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(shè)計中的應(yīng)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(shè)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(shè)計中無人機航測及三維模型新技術(shù)的應(yīng)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(shè)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(shè)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)樨摰匦危叶嘁逊e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(shè)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(chǔ)控制點的平面位置中誤差不應(yīng)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(chǔ)控制點的高程中誤差不應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(chǔ)。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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計效果圖

表2 礦山生態(tài)修復設(shè)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(chǔ)。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(shè)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(chǔ)。

（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(yīng)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(yīng)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。