機載激光雷達技術在礦山生態環境監測中的應用

王曉星

（銀川市勘察測繪院，寧夏 銀川 750001）

礦產資源是現今社會不可或缺的資源類型之一，礦產資源的開發愈發迅速，也就導致礦山生態環境問題隨之凸顯，水土流失、土地荒漠化、環境污染等問題嚴重，不利于生態環境的保護。因此，礦山生態環境監測受到了人們的廣泛關注，應用了一系列的遙感技術來進行礦山生態環境的監測，但實際效果卻較為低下，究其根本是缺乏完善的礦山生態環境監測體系，且礦山生態環境復雜多樣，僅憑傳統遙感技術受到時空限制較為嚴重，地形識別能力差、數據精準度低，也就制約了實際的監測效率。而激光雷達技術的出現有效地改變了這一現狀，激光雷達技術被譽為繼GPS技術之后的又一技術革命，其具備著主動性強、穿透性強、實時性強、掃描速度快以及精度高的特點，十分契合礦山生態環境監測的需求。

1 礦山生態環境問題和傳統遙感技術

1.1 礦山生態環境問題

礦山的地形地貌是自然生態環境的重要組成部分[1]。礦山開采方式的不同也引發了不同性質的生態環境。露天開采對生態環境的破壞集中于地表層，造成嚴重的土地損毀，而地下開采對生態環境的破壞則集中于地下層，出現了水體污染、地面下陷等問題。

露天開采無疑會大規模的剝離土層、巖體，所以地表的植被結構、生態系統就會受到破壞。如排土場建設、道路占地、開礦用地建設等，都會導致土地嚴重損毀，還會一定程度影響周圍山體的穩定性，從而引發水土流失、山體滑坡等現象。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雜的生態環境問題。地下開采會使地下產生挖空區和崩塌、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，而這就導致了地下水系受到了一定破壞，容易導致地下水位下降。

1.2 礦山生態環境監測中傳統遙感技術的弊端

早在20世紀70年代，發達國家就逐漸地將遙感技術應用于礦山環境監測，而我國卻在20世紀90年代后期才將其逐漸地運用，以治理礦山生態環境[2]。雖然我國遙感技術在礦山生態環境監測中起步晚，但進步速度卻較為快速。2014至今，我國逐漸應用了多項遙感技術展開了對礦山生態環境指標的提取工作。如部分學者利用多光譜數據，分析了礦區土地退化特征、礦山土壤侵蝕問題、泥石流潛在危害等，也有部分學者借助高分辨率數據分析了礦區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據分析了草原礦山區域的土地退化特征。

雖然傳統遙感技術的應用實現了對礦山生態環境的監測，但有效性還是較為有限，由于傳統遙感技術的本身特點，決定了只能局限于大范圍、單一指標的監測，且存在多方面的不足。首先，就礦山垂直結構參數而言，就無法實現有效的獲取，并且實際的監測局限于土地損毀、植被破壞等水平角度的地表環境監測，垂直結構數據獲取有限[3]。其次，監測精度低，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。遙感技術無法第一時間發現礦山生態問題，導致生態環境監測缺乏實效性。不難看出，傳統遙感技術雖然一定程度地實現了對礦山生態環境的監測，但受到時空分辨率、結構性設計的影響，導致礦山生態環境監測局限性較強，急需開發新技術來實現垂直結構參數提取不足的缺陷。

2 機載激光雷達技術在礦山生態環境監測中的應用

2.1 機載激光雷達技術原理

激光雷達技術是利用激光測距原理來實現空間位置測定的新型測量儀器，是主動遙感技術。結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，目前應用最廣泛的是脈沖式激光雷達。而機載激光雷達技術無疑更加適宜礦山生態環境監測，是飛在空中的激光雷達技術，主要包括激光測距系統、位置姿態系統、控制系統和載機平臺，優勢在于飛行速度快且測定范圍大，定位的精度可以達到10cm，飛行高度達6000m，掃描寬度為1.8km，如下圖所示。

針對礦山生態環境監測來說，即是對生態破壞、環境污染等指標的提取，而機載激光雷達技術可以提取大部分的精確類指標，借助激光雷達技術獲取的點云數據可以對礦山進行精準的建模，從而顯著提高指標精度。并且借助激光雷達技術和其他技術的組合，就能彌補傳統遙感技術垂直結構參數獲取不足的缺陷，對提高監測效率、監測精度有著顯著的作用，所以十分適宜用于礦山生態環境監測。

圖1 機載雷達監測礦山生態環境示意圖

2.2 在礦山生態環境指標監測中的應用

2.2.1 生態完整性損失類指標提取

首先，就植被覆蓋度指標的提取而言，激光雷達技術的應用方法有兩種，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據統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提取而言。激光雷達影像可以自主分析出植被區與非植被區的區別，但卻很難進一步的細致劃分。但是礦山的生態環境無疑是十分復雜的，所以在提取礦山植被破壞面積時，應將激光雷達技術和傳統遙感技術組合應用，進行植被的區分與指標提取。因此，在實際的激光雷達技術應用過程中，應注意巧妙結合光學遙感數據，從而使植被破壞面積指標的提取更為精準化。

2.2.2 土地損毀類指標提取

礦山生態環境的破壞形式和礦山開采的方式息息相關，但引發的后果卻有著異曲同工之妙。借助激光雷達技術，就可以實現礦山土地損毀類指標的精確提取，并借此分析礦山土地損毀程度。進行指標參數的提取中，激光雷達技術的效果顯著，只需要掃描目標就可以獲取三維點云數據，并進行去噪、拼接以及濾波處理后，就可以獲取出準確精度的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，借助不同時間段獲取的數據所生成DeM，對比分析后就能夠清晰地發現土地損毀類指標的變化，也就有效實現了礦山土地損毀類指標的動態化監測[4]。

2.2.3 土壤侵蝕類指標提取

土壤侵蝕主要包括水力侵蝕和風力侵蝕兩種。就水力侵蝕而言，大都表現為水土流失的形式。露天開采會產生大量堆積物，就容易出現匯集流動，從而引發滑坡、泥石流等災害，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，就需要保護好山體邊坡，從而避免滑坡、坍塌現象[5]。運用GPS測繪精度較低，而激光雷達技術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，可以實現對水力侵蝕的動態測算。

就風力侵蝕而言，風力侵蝕導致的主要形式是土地沙化，而借助激光雷達技術就能有效提取風力侵蝕的各項指標，采用高密度的等高線與土地沙化高精度的DeM數據，就可以精確分析出沙丘的長度、寬度、高度、形態等具體數據，經過多期的DeM數據疊加分析和模型演變后，就能夠對風力侵蝕造成的沙丘沙波紋、體積等進行動態計算，從而為決策提供可靠的數據支持。

3 結語

綜上所述，機載激光雷達技術對礦山生態環境監測有著較強的適用性，有著良好的應用價值，通過激光雷達技術和其他科學技術的有效結合，就能發揮出激光雷達技術的優勢，更加精確、全面的分析礦區生態環境，為礦山的開發和保護奠定了堅實基礎。因此，應不斷探索激光雷達技術的應用路徑，最大化其應用價值。