煤矸石山生态利用工程中现状测绘与成图方法

赵艳玲，胡振琪，梁 爽，杨成兵

（中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京100083）

一、引 言

煤矸石是煤的伴生废石，是在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废物，产生量一般要占原煤的10% ～20%［1］。我国每年排出的矸石量约为产量的10%，占全国工业废弃物的1/4［2］。生态利用是煤矸石综合利用的途径之一，尤其是对于已经堆积多年、具有自燃倾向的煤矸石山，而建立稳定的人工植物群落是煤矸石山生态利用的根本途径［3］，其中，矸石山整形整地是必要步骤［1］。地形图是进行各种工程所必需的基础资料，矸石山生态利用同样需要具有良好现势性的地形图。由于煤矸石山生态恢复工程有其自身的特点，其地形测绘及成图工作既有与普通地形测绘相似之处，又有其特殊要求。

本文以北京市门头沟区某矸石山生态恢复工程为例，基于煤矸石山生态恢复的特点，介绍了三维激光扫描与RTK技术相结合的地形测绘方法，并给出了成图方法及示例，为煤矸石山生态利用提供了可靠的前期基础资料，也为其他类似工程提供了借鉴。

二、研究区概况

研究区位于北京市门头沟区的龙泉镇境内，地理坐标为(39.55°N，116.24°E)，煤矸石堆积场面积约为6.09 hm2，已停止排矸约20年，呈两级平台，在二级平台上堆积有落差约70 m的锥形山体，占地2.97 hm2(如图1所示)。

由于人工私挖，锥形山体西侧和北侧有自然冒落痕迹，坡度大于45°，呈小落差陡坎状，陡坎至坡脚无任何植被，矸石形成松软，极不稳定。山体东侧及南侧的中上坡至山顶，可见野生植被，植被均生长于风化层厚的山脊梁上，沿坡向呈纵向条带状分布。其中，乔木以臭椿为主，偶有洋槐，偶见十余年生乔木;草本以禾本科为主，但植被覆盖密度小，生长凌乱，品种单一。乔木间距大，不利于水土保持和环境保护，不能有效防治矸石山对周围环境及居民的影响，而东侧坡下即为居住区。

图1 研究区煤矸石山

为了适应北京市生态保护区的建设和镇的经济发展的主导思想，拟将该煤矸石山及其周边的空地进行植被恢复，首先就要获取矸石山的地形数据。

三、煤矸石山生态恢复工程地形测绘特点

同一般地形图测绘步骤一样，煤矸石山生态恢复工程的地形测绘遵循“先整体，后局部;先控制，后碎部”的原则。由于煤矸石山生态恢复工程的特点，其地形测绘有特殊要求，主要体现在:

1)地形地貌特征。不仅关注地形的起伏变化及一般的地貌地物，其煤矸石山地表风化层、大片矸石层及独特的地表特征等信息也息息相关，应该在野外工作中加以施测。

2)地表植被特征。由于植被恢复的需要，除采集大面积的典型植被地类边界点外，对于适应了矸石山环境长势较好的小片或单独存活的树种的数据点采集也非常必要。

3)地物特征。除煤矸石山本身外，需要详细地调查测绘矸石山周边及相关的地物，如道路宽度、类型及联络等。

四、煤矸石山生态恢复工程现状测绘方法及成图

1.地形地貌测绘

传统的地形地貌测绘方法一般要求在测站上安置仪器，所测碎部点与测站应通视，且测量速度慢，费工费时，而对矸石山生态恢复工程来说，快速施测是关键。而且对于研究区来说，由于锥形山体西侧和北侧冒落，坡度陡，不能设站，属难及区域，东侧与南侧可以设站，因此将地形测绘分为两个部分，即难及区域与一般区域。

（1）难及区域的地形测绘

对于难及区域，地形测绘方法有无棱镜全站仪［4］、近景摄影测量［5］、三维激光扫描［6］等。考虑到快速和精度，采用三维激光扫描技术，其优点是速度快，现场节约时间，测量完整、精确，可多视角观察可视化三维点云模型，且不需要接触被测物体［6］，三维测绘技术也是对未来工程测量科技发展有较大影响的核心技术之一［7］。图2(a)为扫描时的设站情况，图2(b)为生成的三维模型及等高线。

