煤矸石山生態利用工程中現狀測繪與成圖方法

趙艷玲，胡振琪，梁 爽，楊成兵

（中國礦業大學（北京）土地復墾與生態重建研究所，北京100083）

一、引 言

煤矸石是煤的伴生廢石，是在掘進、開采和洗煤過程中排出的固體廢物，產生量一般要占原煤的10% ～20%［1］。我國每年排出的矸石量約為產量的10%，占全國工業廢棄物的1/4［2］。生態利用是煤矸石綜合利用的途徑之一，尤其是對于已經堆積多年、具有自燃傾向的煤矸石山，而建立穩定的人工植物群落是煤矸石山生態利用的根本途徑［3］，其中，矸石山整形整地是必要步驟［1］。地形圖是進行各種工程所必需的基礎資料，矸石山生態利用同樣需要具有良好現勢性的地形圖。由于煤矸石山生態恢復工程有其自身的特點，其地形測繪及成圖工作既有與普通地形測繪相似之處，又有其特殊要求。

本文以北京市門頭溝區某矸石山生態恢復工程為例，基于煤矸石山生態恢復的特點，介紹了三維激光掃描與RTK技術相結合的地形測繪方法，并給出了成圖方法及示例，為煤矸石山生態利用提供了可靠的前期基礎資料，也為其他類似工程提供了借鑒。

二、研究區概況

研究區位于北京市門頭溝區的龍泉鎮境內，地理坐標為(39.55°N，116.24°E)，煤矸石堆積場面積約為6.09 hm2，已停止排矸約20年，呈兩級平臺，在二級平臺上堆積有落差約70 m的錐形山體，占地2.97 hm2(如圖1所示)。

由于人工私挖，錐形山體西側和北側有自然冒落痕跡，坡度大于45°，呈小落差陡坎狀，陡坎至坡腳無任何植被，矸石形成松軟，極不穩定。山體東側及南側的中上坡至山頂，可見野生植被，植被均生長于風化層厚的山脊梁上，沿坡向呈縱向條帶狀分布。其中，喬木以臭椿為主，偶有洋槐，偶見十余年生喬木;草本以禾本科為主，但植被覆蓋密度小，生長凌亂，品種單一。喬木間距大，不利于水土保持和環境保護，不能有效防治矸石山對周圍環境及居民的影響，而東側坡下即為居住區。

圖1 研究區煤矸石山

為了適應北京市生態保護區的建設和鎮的經濟發展的主導思想，擬將該煤矸石山及其周邊的空地進行植被恢復，首先就要獲取矸石山的地形數據。

三、煤矸石山生態恢復工程地形測繪特點

同一般地形圖測繪步驟一樣，煤矸石山生態恢復工程的地形測繪遵循“先整體，后局部;先控制，后碎部”的原則。由于煤矸石山生態恢復工程的特點，其地形測繪有特殊要求，主要體現在:

1)地形地貌特征。不僅關注地形的起伏變化及一般的地貌地物，其煤矸石山地表風化層、大片矸石層及獨特的地表特征等信息也息息相關，應該在野外工作中加以施測。

2)地表植被特征。由于植被恢復的需要，除采集大面積的典型植被地類邊界點外，對于適應了矸石山環境長勢較好的小片或單獨存活的樹種的數據點采集也非常必要。

3)地物特征。除煤矸石山本身外，需要詳細地調查測繪矸石山周邊及相關的地物，如道路寬度、類型及聯絡等。

四、煤矸石山生態恢復工程現狀測繪方法及成圖

1.地形地貌測繪

傳統的地形地貌測繪方法一般要求在測站上安置儀器，所測碎部點與測站應通視，且測量速度慢，費工費時，而對矸石山生態恢復工程來說，快速施測是關鍵。而且對于研究區來說，由于錐形山體西側和北側冒落，坡度陡，不能設站，屬難及區域，東側與南側可以設站，因此將地形測繪分為兩個部分，即難及區域與一般區域。

