一种采煤沉陷区飞播生物修复方法

本发明涉及一种采煤沉陷区飞播生物修复方法，属于生态修复领域。

背景技术：

我国西部地处干旱、半干旱地区，生态环境脆弱，地下采煤引起了岩层和地表运动，扰动了地表土壤，干扰了地表植物生长。煤矿区生态环境具有一定的自修复能力，但是自然修复速度较为缓慢，如何快速、高效地修复煤矿区生态是解决该地区环境问题的关键。同时井工矿存在采煤后地表破碎程度大，甚至存在人难以到达的地方，这限制了传统的人工近距离修复方法的实施。

无人机飞播技术早在20世纪就起步了，生态修复工作者通过无人机飞播草籽来增加地表植物覆盖；在2020年左右，无人机飞播技术迅猛发展，飞播作业较多应用于水稻飞播、油菜籽飞播、草原种子飞播。这些作业环境是农田或草原，地面环境较好，农田地面平坦，草原地面起伏较小，对无人机作业安全影响较小，适用无人机大面积飞播。但是在采煤沉陷区地面破碎，起伏较大，这种环境限制了无人机飞播技术在煤矿区植被恢复中的应用和推广，而且不考虑坡度和地面覆盖率的播撒作业也会浪费种子。因此，煤矿区生态修复急需要提供一种高效、更为合理的适用于采煤沉陷区飞播生物修复方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采煤沉陷区飞播生物修复方法，为煤矿复垦区生态修复提供技术支持。

本发明所提供的采煤沉陷区飞播生物修复方法，包括如下步骤：

s1、获取采煤沉陷区的地形图；

s2、对所述地形图进行坡度分级；

s3、根据所述坡度分级的结果和所述采煤沉陷区的地面覆盖率，确定飞播作业播撒系数；

s4、确定无人机飞播过程中的高度调整参数；

s5、根据所述地面坡度分级的结果、所述飞播作业播撒系数和所述高度调整参数，采用无人机进行飞播作业。

上述的飞播生物修复方法中，步骤s1中，通过数字测图方法或无人机测绘获取所述采煤沉陷区的地形图。

上述的飞播生物修复方法中，步骤s2中，将所述采煤沉陷区的地形图划分为50～100m的网格化矿区地形图，进行坡度分级；

通过坡度分级，不仅方便数据处理，同时也方便无人机飞播航线规划和实际飞播作业；

优选将坡面分为下述等级：

1)坡度<15°的坡面为一级坡面；2)坡度为15°～25°的坡面为二级坡面；3)坡度为25°～35°的坡面为三级坡面：4)坡度为35°～60°的坡面为四级坡面；5)坡度为60°～90°的坡面为五级坡面。

上述的飞播生物修复方法中，步骤s3中，根据所述坡度分级的结果得到坡度播撒系数；

所述坡度播撒系数与地面覆盖率播撒系数的乘积即为所述飞播作业播撒系数；

所述地面覆盖率播撒系数根据所述地面覆盖率的等级进行赋值。

具体地，按照下述a)-d)确定所述地面覆盖率播撒系数：

a)地面覆盖率为80％～100％时为一级覆盖率，不需要播撒草籽；

b)地面覆盖率为50％～80％时为二级覆盖率，所述地面覆盖率播撒系数为0.5；

c)地面覆盖率为20％～50％时为三级覆盖率，所述地面覆盖率播撒系数为0.8；

d)地面覆盖率为0％～20％时为四级覆盖率，所述地面覆盖率播撒系数为1.0，即以地面覆盖率为0的情况为单位1。

本发明所述地面覆盖率可以实地调查或无人机航拍进行统计，没有统计乔木。

具体地，所述坡度播撒系数以平地为单位1，由式(1)得到：

式(1)中，a表示所述坡度播撒系数，b表示所述坡度分级内的最大坡度。

本发明飞播生物修复方法中，因为地面坡度的存在，无人机飞播过程中需要垂直与坡度方向上建立航线从坡度最高处或者坡度最低处开始进行作业，因为等高线的存在稀疏程度不同的情况，只能保证航线方向与主坡度方向垂直(主坡度方向为飞播单元坡度大致走向)，因为坡度的存在，在飞播的过程中全自主模式下相邻航线间距离地面的距离不同，需要人工辅助调控无人机高度，确定所述高度调整参数的方法如下：

