礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率估算方法與流程
2023-05-03 15:18:51
本發明涉及水土保持學和恢復生態學領域，特別涉及一種礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率估算方法。
背景技術：
開發建設項目導致的水土流失是人類生產建設活動過程中擾動地表和地下巖層、堆置廢棄物、構築人工邊坡以及排放各種有毒有害物質而造成的水土資源和土地生產力的破壞和損失，是一種典型的人為加速侵蝕。礦山排土場由採礦區巖土剝離、運輸、堆墊而形成，原來的土體和礦層的上覆巖層經過劇烈的擾動混合後，以鬆散堆積體狀態堆置在內外排土場，形成人工巨大鬆散堆積地貌景觀，平臺-陡坡是其基本地貌單元，其水土流失分布是點、線、片、帶、塊、面中的一種或多種形式的組合。排土場土壤侵蝕過程複雜，主要表現在土壤侵蝕部位集中、類型多樣、強度劇烈。排土場堆置厚度各部位不等，顆粒組成差異大，自然固結率不同，在自重營力及入滲水流的作用下，造成不同部位壓縮沉降速率不同，即所謂的「非均勻沉降」。
目前，主要通過定性和定量的方法測算礦山排土場工程堆積體土壤侵蝕速率。定量研究方法主要有徑流小區法、侵蝕測針法、元素示蹤法、模型模擬法。近年來，建設工程項目區土壤侵蝕的研究方法主要採用人工降雨、放水衝刷或二者組合以及天然降水條件下小尺度上的短期定位觀測或模擬實驗為主。水土流失量預測的方法有數學模型法(如USLE模型)、類比分析法(如毗鄰項目類比)以及典型調查推算法(如類似對象調查推算法)。
目前，針對無實測數據地區，如何快速精確計算礦山排土場邊坡土壤侵蝕模數尚無可靠的方法。
技術實現要素：
本發明提供了一種礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率估算方法，以解決現有技術中無法快速精確計算礦山排土場邊坡土壤侵蝕模數的問題。
本發明中的礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率估算方法，包括：步驟1，利用無人機獲取礦山排土場影像數據；步驟2，利用RTK-GPS獲取排土場的地面控制點準確的空間位置信息；步驟3，優選地可利用Agisoft Photoscan professional 1.1.2軟體，根據所述GPS位置信息及所述影像數據，生成排土場點雲數據和正射影像數據；步驟4，對所述正射影像數據進行目視解釋以生成侵蝕溝邊界，根據所述侵蝕溝邊界篩選出位於侵蝕溝內部的高程點數據並根據高程點數據生成侵蝕溝DEM；步驟5，根據所述侵蝕溝邊界得到緩衝區邊界，篩選位於所述緩衝區邊界內的高程點數據並根據高程點數據生成緩衝區DEM；步驟6，利用柵格計算器工具計算所述緩衝區DEM與所述侵蝕溝DEM的差從而得到侵蝕溝平均深度DEM；步驟7，根據所述侵蝕溝平均深度DEM及侵蝕溝面積計算得到侵蝕溝的侵蝕土壤體積；步驟8，根據下式計算得到土壤侵蝕模數：
其中，Ms為土壤侵蝕模數，單位t/(km2·a)；Ws為年侵蝕總量，單位t，且Ws為所述侵蝕土壤體積與土壤容重的乘積；F為侵蝕面積，單位為km2；T為侵蝕時限，單位為a。
優選地，所述步驟1還包括：規劃無人機航跡以使影像間的重疊度約為40％；利用無人機獲取排土場清晰無雲的影像，且該影像包含GPS信息。
優選地，所述GPS位置信息採用RTK-GPS獲得。
優選地，所述地面控制點選自地面標誌點。
優選地，所述地面標誌點為道路交叉點、和/或水渠交叉點、和/或房屋轉角。
優選地，所述侵蝕溝DEM、緩衝區DEM及侵蝕溝平均深度DEM採用ArcGIS軟體得到。
本發明適合於無長期監測數據地區，可通過無人機影像和高精度DEM數據之間的結合，快速推算出排土場邊坡土壤侵蝕速率，並產生一定的經濟、社會和生態效益。
具體實施方式