（1）難及區域的地形測繪

對于難及區域，地形測繪方法有無棱鏡全站儀［4］、近景攝影測量［5］、三維激光掃描［6］等。考慮到快速和精度，采用三維激光掃描技術，其優點是速度快，現場節約時間，測量完整、精確，可多視角觀察可視化三維點云模型，且不需要接觸被測物體［6］，三維測繪技術也是對未來工程測量科技發展有較大影響的核心技術之一［7］。圖2(a)為掃描時的設站情況，圖2(b)為生成的三維模型及等高線。

圖2 利用三維激光掃描儀進行陡坡測繪

（2）一般區域的地形測繪

對于一般區域，常規的測繪方法均可使用。考慮到快速和應用精度，本研究采用RTK實時定位技術，該方法不需布設加密控制網，定位速度快、精度高［8］，而且研究區周圍主要是山地，干擾衛星信號的因素少，較之傳統的測量方法具有明顯的優勢。

按照RTK的技術流程［9］施測后的研究區三維模型如圖3所示。從圖3中可以看出，錐形山體的西側和北側為內插點生成，與實際陡坡差異較大。

圖3 基于RTK技術的研究區三維模型

（3）矸石山地貌界限特征點測繪

煤矸石山常年堆積，存在風化較好的地表層及風化不完全的大塊矸石地表層，因其不同直接影響生態修復工程的方案設計，故對矸石山地表層不同地貌加以區別，應沿其邊界線采集特征點，相隔2～5 m采集，以確定地貌邊界。對于陡坎，在陡坎成果圖中標示比高，如圖4所示。

圖4 地形圖陡坎比高的標注

2.地表植被測繪

由于研究區內在矸石地表局部區域有若干獨立長勢較好的臭椿，有的區域則有大片生長著的灌木叢，而有的區域植被卻趨向死亡，這些細微的區別應該在矸石山野外測繪時加以體現，以對后續植被恢復方案設計及樹種的優選起到重要的指導作用。具體如下:

1)采集矸石山地表植被長勢有差異的分界特征點，點間距平均2～5 m。

2)對于獨立植被單獨測點，記錄名稱、徑粗、株高等信息，并在成果圖中標示。圖5為獨立植被的符號標注。

圖5 獨立植被的符號標注

3.地物特征測繪

對于研究區來說，其周邊有一廢棄井口內的礦井水可作為后續煤矸石山生態恢復后初期養護所需的灌溉水源，因此必須測繪并標注。具體如圖6所示。

圖6 可用水源的廢棄房屋

五、結 論

本文在分析煤矸石山生態利用工程特點的基礎上，結合實例給出了現狀測繪的方法及成圖，為研究區的設計、施工提供了依據，所得有益結論包括:

1)與一般地形現狀相比，煤矸石山生態利用的現狀測繪有自身的細節要求。

2)由于煤矸石山地形復雜，測繪時會采用多種技術相結合。

3)由于沒有可參照的規程，特殊地物的成圖方法需要自行設計。

經工程參與人員驗證，依據本文提出的測繪要求及方法測得的地形圖滿足煤矸石山生態恢復工程設計及施工的要求。

［1］ 胡振琪，李鵬波，張光燦.煤矸石山復墾［M］.北京:煤炭工業出版社，2006.

［2］ 張新婷.淺談煤矸石山復墾綠化的生態效應［J］.山西焦煤科技，2007(8):15-17.

［3］ 胡振琪，張光燦，魏忠義，等.煤矸石山的植物種群生長及其對土壤理化特性的影響［J］.中國礦業大學學報，2003，32(5):491-495.

［4］ 王靖，師軍良.無棱鏡全站儀在數字地形圖測繪中的應用［J］.黃河水利職業技術學院學報，2008，20(1):46-48.

［5］ 張建霞，王留召，王保山.數字近景攝影測量測圖應用探討［J］.測繪科學，2006，31(2):47-48.

［6］ 宋宏.地面三維激光掃描測量技術及其應用分析［J］.測繪技術裝備，2008(2):40-43.

［7］ 洪立波，王晏民，過靜珺，等.工程測量技術領域的幾個重要發展方向［J］.測繪通報，2008(1):1-4.

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［9］ 張書華.基于RTK的地形圖測繪簡化工作流程探析［J］.工程勘察，2007(10):65-68.