基于無人機(jī)遙測的稀土尾礦土壤侵蝕量估算

李曉放，廖凱濤,2，宋月君，左繼超，羅謙智，徐雯

（1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022；3.江西省宜春市袁州區(qū)水利局，江西 宜春336000；4.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038）

贛南是我國離子型稀土資源的主要分布區(qū)[1]，每年為我國提供大量的稀土礦原材料，然而與此同時(shí)，形成的大規(guī)模稀土尾礦，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成極大的破壞[2]。稀土尾礦土壤常呈酸性，不利于植物生長，每到南方雨季，便會造成嚴(yán)重的水土流失[3]。探清稀土尾礦的水土流失規(guī)律和現(xiàn)狀是治理稀土尾礦水土流失的重要前提。石輝等[4]通過測定河流淤積泥沙流斷面來估算稀土尾礦區(qū)的水土流失量，認(rèn)為河流中泥沙均來源于稀土尾礦，沒有直接對稀土尾礦進(jìn)行監(jiān)測；盧慧中等[5]選擇典型的尾礦水土流失區(qū)，采用GPS布點(diǎn)的方法對礦堆的主要水土流失類型及其強(qiáng)烈程度進(jìn)行了研究，但限于監(jiān)測點(diǎn)較少，未能全面有效的反映整個(gè)稀土尾礦的侵蝕狀況。

無人機(jī)低空航測是通過無人機(jī)搭載各種傳感器獲取地面影像或者視頻等信息的低空遙感與近景攝影測量系統(tǒng)，具有及時(shí)性、靈活性、全面性優(yōu)點(diǎn)，可獲取小范圍高精度的數(shù)據(jù)[6]。相關(guān)學(xué)者已將無人機(jī)遙感技術(shù)運(yùn)用于水土保持監(jiān)測[7]、水土保持信息化[8]等領(lǐng)域。季翔等[9]研究表明，無人機(jī)航測技術(shù)生成的高精度DEM可用于地表侵蝕溝的形態(tài)演變過程研究；楊超等[10]采用近景攝影測量技術(shù)估算了坡耕地土壤侵蝕速率。無人機(jī)低空航測以及近景攝影測量技術(shù)為土壤侵蝕過程監(jiān)測以及侵蝕量估算提供了一種更為快捷和高效的方法，有鑒于此，本研究基于無人機(jī)低空航測與近景攝影測量技術(shù)，借助ArcGIS的空間分析功能，開展了稀土尾礦的水土流失動態(tài)監(jiān)測和土壤侵蝕模數(shù)估算，以期為稀土尾礦的水土流失規(guī)律研究和防治提供技術(shù)支撐與數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)介紹

研究區(qū)位于江西省九江市德安縣的江西水土保持科技生態(tài)園境內(nèi)，地處 29°16′37″～29°17′40″N，115°42′38″～115°43′06″E。園區(qū)海拔高度在 30～100m（85 黃海高程）之間，坡度多在5°～25°，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，具有氣候溫和、雨量充沛、光照充足、四季分明和雨熱基本同季等特點(diǎn)。全年無霜期255d，多年平均氣溫16.8℃，降雨年內(nèi)分配不均，多年平均降雨量1 470mm。園區(qū)位于我國紅壤的中心區(qū)域，土壤為發(fā)育于第四紀(jì)紅粘土和泥質(zhì)巖類風(fēng)化物的紅壤，坡面土層厚度在1.5m左右。

稀土尾礦徑流試驗(yàn)小區(qū)位于江西水土保持科技生態(tài)園的科研試驗(yàn)區(qū)內(nèi)。該稀土尾礦徑流試驗(yàn)小區(qū)修建于2012年，小區(qū)尺寸規(guī)格為10m×5m，垂直投影面積為50m2，預(yù)設(shè)坡比為 1：1，土壤容重為 1.37±0.07g/cm3，坡度為 31.33°±1.63°。

