无人机视角下的矿区水土保持研究—以本溪思山矿区为例

柳克松

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）

近些年矿区周边土地利用状况与矿区生态环境持续恶化，矿区生态保护迫在眉睫，矿区生态恢复与治理已成为当前研究的热点[1]。矿区的水土保持度是衡量矿区生态恢复情况的主要指标之一[2]，土方量的精确计算是水土保持监测的重要手段。在传统的土方量计算方法中，散点法适用于地形起伏小且高程点分布较为均匀地区[3-4]；方格网法对高程的测量有着更高要求。随着倾斜摄影测量的飞速发展，数字高程模型应用在土方量计算中优势明显[5-6]，但是其对于矿区低山丘陵区域的复杂地形下土方量计算未能提出完整的处理方法。针对具有低山丘陵区域特征的矿区水土保持监测困难的问题，基于无人机倾斜摄影测量—数字高程模型技术对矿区进行土方量多次计算，得到矿区水土流失比例，引入土壤流失方程，准确评估水土保持率，结合矿区地质土壤分布特性，为矿区生态恢复评估提供技术支撑。

1 原理与方法

1.1 水土保持监测基本原理

本文水土保持监测的原理以土方量多次计算为基础，结合水土流失模型完成水土保持研究。土方计算的基础数据是倾斜摄影测量获得的DEM数据，它以离散的数字进行表达，关系式表示如下：

Z=f（x，y）i=1,2,3...,n（1）式中：x、y分别为离散变量，表示地表网格某点的坐标；Z表示该点对应的高程。土方量计算即为一个二重积分的应用，基于栅格相减的方法，并将所有格网的单元计算的量进行统计，实现低山丘陵区域的土方量计算。

为研究水土保持率，引入通用土壤流失方程A=R×K×LS。此方程未将植被覆盖度与特定保护措施作为影响因子。A是模型预测的年土壤侵蚀量；R是降雨侵蚀力因子，即为降水产生的径流对土壤造成侵蚀的动力指标。以月平均降雨量和年平均降雨量为基数，R可表示为如公式（2）所示[7]，其中Pi为月平均降雨量，P为年平均降雨量。

式中：LS为地形因子，L即坡长因子，是指标准化到22.13 m 坡长上的土壤侵蚀量；S即坡度因子，是指标准化到5.14°坡度下的土壤侵蚀量。在实际的研究中小尺度研究区直接利用实测地形数据，而大尺度研究区会利用DEM 数据提取信息来计算LS因子。本文研究区为大尺度区域，利用无人机倾斜摄影测量技术生成的DEM 作为计算地形因子的基础数据。K是土壤可蚀性因子，其反映了土壤对侵蚀应力分离和搬运作用的敏感性。

1.2 技术路线

基于无人机航空倾斜摄影测量技术获取基础影像数据，采用GPS RTK 技术进行野外像控点测量，运用ContextCapture 软件进行空三加密等处理生成DEM 和DOM。进而将获取的DEM 导入ArcGIS 中，进行原地貌高程统计，推演规划设计地貌，计算其与原地貌高程差值，获得矿区的土方量。收集降雨数据、计算LS因子与土壤可蚀性因子，进而计算土壤侵蚀量，与DEM 土方量计算相互印证。技术路线图如图1。

2 实验与分析

2.1 实验区概况

矿区位于辽宁省本溪市东南郊16 km，南芬区北9 km 处思山岭村北侧一带，矿区面积3.74 km2。地形以低山丘陵区域为主，矿区废石场所在区域土层较薄，施工前地表土未剥离，未有其他相关水土保持措施布设。

2.2 基础数据处理与土方计算

2.2.1 场地影像采集

本文通过对实测区域的实地勘察，结合《低空数字摄影航空摄影测量外业规范》要求，对飞行区域与航线规划如下：采用飞马D2000 搭配DOP-3000 镜头对矿区进行倾斜摄影测量，在飞行区域内共规划航线1 条，设置仿地飞行高度为120 m，地面采样距离为3 cm，飞行路线的旁向重叠为70%，航向重叠为80%，本航线共获取的相片数为27 000余张。本实验在实验区域内均匀设置地面像控点121 个，每个像控点间距为10 m，在地形复杂区域处适当加密像控点。研究区域如图2。

图 1 技术路线图

图2 研究区域

2.2.2 三维模型处理

（1）在Contextcapture 中导入无人机航测相片并进行空中三角测量后，输入地面相控坐标数据结合倾斜相片进行刺点工作，完成矿区绝对三维模型的生成；（2）数字高程模型生成与研究区域土方计算。在矿区三维模型中选取地面高程点，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 计算分析得到坡度分析如图3。

图3 坡度计算分析图

针对潜在水土流失区域大多位于坡度较陡区域，因此结合坡度分析图中坡度范围在12°～25°、25°～35°、35°～90°内水土保持度较差，故在三维模型中提取坡长参数作为水土保持度分析因素之一。提取坡长区域如图4，坡长见表1。

表1 坡长统计表

图 4 坡长图

2.3 水土保持度分析

项目区主要土壤类型为棕壤土、草甸土、水稻土三种土类，工程占地范围内土壤类型以棕壤土为主，土层较薄，厚度在10～30 cm 不等。项目区处于长白植物区系与华北植物区系的交汇区，地带性植被为温带针阔叶混交林，林草覆盖率为72.60%。土壤侵蚀类型区为东北黑土区-长白山山地丘陵区，土壤侵蚀类型主要以水力侵蚀为主。结合上述坡长、坡度数据及将年平均降雨量等因子换算到同一投影坐标系下，像元大小为30 m×30 m，基于ArcGIS10.2 栅格运算，根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》可将水土流失分为6 个等级，即微度侵蚀为小于500 t/km2，轻度侵蚀为500～2500 t/km2，中 度 侵 蚀 为2500～5000 t/km2，强 度 侵 蚀5000～8000 t/km2， 极 强 度 侵 蚀 为8000～15 000 t/km2，剧烈侵蚀为大于等于15 000 t/km2。对其进行栅格分类，得到各个侵蚀等级像元数见表2。

表2 土壤侵蚀强度分级栅格统计

项目区域平均土壤侵蚀模数为：占比最大的等级为轻度侵蚀占比50.40%，其次是微度侵蚀占比21.94%，中度侵蚀以上占比达到27.66%，整个研究区侵蚀强度较大。

3 结论

本文提出的方法针对矿区水土保持研究特点为：结合坡长、坡度数据及将年平均降雨量等因子换算到同投影坐标系下，计算各等级土壤侵蚀等级面积占比，结果依次为微度侵蚀占比21.94%、轻度侵蚀占比50.40%、中度侵蚀占比12.90%、强度侵蚀占比9.04%、极强度侵蚀占比5.31%、剧烈侵蚀占比0.40%。从各等级占比中可得矿区水土保持度较差。此外无人机影像不仅详细展现矿区内的地表地物，还可通过DEM 计算矿区土方量，在多视角下为矿山生态监测提供直接的信息支撑。