图2 利用三维激光扫描仪进行陡坡测绘

（2）一般区域的地形测绘

对于一般区域，常规的测绘方法均可使用。考虑到快速和应用精度，本研究采用RTK实时定位技术，该方法不需布设加密控制网，定位速度快、精度高［8］，而且研究区周围主要是山地，干扰卫星信号的因素少，较之传统的测量方法具有明显的优势。

按照RTK的技术流程［9］施测后的研究区三维模型如图3所示。从图3中可以看出，锥形山体的西侧和北侧为内插点生成，与实际陡坡差异较大。

图3 基于RTK技术的研究区三维模型

（3）矸石山地貌界限特征点测绘

煤矸石山常年堆积，存在风化较好的地表层及风化不完全的大块矸石地表层，因其不同直接影响生态修复工程的方案设计，故对矸石山地表层不同地貌加以区别，应沿其边界线采集特征点，相隔2～5 m采集，以确定地貌边界。对于陡坎，在陡坎成果图中标示比高，如图4所示。

图4 地形图陡坎比高的标注

2.地表植被测绘

由于研究区内在矸石地表局部区域有若干独立长势较好的臭椿，有的区域则有大片生长着的灌木丛，而有的区域植被却趋向死亡，这些细微的区别应该在矸石山野外测绘时加以体现，以对后续植被恢复方案设计及树种的优选起到重要的指导作用。具体如下:

1)采集矸石山地表植被长势有差异的分界特征点，点间距平均2～5 m。

2)对于独立植被单独测点，记录名称、径粗、株高等信息，并在成果图中标示。图5为独立植被的符号标注。

图5 独立植被的符号标注

3.地物特征测绘

对于研究区来说，其周边有一废弃井口内的矿井水可作为后续煤矸石山生态恢复后初期养护所需的灌溉水源，因此必须测绘并标注。具体如图6所示。

图6 可用水源的废弃房屋

五、结 论

本文在分析煤矸石山生态利用工程特点的基础上，结合实例给出了现状测绘的方法及成图，为研究区的设计、施工提供了依据，所得有益结论包括:

1)与一般地形现状相比，煤矸石山生态利用的现状测绘有自身的细节要求。

2)由于煤矸石山地形复杂，测绘时会采用多种技术相结合。

3)由于没有可参照的规程，特殊地物的成图方法需要自行设计。

经工程参与人员验证，依据本文提出的测绘要求及方法测得的地形图满足煤矸石山生态恢复工程设计及施工的要求。

［1］ 胡振琪，李鹏波，张光灿.煤矸石山复垦［M］.北京:煤炭工业出版社，2006.

［2］ 张新婷.浅谈煤矸石山复垦绿化的生态效应［J］.山西焦煤科技，2007(8):15-17.

［3］ 胡振琪，张光灿，魏忠义，等.煤矸石山的植物种群生长及其对土壤理化特性的影响［J］.中国矿业大学学报，2003，32(5):491-495.

［4］ 王靖，师军良.无棱镜全站仪在数字地形图测绘中的应用［J］.黄河水利职业技术学院学报，2008，20(1):46-48.

［5］ 张建霞，王留召，王保山.数字近景摄影测量测图应用探讨［J］.测绘科学，2006，31(2):47-48.

［6］ 宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析［J］.测绘技术装备，2008(2):40-43.

［7］ 洪立波，王晏民，过静珺，等.工程测量技术领域的几个重要发展方向［J］.测绘通报，2008(1):1-4.

［8］ 袁德宝，崔希民，潘星，等.RTK实时动态测量技术在矿区测绘中的应用［J］.大地测量与地球动力学，2007，27(3):72-75.

［9］ 张书华.基于RTK的地形图测绘简化工作流程探析［J］.工程勘察，2007(10):65-68.