1.2 影像及控制點(diǎn)獲取

本研究所用無人機(jī)型號為DJI大疆精靈4RTK，云臺相機(jī)鏡頭有效像素為2 000萬，航拍垂直高度為距離徑流試驗(yàn)小區(qū)地表3m，共拍攝120張高清照片，相鄰照片的前后左右重疊度均在60%以上，拍攝時(shí)間分別為2016年11月25日、2017年12月12日以及2018年3月24日。為了保證后期土壤侵蝕估算的準(zhǔn)確性，制作了18個(gè)鐵質(zhì)標(biāo)識點(diǎn)并用水泥釘將其定位在小區(qū)四周的水泥圍擋上；同時(shí)在徑流小區(qū)對面較高位置架設(shè)全站儀，設(shè)定相對的平面坐標(biāo)系，將全站儀所在點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為（0，0，0），使用免棱鏡模式，獲取 18個(gè)標(biāo)識點(diǎn)的中心坐標(biāo)，坐標(biāo)測量使用測回法，每個(gè)控制點(diǎn)測 3個(gè)測回，最后控制點(diǎn)結(jié)果取平均值，見表1。

表1 部分控制點(diǎn)坐標(biāo) m

1.3 影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)處理采用近景攝影測量軟件Agisoft Photoscan Professional，無人機(jī)航拍影像處理流程主要包括以下步驟：①加載照片；②檢查照片；③導(dǎo)入控制點(diǎn)；④對齊照片；⑤生成點(diǎn)云；⑥生成密集點(diǎn)云；⑦生成網(wǎng)格；⑧生成紋理；⑨建立3D模型；⑩生成DEM以及生成正射影像。

1.4 侵蝕量估算

通過Agisoft Photoscan Professional軟件處理得到稀土尾礦徑流試驗(yàn)小區(qū)3個(gè)不同時(shí)期的DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.2空間分析功能下的填挖方工具，計(jì)算出研究區(qū)兩個(gè)時(shí)期的體積變化，并估算土壤侵蝕量，具體公式如下：

式中：Ws為侵蝕總量，t；ρb為土壤容重，g/cm3；V為研究區(qū)兩個(gè)時(shí)期的體積變化，m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕總量估算

圖1為研究區(qū)三年的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和2016年的DEM數(shù)據(jù)。從圖1可以看出，徑流小區(qū)自2012年建成以來，經(jīng)過自然降雨的沖刷，已形成5條明顯的侵蝕溝，其中1號和3號已經(jīng)發(fā)育至小區(qū)上部平臺，寬度和深度巨大；3號侵蝕溝的寬度和深度是最大的，最寬處達(dá)2.36m、最深達(dá)1.24m；剩余3條侵蝕溝（2、4和5號）在坡面上，最大寬度為0.37m、最大深度為0.15m；徑流小區(qū)上部平臺侵蝕較小，以面蝕為主。將2016年徑流試驗(yàn)小區(qū)的DEM與模擬生成的徑流小區(qū)建成初期的原始DEM進(jìn)行疊加分析，得到自徑流試驗(yàn)小區(qū)建成以來的土壤侵蝕體積為4.63m3，土壤侵蝕量為6.34t，年平均侵蝕模數(shù)達(dá)3.17×104t/（km2·a），侵蝕等級屬劇烈侵蝕。

