机载激光雷达技术在矿山生态环境监测中的应用

王晓星

（银川市勘察测绘院，宁夏 银川 750001）

矿产资源是现今社会不可或缺的资源类型之一，矿产资源的开发愈发迅速，也就导致矿山生态环境问题随之凸显，水土流失、土地荒漠化、环境污染等问题严重，不利于生态环境的保护。因此，矿山生态环境监测受到了人们的广泛关注，应用了一系列的遥感技术来进行矿山生态环境的监测，但实际效果却较为低下，究其根本是缺乏完善的矿山生态环境监测体系，且矿山生态环境复杂多样，仅凭传统遥感技术受到时空限制较为严重，地形识别能力差、数据精准度低，也就制约了实际的监测效率。而激光雷达技术的出现有效地改变了这一现状，激光雷达技术被誉为继GPS技术之后的又一技术革命，其具备着主动性强、穿透性强、实时性强、扫描速度快以及精度高的特点，十分契合矿山生态环境监测的需求。

1 矿山生态环境问题和传统遥感技术

1.1 矿山生态环境问题

矿山的地形地貌是自然生态环境的重要组成部分[1]。矿山开采方式的不同也引发了不同性质的生态环境。露天开采对生态环境的破坏集中于地表层，造成严重的土地损毁，而地下开采对生态环境的破坏则集中于地下层，出现了水体污染、地面下陷等问题。

露天开采无疑会大规模的剥离土层、岩体，所以地表的植被结构、生态系统就会受到破坏。如排土场建设、道路占地、开矿用地建设等，都会导致土地严重损毁，还会一定程度影响周围山体的稳定性，从而引发水土流失、山体滑坡等现象。此外，则是堆积废物造成的土壤污染问题。

而矿山地下开采却带来了更为复杂的生态环境问题。地下开采会使地下产生挖空区和崩塌、裂缝等，相较于露天开采的地表损毁而言，地下开采的影响更加多元，不仅会影响土地，还会影响水资源与地表植被生长。地下开采的过程中需要将水资源大量的抽出，而这就导致了地下水系受到了一定破坏，容易导致地下水位下降。

1.2 矿山生态环境监测中传统遥感技术的弊端

早在20世纪70年代，发达国家就逐渐地将遥感技术应用于矿山环境监测，而我国却在20世纪90年代后期才将其逐渐地运用，以治理矿山生态环境[2]。虽然我国遥感技术在矿山生态环境监测中起步晚，但进步速度却较为快速。2014至今，我国逐渐应用了多项遥感技术展开了对矿山生态环境指标的提取工作。如部分学者利用多光谱数据，分析了矿区土地退化特征、矿山土壤侵蚀问题、泥石流潜在危害等，也有部分学者借助高分辨率数据分析了矿区裂缝对植被生长的影响、分析了土地退化中存在的人为因素，更是利用多种遥感数据分析了草原矿山区域的土地退化特征。

虽然传统遥感技术的应用实现了对矿山生态环境的监测，但有效性还是较为有限，由于传统遥感技术的本身特点，决定了只能局限于大范围、单一指标的监测，且存在多方面的不足。首先，就矿山垂直结构参数而言，就无法实现有效的获取，并且实际的监测局限于土地损毁、植被破坏等水平角度的地表环境监测，垂直结构数据获取有限[3]。其次，监测精度低，即便将地表为参考对象，但精度、层次还是相对偏低。最后，滞后性。遥感技术无法第一时间发现矿山生态问题，导致生态环境监测缺乏实效性。不难看出，传统遥感技术虽然一定程度地实现了对矿山生态环境的监测，但受到时空分辨率、结构性设计的影响，导致矿山生态环境监测局限性较强，急需开发新技术来实现垂直结构参数提取不足的缺陷。

2 机载激光雷达技术在矿山生态环境监测中的应用

2.1 机载激光雷达技术原理

激光雷达技术是利用激光测距原理来实现空间位置测定的新型测量仪器，是主动遥感技术。结合其工作方式的不同，主要划分为两类，分别是脉冲式和相位式，目前应用最广泛的是脉冲式激光雷达。而机载激光雷达技术无疑更加适宜矿山生态环境监测，是飞在空中的激光雷达技术，主要包括激光测距系统、位置姿态系统、控制系统和载机平台，优势在于飞行速度快且测定范围大，定位的精度可以达到10cm，飞行高度达6000m，扫描宽度为1.8km，如下图所示。

