無人機視角下的礦區(qū)水土保持研究—以本溪思山礦區(qū)為例

柳克松

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000）

近些年礦區(qū)周邊土地利用狀況與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，礦區(qū)生態(tài)保護迫在眉睫，礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與治理已成為當前研究的熱點[1]。礦區(qū)的水土保持度是衡量礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)情況的主要指標之一[2]，土方量的精確計算是水土保持監(jiān)測的重要手段。在傳統(tǒng)的土方量計算方法中，散點法適用于地形起伏小且高程點分布較為均勻地區(qū)[3-4]；方格網(wǎng)法對高程的測量有著更高要求。隨著傾斜攝影測量的飛速發(fā)展，數(shù)字高程模型應(yīng)用在土方量計算中優(yōu)勢明顯[5-6]，但是其對于礦區(qū)低山丘陵區(qū)域的復(fù)雜地形下土方量計算未能提出完整的處理方法。針對具有低山丘陵區(qū)域特征的礦區(qū)水土保持監(jiān)測困難的問題，基于無人機傾斜攝影測量—數(shù)字高程模型技術(shù)對礦區(qū)進行土方量多次計算，得到礦區(qū)水土流失比例，引入土壤流失方程，準確評估水土保持率，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)土壤分布特性，為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)評估提供技術(shù)支撐。

1 原理與方法

1.1 水土保持監(jiān)測基本原理

本文水土保持監(jiān)測的原理以土方量多次計算為基礎(chǔ)，結(jié)合水土流失模型完成水土保持研究。土方計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是傾斜攝影測量獲得的DEM數(shù)據(jù)，它以離散的數(shù)字進行表達，關(guān)系式表示如下：

Z=f（x，y）i=1,2,3...,n（1）式中：x、y分別為離散變量，表示地表網(wǎng)格某點的坐標；Z表示該點對應(yīng)的高程。土方量計算即為一個二重積分的應(yīng)用，基于柵格相減的方法，并將所有格網(wǎng)的單元計算的量進行統(tǒng)計，實現(xiàn)低山丘陵區(qū)域的土方量計算。

為研究水土保持率，引入通用土壤流失方程A=R×K×LS。此方程未將植被覆蓋度與特定保護措施作為影響因子。A是模型預(yù)測的年土壤侵蝕量；R是降雨侵蝕力因子，即為降水產(chǎn)生的徑流對土壤造成侵蝕的動力指標。以月平均降雨量和年平均降雨量為基數(shù)，R可表示為如公式（2）所示[7]，其中Pi為月平均降雨量，P為年平均降雨量。

式中：LS為地形因子，L即坡長因子，是指標準化到22.13 m 坡長上的土壤侵蝕量；S即坡度因子，是指標準化到5.14°坡度下的土壤侵蝕量。在實際的研究中小尺度研究區(qū)直接利用實測地形數(shù)據(jù)，而大尺度研究區(qū)會利用DEM 數(shù)據(jù)提取信息來計算LS因子。本文研究區(qū)為大尺度區(qū)域，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)生成的DEM 作為計算地形因子的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。K是土壤可蝕性因子，其反映了土壤對侵蝕應(yīng)力分離和搬運作用的敏感性。

1.2 技術(shù)路線

基于無人機航空傾斜攝影測量技術(shù)獲取基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)，采用GPS RTK 技術(shù)進行野外像控點測量，運用ContextCapture 軟件進行空三加密等處理生成DEM 和DOM。進而將獲取的DEM 導(dǎo)入ArcGIS 中，進行原地貌高程統(tǒng)計，推演規(guī)劃設(shè)計地貌，計算其與原地貌高程差值，獲得礦區(qū)的土方量。收集降雨數(shù)據(jù)、計算LS因子與土壤可蝕性因子，進而計算土壤侵蝕量，與DEM 土方量計算相互印證。技術(shù)路線圖如圖1。

2 實驗與分析

2.1 實驗區(qū)概況

礦區(qū)位于遼寧省本溪市東南郊16 km，南芬區(qū)北9 km 處思山嶺村北側(cè)一帶，礦區(qū)面積3.74 km2。地形以低山丘陵區(qū)域為主，礦區(qū)廢石場所在區(qū)域土層較薄，施工前地表土未剝離，未有其他相關(guān)水土保持措施布設(shè)。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與土方計算