圖1 稀土尾礦棄渣試驗(yàn)小區(qū)DEM及立體點(diǎn)云圖

2.2 侵蝕溝形態(tài)分析

結(jié)合不同坡位處侵蝕溝形態(tài)可更好說明不同年份之間的侵蝕規(guī)律差異。分別在徑流小區(qū)集水槽2m（下坡）和4m（中坡）處取垂直剖面，分析剖面侵蝕溝形態(tài)特征（見圖2、3）。如圖2所示，不同年份的稀土尾礦徑流小區(qū)上坡處侵蝕溝形態(tài)差異不顯著，溝深與溝寬幾乎沒有變化，溝深均在1.72m左右，溝寬為1.03m左右；上坡處僅有2條侵蝕溝（1號和3號），1號侵蝕溝左側(cè)溝壁上方坍塌并堆積在侵蝕溝內(nèi)，3號侵蝕溝溝型呈現(xiàn)U型，并有向V型發(fā)展的趨勢。圖3所示，不同年份徑流小區(qū)中坡處侵蝕溝形態(tài)存在差異，溝深和溝壁均發(fā)生變化，其中2016年12月～2017年12月，1號和3號侵蝕溝繼續(xù)下切，溝深增加分別為11.24cm和6.82cm；1號侵蝕的溝寬增大，是由于其右側(cè)溝壁坍塌侵蝕所致，平均溝寬增加了12.67cm；其它3條侵蝕溝均存在一定的下切，侵蝕溝溝深有所增加，在1～2cm之間。2017年12月～2018年3月，5條侵蝕溝溝型變化甚微，僅3號侵蝕溝有少許由于溝壁坍塌以及溝谷侵蝕等造成的溝型微弱變化；所有侵蝕溝形態(tài)均為V型。

圖2 稀土尾礦棄渣小區(qū)上坡處坡面溝型圖

圖3 稀土尾礦棄渣小區(qū)中坡處坡面溝型圖

2.3 年度侵蝕量估算

圖4和圖5為不同年份稀土尾礦徑流小區(qū)的微地貌變化圖。2016年12月至2017年12月（圖4），徑流小區(qū)平均侵蝕深度為1.40cm，最大侵蝕深度為42.06cm；期間徑流小區(qū)內(nèi)侵蝕與堆積并存，通過ArcGIS填挖方計(jì)算，堆積體積為0.24m3，主要堆積在徑流小區(qū)下坡處，侵蝕體積為0.84m3，主要集中在原有侵蝕溝壁位置，核減最終侵蝕體積為0.60m3，總侵蝕量為0.82t。2017年12月至2018年3月（圖5），徑流小區(qū)平均侵蝕深度為0.50cm，最大侵蝕深度為24.31cm，期間徑流小區(qū)內(nèi)侵蝕與堆積并存，堆積體積為0.22m3，侵蝕體積為0.44m3，侵蝕的主要部位與2016年12月至2017年12月略有不同，侵蝕主要為原有侵蝕溝內(nèi)堆積物的侵蝕，溝壁侵蝕較少，核減最終侵蝕體積為0.22m3，總侵蝕量為 0.30t。

圖4 稀土尾礦棄渣小區(qū)2016～2017年侵蝕情況

圖5 稀土尾礦棄渣小區(qū)2017～2018年侵蝕情況

3 結(jié)論

采用無人機(jī)航測和近景攝影測量技術(shù)，獲取研究區(qū)不同時(shí)期的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成高精度的DEM數(shù)據(jù)，對不同時(shí)期的侵蝕溝剖面以及土壤侵蝕量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)估算分析，結(jié)果表明：

（1）稀土尾礦棄渣小區(qū)2012年建成至2016年，侵蝕體積數(shù)為4.63m3，侵蝕量為6.34t，年平均侵蝕模型為3.17×104t/km-2·a-1，侵蝕強(qiáng)度屬于劇烈侵蝕，危害巨大。

（2）稀土尾礦徑流小區(qū)共發(fā)育有5條侵蝕溝，侵蝕溝最大溝深為1.24m，最大溝寬為2.36m，侵蝕溝發(fā)育穩(wěn)定后，侵蝕多集中在原有侵蝕溝溝壁，侵蝕溝溝型由U向V型發(fā)展。

（3）采用無人機(jī)低空航測和近景攝影測量技術(shù)，結(jié)合ArcGIS空間分析，可以生成高精度的DEM數(shù)據(jù)，開展稀土尾礦的水土流失動態(tài)監(jiān)測和土壤侵蝕模數(shù)估算，全面有效的反映整個(gè)稀土尾礦侵蝕狀況。