针对矿山生态环境监测来说，即是对生态破坏、环境污染等指标的提取，而机载激光雷达技术可以提取大部分的精确类指标，借助激光雷达技术获取的点云数据可以对矿山进行精准的建模，从而显著提高指标精度。并且借助激光雷达技术和其他技术的组合，就能弥补传统遥感技术垂直结构参数获取不足的缺陷，对提高监测效率、监测精度有着显著的作用，所以十分适宜用于矿山生态环境监测。

图1 机载雷达监测矿山生态环境示意图

2.2 在矿山生态环境指标监测中的应用

2.2.1 生态完整性损失类指标提取

首先，就植被覆盖度指标的提取而言，激光雷达技术的应用方法有两种，一种是在提取的过程中直接利用CHM提取，另一种则是利用三维点云数据统一整合后直接提取植被覆盖度。其次，就植被破坏面积的指标提取而言。激光雷达影像可以自主分析出植被区与非植被区的区别，但却很难进一步的细致划分。但是矿山的生态环境无疑是十分复杂的，所以在提取矿山植被破坏面积时，应将激光雷达技术和传统遥感技术组合应用，进行植被的区分与指标提取。因此，在实际的激光雷达技术应用过程中，应注意巧妙结合光学遥感数据，从而使植被破坏面积指标的提取更为精准化。

2.2.2 土地损毁类指标提取

矿山生态环境的破坏形式和矿山开采的方式息息相关，但引发的后果却有着异曲同工之妙。借助激光雷达技术，就可以实现矿山土地损毁类指标的精确提取，并借此分析矿山土地损毁程度。进行指标参数的提取中，激光雷达技术的效果显著，只需要扫描目标就可以获取三维点云数据，并进行去噪、拼接以及滤波处理后，就可以获取出准确精度的DeM，从而获取到矿山的露天采矿场、排土场地等实际情况的指标，借助不同时间段获取的数据所生成DeM，对比分析后就能够清晰地发现土地损毁类指标的变化，也就有效实现了矿山土地损毁类指标的动态化监测[4]。

2.2.3 土壤侵蚀类指标提取

土壤侵蚀主要包括水力侵蚀和风力侵蚀两种。就水力侵蚀而言，大都表现为水土流失的形式。露天开采会产生大量堆积物，就容易出现汇集流动，从而引发滑坡、泥石流等灾害，还增加了河流的泥沙量。地下开采就会使地底空虚，从而导致山体坡度增大，加大侵蚀效果。因此为了保障矿山开采，就需要保护好山体边坡，从而避免滑坡、坍塌现象[5]。运用GPS测绘精度较低，而激光雷达技术就可以采集高精度的等高线以及高密度的矿山DeM，反映出实时的水土流失情况，并通过多期的DeM叠加分析，就可以清楚测算水力侵蚀力度、深度等，测量出山体坡度的坡长、坡度等，可以实现对水力侵蚀的动态测算。

就风力侵蚀而言，风力侵蚀导致的主要形式是土地沙化，而借助激光雷达技术就能有效提取风力侵蚀的各项指标，采用高密度的等高线与土地沙化高精度的DeM数据，就可以精确分析出沙丘的长度、宽度、高度、形态等具体数据，经过多期的DeM数据叠加分析和模型演变后，就能够对风力侵蚀造成的沙丘沙波纹、体积等进行动态计算，从而为决策提供可靠的数据支持。

3 结语

综上所述，机载激光雷达技术对矿山生态环境监测有着较强的适用性，有着良好的应用价值，通过激光雷达技术和其他科学技术的有效结合，就能发挥出激光雷达技术的优势，更加精确、全面的分析矿区生态环境，为矿山的开发和保护奠定了坚实基础。因此，应不断探索激光雷达技术的应用路径，最大化其应用价值。