無人機航測技術在河南駐馬店市廢棄礦山生態修復勘查設計中的應用

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.河南省地質物探工程技術研究中心，河南鄭州 450000；3.河南省煤田地質局，河南鄭州 450000）

0 引言

河南省駐馬店市驛城區礦產資源主要以石灰巖、花崗巖、石英巖等露天開采石材礦為主。由于長期不科學、不規范、不環保的過度開采，致使礦區周邊的地質環境遭到嚴重破壞。近年來，河南省連續開展了三區兩線及特定生態保護區范圍內露天礦山開發及生態環境綜合整治工作、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環境，駐馬店市驛城區開展了廢棄礦山生態修復項目的勘查、設計工作。本文通過對駐馬店市驛城區周邊廢棄礦山生態修復勘查設計中無人機航測及三維模型新技術的應用研究，進而為駐馬店市周邊乃至河南省露天開采廢棄礦山生態修復工作提供參考依據。

1 礦山生態修復概述

礦山生態修復一般是指對礦業活動受損生態系統的修復（杜青松，2020），這個生態系統有露天采場、渣土堆場、尾礦庫等（張偉，2018），破壞的生態環境為土地、土壤、林草、地表水與地下水、礦區大氣、動物棲息地、微生物群落等（胡榮榮等，2019）。

礦山生態修復要根據生態環境標準要求，采取巖土工程、農田水利工程等技術措施，重塑礦山損毀區地表地形，并通過物理、化學、生物的方法來恢復或重建廢棄地的生態系統（霍順生和姜圣才，2020）。礦山生態修復是一項系統工程，不僅涉及礦山的地質地貌、水文、植被、土壤等要素，而且還需要巖土力學、環境學、生態學、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，充分體現了多學科交叉綜合的特點（高云峰等，2018）。

2 礦山現狀及生態環境問題

2.1 廢棄礦山現狀

驛城區位于河南省駐馬店市中西部，礦產資源主要分布在西部、西南部山區。截至2017 年底，歷史遺留礦山49 個，其中“三區兩線”歷史遺留礦山33 個，其他區域歷史遺留礦山16 個。全區歷史遺留和現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。

露天礦山的持續開發，為當地經濟發展提供動力的同時，也造成了較為嚴重的生態環境問題，給礦山周邊居民的生產生活帶來了諸多困擾（賈斌和宋少秋，2019）。為了有效改善生態環境，駐馬店市驛城區編制了礦山地質環境恢復和綜合治理規劃，通過勘查設計，對全區范圍內的廢棄礦山開展生態修復工作。

2.2 生態環境問題

根據影響礦山生態環境破壞類型的主導因素，駐馬店市驛城區露天礦山存在的主要地質環境問題包括：地形地貌景觀破壞、土地資源破壞、礦山地質災害隱患、礦區周邊大氣污染、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，開采后礦區植被毀壞，山體由正地形轉為負地形，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，工業廣場、廢渣堆等壓占土地資源（圖2、3）。

（3） 礦山地質災害隱患

礦山開采和相關工程的興建使礦區原有地形地貌發生巨大變化，存在引發滑坡、崩塌、泥石流等地質災害隱患（李欽韜等，2020）（圖4、5）。

（4） 礦區周邊大氣污染

由于礦山開采多采用破碎或切割的方式，在生產過程中產生大量的粉塵、粉末，對礦區周邊大氣造成污染（劉軍等，2019）。

（5） 水資源破壞

礦山開采使正地形變為負地形，且多已積水，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環境問題導致礦區周邊生物生存環境碎片化、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 滑坡地質災害隱患

圖5 崩塌地質災害隱患

3 無人機航測技術淺析

3.1 總體技術方案

無人機航測技術方法為：獲取無人機遙感數據，經過圖像處理，對工作區內礦山地質環境信息進行提取，形成工作區數字正射影像圖（DOM）及三維模型（張兵兵等，2019）；采用人機交互的解譯方式，生成數字線劃地圖（DLG）；對獲得的數據進行分析研究，進行礦山生態修復勘查設計工程部署（李磊等，2019）。

3.2 技術路線

本次無人機航測采用Bentley Systems（奔特力系統）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）。技術路線見圖6，技術優勢見表1。

