是利用激光測距原理來實現(xiàn)空間位置測定的新型測量儀器，是主動遙感技術(shù)。結(jié)合其工作方式的不同，主要劃分為兩類，分別是脈沖式和相位式，目前應(yīng)用最廣泛的是脈沖式激光雷達(dá)。而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)無疑更加適宜礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，是飛在空中的激光雷達(dá)技術(shù)，主要包括激光測距系統(tǒng)、位置姿態(tài)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載機(jī)平臺，優(yōu)勢在于飛行速度快且測定范圍大，定位的精度可以達(dá)到10cm，飛行高度達(dá)6000m，掃描寬度為1.8km，如下圖所示。

針對礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測來說，即是對生態(tài)破壞、環(huán)境污染等指標(biāo)的提取，而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以提取大部分的精確類指標(biāo)，借助激光雷達(dá)技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)可以對礦山進(jìn)行精準(zhǔn)的建模，從而顯著提高指標(biāo)精度。并且借助激光雷達(dá)技術(shù)和其他技術(shù)的組合，就能彌補(bǔ)傳統(tǒng)遙感技術(shù)垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取不足的缺陷，對提高監(jiān)測效率、監(jiān)測精度有著顯著的作用，所以十分適宜用于礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。

圖1 機(jī)載雷達(dá)監(jiān)測礦山生態(tài)環(huán)境示意圖

2.2 在礦山生態(tài)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測中的應(yīng)用

2.2.1 生態(tài)完整性損失類指標(biāo)提取

首先，就植被覆蓋度指標(biāo)的提取而言，激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用方法有兩種，一種是在提取的過程中直接利用CHM提取，另一種則是利用三維點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合后直接提取植被覆蓋度。其次，就植被破壞面積的指標(biāo)提取而言。激光雷達(dá)影像可以自主分析出植被區(qū)與非植被區(qū)的區(qū)別，但卻很難進(jìn)一步的細(xì)致劃分。但是礦山的生態(tài)環(huán)境無疑是十分復(fù)雜的，所以在提取礦山植被破壞面積時，應(yīng)將激光雷達(dá)技術(shù)和傳統(tǒng)遙感技術(shù)組合應(yīng)用，進(jìn)行植被的區(qū)分與指標(biāo)提取。因此，在實際的激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)注意巧妙結(jié)合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，從而使植被破壞面積指標(biāo)的提取更為精準(zhǔn)化。

2.2.2 土地?fù)p毀類指標(biāo)提取

礦山生態(tài)環(huán)境的破壞形式和礦山開采的方式息息相關(guān)，但引發(fā)的后果卻有著異曲同工之妙。借助激光雷達(dá)技術(shù)，就可以實現(xiàn)礦山土地?fù)p毀類指標(biāo)的精確提取，并借此分析礦山土地?fù)p毀程度。進(jìn)行指標(biāo)參數(shù)的提取中，激光雷達(dá)技術(shù)的效果顯著，只需要掃描目標(biāo)就可以獲取三維點云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行去噪、拼接以及濾波處理后，就可以獲取出準(zhǔn)確精度的DeM，從而獲取到礦山的露天采礦場、排土場地等實際情況的指標(biāo)，借助不同時間段獲取的數(shù)據(jù)所生成DeM，對比分析后就能夠清晰地發(fā)現(xiàn)土地?fù)p毀類指標(biāo)的變化，也就有效實現(xiàn)了礦山土地?fù)p毀類指標(biāo)的動態(tài)化監(jiān)測[4]。

2.2.3 土壤侵蝕類指標(biāo)提取

土壤侵蝕主要包括水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕兩種。就水力侵蝕而言，大都表現(xiàn)為水土流失的形式。露天開采會產(chǎn)生大量堆積物，就容易出現(xiàn)匯集流動，從而引發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害，還增加了河流的泥沙量。地下開采就會使地底空虛，從而導(dǎo)致山體坡度增大，加大侵蝕效果。因此為了保障礦山開采，就需要保護(hù)好山體邊坡，從而避免滑坡、坍塌現(xiàn)象[5]。運(yùn)用GPS測繪精度較低，而激光雷達(dá)技術(shù)就可以采集高精度的等高線以及高密度的礦山DeM，反映出實時的水土流失情況，并通過多期的DeM疊加分析，就可以清楚測算水力侵蝕力度、深度等，測量出山體坡度的坡長、坡度等，可以實現(xiàn)對水力侵蝕的動態(tài)測算。

就風(fēng)力侵蝕而言，風(fēng)力侵蝕導(dǎo)致的主要形式是土地沙化，而借助激光雷達(dá)技術(shù)就能有效提取風(fēng)力侵蝕的各項指標(biāo)，采用高密度的等高線與土地沙化高精度的DeM數(shù)據(jù)，就可以精確分析出沙丘的長度、寬度、高度、形態(tài)等具體數(shù)據(jù)，經(jīng)過多期的DeM數(shù)據(jù)疊加分析和模型演變后，就能夠?qū)︼L(fēng)力侵蝕造成的沙丘沙波紋、體積等進(jìn)行動態(tài)計算，從而為決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語

綜上所述，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)對礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測有著較強(qiáng)的適用性，有著良好的應(yīng)用價值，通過激光雷達(dá)技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)的有效結(jié)合，就能發(fā)揮出激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢，更加精確、全面的分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，為礦山的開發(fā)和保護(hù)奠定了堅實基礎(chǔ)。因此，應(yīng)不斷探索激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用路徑，最大化其應(yīng)用價值。