以d作为无人机飞播幅宽，以e作为无人机高度调整参数，示意图如图2所示，图2(a)为无人机飞播俯视图，图2(b)为无人机飞播侧视图，图2(c)为无人机高度调整计算示意图，高度调整参数计算公式如式(2)所示，b表示坡度分级内的最大坡度：

e＝d×tan(b)(2)

(1)从坡度最高处进行作业，需要在无人机自己调转方向的时候人工辅助调控将无人机飞行高度降低e；(2)从坡度最低处进行作业，需要在无人机自己调转方向的时候人工辅助调控将无人机飞行高度升高e。最终保证无人机在飞播过程中与无人机正下方距离大致相等。

本发明确定的地面坡度分级、飞播作业播撒系数和高度调整参数可指导实际飞行作业，地面坡度对无人机安全操作有重要影响，因此飞行需按照坡度分级为首要分级标准进行作业，在每个坡度分级内根据地面覆盖率分级进行作业，每个坡度分级单元内地面覆盖率以该分级单元内最低覆盖率统计。

本发明修复方法基于采煤沉陷区地面沉陷的实际情况进行设计，具有如下优点：

(1)本发明方法确定的坡度分级飞播技术标准可以适应采煤沉陷区的复杂地形，保障无人机安全；

(2)根据地面覆盖率进行分级设置播撒量，可以实现高效、准确的播撒；

(3)确定的高度调整参数可以保证无人机在单元操作范围内时刻与地面保持大致相等的竖向距离；

(4)无人机飞播遥控式作业，避免了人员进入采煤沉陷区对环境的影响，可以节约人力成本。

附图说明

图1为本发明采煤沉陷区飞播生物修复方法的流程图。

图2为无人机飞播高度调整示意图。

图3为柠条塔飞播设计地面坡度分级图。

图4为张家峁飞播设计地面坡度分级图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明提供的采煤沉陷区飞播生物修复方法，流程图如图1所示，包括如下步骤：

s1、获取采煤沉陷区的地形图；

s2、对所述地形图进行坡度分级；

s3、根据所述坡度分级的结果和所述采煤沉陷区的地面覆盖率，确定飞播作业播撒系数；

s4、确定无人机飞播过程中的高度调整参数；

s5、根据所述地面坡度分级的结果、所述飞播作业播撒系数和所述高度调整参数，采用无人机进行飞播作业。

本发明根据地面覆盖率进行分级设置播撒量，可以实现高效、准确的播撒；本发明提出的高度调整参数可以保证无人机在单元操作范围内时刻与地面保持大致相等的竖向距离。

实施例1、柠条塔煤矿采煤沉陷区飞播试验设计

1、试验区概况

试验地位于陕西省榆林市神木市柠条塔煤矿区，属于黄土高原地区，地下采煤引起地表塌陷。

2、材料与设备

(1)设计供试种子：紫花苜蓿。

(2)试验用无人机为天途m8apro，最大载重量为20kg。

3、处理流程

(1)获取地形图

采用数字测图方法测得地形图，设计面积为2100亩(1400007平方米)，地面坡度在1.94°～59.04°之间。

(2)地面坡度分级

运用autocad制图软件分析精度50m的网格化矿区地形图，坡度分类结果(图3)，坡度一级占地面积37.48％，实际787.08亩(524722.6236平方米)；坡度二级占地面积27.14％，实际569.94亩(379961.8998平方米)；坡度三级占地面积14.86％，实际312.06亩(208041.0402平方米)；坡度四级占地面积20.52％，实际430.92亩(287281.4364平方米)。

(3)飞播作业设计

经过实地调查发现该地区地面覆盖率平均程度在20％～50％之间，也有区域覆盖率高于50％，但是分布较为破碎，以飞播单元内最低地面覆盖率为准则，因此设定地面覆盖率等级为三级，方便作业。实地作业中按照地面坡度和地面覆盖率进行作业分类，包含以下四类：地面坡度一级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.832；地面坡度二级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.880；地面坡度三级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.976；地面坡度四级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为1.600，如表1中所示，其中，坡度播撒系数由式(1)得到。

