矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法技术

本发明专利技术提供了一种矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法，包括：利用无人机获取排土场影像；获取排土场地面控制点准确的空间位置信息；基于控制点空间信息及高清影像，生成点云和正射影像数据；对正射影像进行目视解释以生成侵蚀沟边界，根据侵蚀沟边界筛选出位于侵蚀沟内部的高程点数据并根据高程点数据生成侵蚀沟DEM；根据侵蚀沟边界得到缓冲区边界，筛选位于缓冲区边界内的高程点数据并根据高程点数据生成缓冲区DEM；利用栅格计算器工具计算缓冲区DEM与侵蚀沟DEM的差从而得到侵蚀沟平均深度DEM；根据侵蚀沟平均深度DEM及侵蚀沟面积计算得到侵蚀沟的侵蚀土壤体积；计算土壤侵蚀模数。本发明专利技术可快速推算出排土场边坡土壤侵蚀速率。

【技术实现步骤摘要】
矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法
本专利技术涉及水土保持学和恢复生态学领域，特别涉及一种矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法。
技术介绍
开发建设项目导致的水土流失是人类生产建设活动过程中扰动地表和地下岩层、堆置废弃物、构筑人工边坡以及排放各种有毒有害物质而造成的水土资源和土地生产力的破坏和损失，是一种典型的人为加速侵蚀。矿山排土场由采矿区岩土剥离、运输、堆垫而形成，原来的土体和矿层的上覆岩层经过剧烈的扰动混合后，以松散堆积体状态堆置在内外排土场，形成人工巨大松散堆积地貌景观，平台-陡坡是其基本地貌单元，其水土流失分布是点、线、片、带、块、面中的一种或多种形式的组合。排土场土壤侵蚀过程复杂，主要表现在土壤侵蚀部位集中、类型多样、强度剧烈。排土场堆置厚度各部位不等，颗粒组成差异大，自然固结率不同，在自重营力及入渗水流的作用下，造成不同部位压缩沉降速率不同，即所谓的“非均匀沉降”。目前，主要通过定性和定量的方法测算矿山排土场工程堆积体土壤侵蚀速率。定量研究方法主要有径流小区法、侵蚀测针法、元素示踪法、模型模拟法。近年来，建设工程项目区土壤侵蚀的研究方法主要采用人工降雨、放水冲刷或二者组合以及天然降水条件下小尺度上的短期定位观测或模拟实验为主。水土流失量预测的方法有数学模型法(如USLE模型)、类比分析法(如毗邻项目类比)以及典型调查推算法(如类似对象调查推算法)。目前，针对无实测数据地区，如何快速精确计算矿山排土场边坡土壤侵蚀模数尚无可靠的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法，以解决现有技术中无法快速精确计算矿山排土场边坡土壤侵蚀模数的问题。本专利技术中的矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法，包括：步骤1，利用无人机获取矿山排土场影像数据；步骤2，利用RTK-GPS获取排土场的地面控制点准确的空间位置信息；步骤3，优选地可利用AgisoftPhotoscanprofessional1.1.2软件，根据所述GPS位置信息及所述影像数据，生成排土场点云数据和正射影像数据；步骤4，对所述正射影像数据进行目视解释以生成侵蚀沟边界，根据所述侵蚀沟边界筛选出位于侵蚀沟内部的高程点数据并根据高程点数据生成侵蚀沟DEM；步骤5，根据所述侵蚀沟边界得到缓冲区边界，筛选位于所述缓冲区边界内的高程点数据并根据高程点数据生成缓冲区DEM；步骤6，利用栅格计算器工具计算所述缓冲区DEM与所述侵蚀沟DEM的差从而得到侵蚀沟平均深度DEM；步骤7，根据所述侵蚀沟平均深度DEM及侵蚀沟面积计算得到侵蚀沟的侵蚀土壤体积；步骤8，根据下式计算得到土壤侵蚀模数：其中，Ms为土壤侵蚀模数，单位t/(km2·a)；Ws为年侵蚀总量，单位t，且Ws为所述侵蚀土壤体积与土壤容重的乘积；F为侵蚀面积，单位为km2；T为侵蚀时限，单位为a。优选地，所述步骤1还包括：规划无人机航迹以使影像间的重叠度约为40％；利用无人机获取排土场清晰无云的影像，且该影像包含GPS信息。优选地，所述GPS位置信息采用RTK-GPS获得。优选地，所述地面控制点选自地面标志点。优选地，所述地面标志点为道路交叉点、和/或水渠交叉点、和/或房屋转角。优选地，所述侵蚀沟DEM、缓冲区DEM及侵蚀沟平均深度DEM采用ArcGIS软件得到。本专利技术适合于无长期监测数据地区，可通过无人机影像和高精度DEM数据之间的结合，快速推算出排土场边坡土壤侵蚀速率，并产生一定的经济、社会和生态效益。具体实施方式本专利技术涉及一种快速估算矿山排土场边坡土壤侵蚀速率方法，具体涉及利用无人机影像生成高密度点云和正射影像，监测矿山边坡微地形变化的方法，用于估算矿山排土场边坡土壤侵蚀速率，其通过使用无人机遥感影像，获取研究区高程密集点云，生成同一时期较为精确的两组DEM数据，通过目视解译，提取侵蚀沟边界，以此来计算土壤侵蚀模数的方法。在一个实施例中，本专利技术中的矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法，包括以下步骤：步骤1，利用无人机获取矿山排土场影像数据。