2.2.1 場地影像采集

本文通過對實測區(qū)域的實地勘察，結(jié)合《低空數(shù)字攝影航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》要求，對飛行區(qū)域與航線規(guī)劃如下：采用飛馬D2000 搭配DOP-3000 鏡頭對礦區(qū)進行傾斜攝影測量，在飛行區(qū)域內(nèi)共規(guī)劃航線1 條，設(shè)置仿地飛行高度為120 m，地面采樣距離為3 cm，飛行路線的旁向重疊為70%，航向重疊為80%，本航線共獲取的相片數(shù)為27 000余張。本實驗在實驗區(qū)域內(nèi)均勻設(shè)置地面像控點121 個，每個像控點間距為10 m，在地形復(fù)雜區(qū)域處適當加密像控點。研究區(qū)域如圖2。

圖 1 技術(shù)路線圖

圖2 研究區(qū)域

2.2.2 三維模型處理

（1）在Contextcapture 中導(dǎo)入無人機航測相片并進行空中三角測量后，輸入地面相控坐標數(shù)據(jù)結(jié)合傾斜相片進行刺點工作，完成礦區(qū)絕對三維模型的生成；（2）數(shù)字高程模型生成與研究區(qū)域土方計算。在礦區(qū)三維模型中選取地面高程點，起算面高程300 m，填方3 208 332.678 2 m3，挖方168 039.007 3 m3，并由DEM 計算分析得到坡度分析如圖3。

圖3 坡度計算分析圖

針對潛在水土流失區(qū)域大多位于坡度較陡區(qū)域，因此結(jié)合坡度分析圖中坡度范圍在12°～25°、25°～35°、35°～90°內(nèi)水土保持度較差，故在三維模型中提取坡長參數(shù)作為水土保持度分析因素之一。提取坡長區(qū)域如圖4，坡長見表1。

表1 坡長統(tǒng)計表

圖 4 坡長圖

2.3 水土保持度分析

項目區(qū)主要土壤類型為棕壤土、草甸土、水稻土三種土類，工程占地范圍內(nèi)土壤類型以棕壤土為主，土層較薄，厚度在10～30 cm 不等。項目區(qū)處于長白植物區(qū)系與華北植物區(qū)系的交匯區(qū)，地帶性植被為溫帶針闊葉混交林，林草覆蓋率為72.60%。土壤侵蝕類型區(qū)為東北黑土區(qū)-長白山山地丘陵區(qū)，土壤侵蝕類型主要以水力侵蝕為主。結(jié)合上述坡長、坡度數(shù)據(jù)及將年平均降雨量等因子換算到同一投影坐標系下，像元大小為30 m×30 m，基于ArcGIS10.2 柵格運算，根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》可將水土流失分為6 個等級，即微度侵蝕為小于500 t/km2，輕度侵蝕為500～2500 t/km2，中 度 侵 蝕 為2500～5000 t/km2，強 度 侵 蝕5000～8000 t/km2， 極 強 度 侵 蝕 為8000～15 000 t/km2，劇烈侵蝕為大于等于15 000 t/km2。對其進行柵格分類，得到各個侵蝕等級像元數(shù)見表2。

表2 土壤侵蝕強度分級柵格統(tǒng)計

項目區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)為：占比最大的等級為輕度侵蝕占比50.40%，其次是微度侵蝕占比21.94%，中度侵蝕以上占比達到27.66%，整個研究區(qū)侵蝕強度較大。

3 結(jié)論

本文提出的方法針對礦區(qū)水土保持研究特點為：結(jié)合坡長、坡度數(shù)據(jù)及將年平均降雨量等因子換算到同投影坐標系下，計算各等級土壤侵蝕等級面積占比，結(jié)果依次為微度侵蝕占比21.94%、輕度侵蝕占比50.40%、中度侵蝕占比12.90%、強度侵蝕占比9.04%、極強度侵蝕占比5.31%、劇烈侵蝕占比0.40%。從各等級占比中可得礦區(qū)水土保持度較差。此外無人機影像不僅詳細展現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)的地表地物，還可通過DEM 計算礦區(qū)土方量，在多視角下為礦山生態(tài)監(jiān)測提供直接的信息支撐。