3.3 技術要求

（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控制點的平面位置中誤差不應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控制點的高程中誤差不應超過基本等高距的1/10。

表1 無人機航測技術優勢分析表

4 無人機航測技術應用實例

4.1 廢棄礦山基本情況

驛城區廢棄礦山共28 處，大致可分為3 個連片區域，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，駐馬店市驛城區人民政府作為責任主體對其進行礦山生態修復。

4.2 無人機影像獲取及處理

圖6 無人機航測技術路線圖

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開展了廢棄礦山無人機航測工作。所獲數據經過畸變校正、DEM 提取、正射糾正和鑲嵌等環節，最終生成了地面分辨率為0.1 m 的正射影像（圖7），數據量38.7GB。針對工作區內的重點部位，采用全像素精細建模技術，獲取礦區采坑、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

對礦區內廢渣堆進行清理，遺留的建筑物進行拆除；已積水采坑設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；對礦區內采坑以外其他部位平整后，根據“宜林則林、宜草則草、宜耕則耕”原則，覆土恢復成耕地或林地；在道路一側修建排水溝。

4.4 工程分項設計

通過Acute3D Viewer 三維模型，查看礦區內采坑大小、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計。

（1） 采場整理

采場整理主要包括礦區內場地的平整、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合的方式統一壓實。根據現場勘查情況，結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

根據耕地質量等級（GB/T 33469—2016）中表B.4 耕地等級劃分指標，將恢復成耕地的區域覆土80 cm，恢復成林地的區域覆土50 cm，恢復成草地的區域覆土30 cm。

（4） 土壤改良工程

圖7 驛城區廢棄礦山正射影像圖（DOM）

圖8 驛城區廢棄礦山采坑現場調查照片（a）與高精度三維模型（b）

根據“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、提高土地生產力打下良好基礎。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。本次通過施有機肥和復合肥來提高土壤肥力，設計每公頃施有機肥45 m3，施復合肥750 kg。

（5） 綠化工程

根據項目區的環境、氣候及土壤條件，選擇種植馬尾松，對治理區進行造林綠化、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，樹苗規格：樹徑5 cm，株高2 m，帶土球。

（6） 排水溝工程

在路基一側修建縱向排水溝，與采坑相連，匯集后用于工作區內林地、草地養護。排水溝采用底寬110 cm，高度80 cm，排水溝斷面結構為矩形；橫向截水溝迎坡一側成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 設置2 cm 寬的伸縮縫，縫內填瀝青油毛氈。

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，礦山生態修復效果見圖11。

4.5 設計工程量

經計算，駐馬店市驛城區廢棄礦山生態修復設計部署的主要工程量見表2。

4.6 工程效益分析

（1） 環境效益

項目實施后，將使礦區環境得到綠化美化，將有效遏制項目區周邊環境的惡化，減少水土流失，對局部環境空氣和小氣候產生正效與長效影響，改善周邊區域的大氣環境質量，從而改善礦區人民的生活工作環境和自然生態環境。

圖11 驛城區廢棄礦山生態修復設計效果圖

表2 礦山生態修復設計工程量表

（2） 社會效益

該礦山生態修復工程實施后預計可恢復耕地49 hm2，林地164 hm2，改善礦區周邊的自然生態環境，增加當地人民的經濟收入，提高生活水平，有利于社會大局的穩定。

5 結論

（1） 駐馬店市周邊廢棄礦山對城市周邊生態環境破壞嚴重，不符合城市長遠綠色發展的基本需求，因此，從源頭控制好礦山生態環境是生態修復的基礎。本文針對廢棄礦山實際情況，采用“因地制宜，實事求是，精準設計”的原則，提出了符合實際情況的生態修復方案，為駐馬店市更好地綠色發展奠定了基礎。

（2） 無人機航測技術在礦山生態修復方面具有良好的應用效果，具有精度高、成本低和效率高的優勢，能夠準確、快速的獲取廢棄礦山的基本地質環境問題，對進一步制定相應的治理措施提供了可靠的影像數據資料。

（3） 針對駐馬店市廢棄礦山基本現狀，以Acute3D Viewer 三維模型軟件為平臺進行了模型分析，結果表明，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濟效益。