针对矿山排土场坡陡、堆积物松散，人员难以全面实地勘察的特点，利用无人机合理规划航迹，获取排土场清晰无云的影像，影像需要包含GPS信息，影像间重叠度应在40％左右，便于后期影像拼接及数据生成。步骤2，采用RTK-GPS获取排土场的地面控制点的GPS位置信息。例如，使用RTK-GPS在排土场测得地面实际控制点坐标，控制点一般选择在道路交叉点、水渠交叉点、房屋转角点等在影像上易分辨且较精细的特征点。步骤3，根据所述GPS位置信息及所述影像数据，生成点云数据和正射影像数据。例如，可使用AgisoftPhotoscan软件加载无人机拍摄的照片，导入RTK-GPS测得的控制点，软件自动将照片对齐，生成高密度点云数据和正射影像数据。步骤4，对所述正射影像数据进行目视解释以生成侵蚀沟边界，根据所述侵蚀沟边界筛选出位于侵蚀沟内部的高程点数据并根据高程点数据通过空间插值生成侵蚀沟DEM；步骤5，根据对所述侵蚀沟边界进行缓冲区分析得到缓冲区边界，分别筛选位于所述缓冲区边界内的高程点数据并根据高程点数据通过空间插值生成缓冲区DEM；步骤6，利用栅格计算器工具计算所述缓冲区DEM与所述侵蚀沟DEM的差从而得到侵蚀沟平均深度DEM；步骤7，根据所述侵蚀沟平均深度DEM及侵蚀沟面积计算得到侵蚀沟的侵蚀土壤体积V(m3)，其中：Vi＝Si*H_meani其中，Vi为各侵蚀沟侵蚀土壤体积(m3)，Si为各侵蚀沟面积(m2)，H_meani为各侵蚀沟的侵蚀沟平均深度DEM(m)；整个研究区的土壤侵蚀总体积为：V总＝V1+V2+V3+…+Vn+…+Vi。步骤8，根据下式计算得到土壤侵蚀模数(单位面积上每年侵蚀土壤的平均重量)：其中，Ms为土壤侵蚀模数，单位t/(km2·a)；Ws为年侵蚀总量，单位t，且Ws为所述侵蚀土壤体积与土壤容重的乘积，即Ws＝τ*V总，其中，τ为土壤容重1.5t/m3；F为侵蚀面积，单位为km2；T为侵蚀时限，单位为a(年)。由于采用了上述技术方案，本专利技术适合于无长期监测数据地区，可通过无人机影像和高精度DEM数据之间的结合，快速推算出排土场边坡土壤侵蚀速率，并产生一定的经济、社会和生态效益。优选地，所述侵蚀沟DEM、缓冲区DEM及侵蚀沟平均深度DEM采用ArcGIS软件得到。本专利技术的有益效果是：1、科学性以水土保持学和土壤学原理为依据，针对矿山排土场边坡无长时间监测数据的情况，提出了应用无人机获取影像，获取高密度点云数据，通过人工目视解译，筛选地面高程数据点，对比了应用不同插值方法生成DEM数据的精度，研究结果表明该方法科学有效。2、可操作性强本专利技术只需要使用无人机获取研究区影像及地面控制点坐标，通过软件即可完成影像自动配准，生成高密度点云数据和正射影像。通过人工目视解译和数据空间分析，即可计算无长时间监测数据地区的土壤侵蚀速率，操作简单，具有较强的可操作性。现有技术的土壤侵蚀监测方法费时、费力，测量误差具有不确定性，而本专利技术可利用无人机快速获取高精度影像，并采用数字高程模型(DEM)快速获取地形数据，这样，可通过无人机遥感监测技术快速获取高精度的地表影像，提取高密度点云，生成正射影像和高精度DEM数据，从而能够有效监测地形变化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法，其特征在于，包括：步骤1，利用无人机获取矿山排土场影像数据；步骤2，利用GPS获取排土场的地面控制点准确的空间位置信息；步骤3，优选地可利用Agisoft Photoscan professional1.1.2软件，结合GPS位置信息及所述影像数据，生成排土场点云数据和正射影像数据；步骤4，对所述正射影像数据进行目视解释以生成侵蚀沟边界，根据所述侵蚀沟边界筛选出位于侵蚀沟内部的高程点数据并根据高程点数据生成侵蚀沟DEM；步骤5，根据所述侵蚀沟边界得到缓冲区边界，筛选位于所述缓冲区边界内的高程点数据并根据高程点数据生成缓冲区DEM；步骤6，利用栅格计算器工具计算所述缓冲区DEM与所述侵蚀沟DEM的差从而得到侵蚀沟平均深度DEM；步骤7，根据所述侵蚀沟平均深度DEM及侵蚀沟面积计算得到侵蚀沟的侵蚀土壤体积；步骤8，根据下式计算得到土壤侵蚀模数：

【技术特征摘要】
1.一种矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法，其特征在于，包括：步骤1，利用无人机获取矿山排土场影像数据；步骤2，利用GPS获取排土场的地面控制点准确的空间位置信息；步骤3，优选地可利用AgisoftPhotoscanprofessional1.1.2软件，结合GPS位置信息及所述影像数据，生成排土场点云数据和正射影像数据；步骤4，对所述正射影像数据进行目视解释以生成侵蚀沟边界，根据所述侵蚀沟边界筛选出位于侵蚀沟内部的高程点数据并根据高程点数据生成侵蚀沟DEM；步骤5，根据所述侵蚀沟边界得到缓冲区边界，筛选位于所述缓冲区边界内的高程点数据并根据高程点数据生成缓冲区DEM；步骤6，利用栅格计算器工具计算所述缓冲区DEM与所述侵蚀沟DEM的差从而得到侵蚀沟平均深度DEM；步骤7，根据所述侵蚀沟平均深度DEM及侵蚀沟面积计算得到侵蚀沟的侵蚀土壤体积；步骤8，根据下式计算得到土壤侵蚀模数：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏正安，杨超，张建辉，秦伟，熊东红，董一帆，殷哲，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51