本發明涉及一種快速估算礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率方法，具體涉及利用無人機影像生成高密度點雲和正射影像，監測礦山邊坡微地形變化的方法，用於估算礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率，其通過使用無人機遙感影像，獲取研究區高程密集點雲，生成同一時期較為精確的兩組DEM數據，通過目視解譯，提取侵蝕溝邊界，以此來計算土壤侵蝕模數的方法。
在一個實施例中，本發明中的礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率估算方法，包括以下步驟：
步驟1，利用無人機獲取礦山排土場影像數據。針對礦山排土場坡陡、堆積物鬆散，人員難以全面實地勘察的特點，利用無人機合理規劃航跡，獲取排土場清晰無雲的影像，影像需要包含GPS信息，影像間重疊度應在40％左右，便於後期影像拼接及數據生成。
步驟2，採用RTK-GPS獲取排土場的地面控制點的GPS位置信息。例如，使用RTK-GPS在排土場測得地面實際控制點坐標，控制點一般選擇在道路交叉點、水渠交叉點、房屋轉角點等在影像上易分辨且較精細的特徵點。
步驟3，根據所述GPS位置信息及所述影像數據，生成點雲數據和正射影像數據。例如，可使用Agisoft Photoscan軟體加載無人機拍攝的照片，導入RTK-GPS測得的控制點，軟體自動將照片對齊，生成高密度點雲數據和正射影像數據。
步驟4，對所述正射影像數據進行目視解釋以生成侵蝕溝邊界，根據所述侵蝕溝邊界篩選出位於侵蝕溝內部的高程點數據並根據高程點數據通過空間插值生成侵蝕溝DEM；
步驟5，根據對所述侵蝕溝邊界進行緩衝區分析得到緩衝區邊界，分別篩選位於所述緩衝區邊界內的高程點數據並根據高程點數據通過空間插值生成緩衝區DEM；
步驟6，利用柵格計算器工具計算所述緩衝區DEM與所述侵蝕溝DEM的差從而得到侵蝕溝平均深度DEM；
步驟7，根據所述侵蝕溝平均深度DEM及侵蝕溝面積計算得到侵蝕溝的侵蝕土壤體積V(m3)，其中：
Vi＝Si*H_meani
其中，Vi為各侵蝕溝侵蝕土壤體積(m3)，Si為各侵蝕溝面積(m2)，H_meani為各侵蝕溝的侵蝕溝平均深度DEM(m)；
整個研究區的土壤侵蝕總體積為：
V總＝V1+V2+V3+…+Vn+…+Vi。
步驟8，根據下式計算得到土壤侵蝕模數(單位面積上每年侵蝕土壤的平均重量)：
其中，Ms為土壤侵蝕模數，單位t/(km2·a)；Ws為年侵蝕總量，單位t，且Ws為所述侵蝕土壤體積與土壤容重的乘積，即Ws＝τ*V總，其中，τ為土壤
容重1.5t/m3；F為侵蝕面積，單位為km2；T為侵蝕時限，單位為a(年)。
由於採用了上述技術方案，本發明適合於無長期監測數據地區，可通過無人機影像和高精度DEM數據之間的結合，快速推算出排土場邊坡土壤侵蝕速率，並產生一定的經濟、社會和生態效益。
優選地，所述侵蝕溝DEM、緩衝區DEM及侵蝕溝平均深度DEM採用ArcGIS軟體得到。
本發明的有益效果是：
1、科學性
以水土保持學和土壤學原理為依據，針對礦山排土場邊坡無長時間監測數據的情況，提出了應用無人機獲取影像，獲取高密度點雲數據，通過人工目視解譯，篩選地面高程數據點，對比了應用不同插值方法生成DEM數據的精度，研究結果表明該方法科學有效。
2、可操作性強
本發明只需要使用無人機獲取研究區影像及地面控制點坐標，通過軟體即可完成影像自動配準，生成高密度點雲數據和正射影像。通過人工目視解譯和數據空間分析，即可計算無長時間監測數據地區的土壤侵蝕速率，操作簡單，具有較強的可操作性。
現有技術的土壤侵蝕監測方法費時、費力，測量誤差具有不確定性，而本發明可利用無人機快速獲取高精度影像，並採用數字高程模型(DEM)快速獲取地形數據，這樣，可通過無人機遙感監測技術快速獲取高精度的地表影像，提取高密度點雲，生成正射影像和高精度DEM數據，從而能夠有效監測地形變化。