表1飞播作业设计播撒系数

注：表格中数据为坡度播撒系数×地面覆盖率播撒系数＝播撒系数。

飞播幅宽设置为5m，由式(2)确定，地面坡度一级高度调整参数为1.34m(b值为15°)，地面坡度二级高度调整参数为2.34m(b值为25°)，地面坡度三级高度调整参数为3.5m(b值为35°)，地面坡度四级高度调整参数为8.7m(b值为60°)。

通过本发明方法进行数据处理后，柠条塔煤矿采煤沉陷区原本较为破碎、复杂的地形经过坡度分级后更容易实际操作，通过设计飞播高度调整参数可以保证无人机在操作单元范围内时刻与地面保持大致相等的竖向距离；依据地面坡度设计地面坡度播撒系数，这考虑到了斜面面积大于其投影面积的客观情况，并且根据地面覆盖率进行分级并设计播撒系数，这样会避免播撒量不足或者过度消耗播撒种子的问题。

实施例2、张家峁煤矿采煤沉陷区飞播试验设计

1、试验区概况

试验地位于陕西省榆林市神木市柠条塔煤矿区庙墕村，属于黄土高原地区，地下采煤引起地表塌陷。

2、材料与设备

(1)设计供试种子：紫花苜蓿。

(2)试验用无人机为天途m8apro，最大载重量为20kg。

3、处理流程

(1)获取地形图

采用数字测图方法测得地形图，设计面积为1000亩(666667平方米)，坡度范围在0°～54.21°之间。

(2)地面坡度分级

运用autocad制图软件分析精度50m的网格化矿区地形图，坡度分类结果(图4)，坡度一级占地面积46.83％，实际468.3亩(312201.561平方米)；坡度二级占地面积10.92％，实际109.2亩(72800.364平方米)；坡度三级占地面积20.42％，实际204.2亩(136134.014平方米)；坡度四级占地面积21.83％，实际218.3亩(145534.061平方米)。

(3)飞播作业设计

经过调查发现该地区地面覆盖率平均程度在20％～45％之间，也有区域地面覆盖率高于45％，但是分布较为破碎，以飞播单元内最低地面覆盖率最准则，因此设定地面覆盖率等级为三级，方便作业。实地作业中按照地面坡度和地面覆盖率等级进行作业分类：包含以下四类，地面坡度一级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.832；地面坡度二级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.880；地面坡度三级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.976；地面坡度四级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为1.600，如表1所示。

飞播幅宽设置为5m，由式(2)确定，地面坡度一级高度调整参数为1.34m(b值为15°)，地面坡度二级高度调整参数为2.34m(b值为25°)，地面坡度三级高度调整参数为3.5m(b值为35°)，地面坡度四级高度调整参数为8.7m(b值为60°)。

通过本发明方法进行数据处理后，张家峁煤矿采煤沉陷区原本较为破碎、复杂的地形经过坡度分级后更容易实际操作，通过设计飞播高度调整参数可以保证无人机与操作单元范围内时刻与地面保持大致相等的竖向距离；依据地面坡度设计地面坡度播撒系数，这考虑了斜面面积大于其投影面积的客观情况，并且根据地面覆盖率进行分级并设计播撒系数，这样会避免播撒量不足或者过度消耗播撒种子的问题。

实施例3、张家峁煤矿采煤沉陷区紫花苜蓿种子飞播试验

1、试验区概况

试验地位于陕西省榆林市神木市张家峁煤矿区木瓜树村，属于黄土高原地区，地下采煤引起地表塌陷和裂缝。

2、材料与设备

(1)供试种子：紫花苜蓿。

(2)试验用无人机为天途m8apro，最大载重量为20kg。

3、处理流程

(1)获取地形图

采用数字测图方法测得地形图，设计面积为15亩(10000.05平方米)。

(2)地面坡度分级

飞播试验区坡度在25°～35°之间，即地面坡度分级中的三级。

(3)飞播作业设计

地面覆盖率在20％～40％之间，属于地面覆盖率中的三级。飞行幅宽为5m，高度调整参数为3.5m。

(4)实地作业

实地作业按照地面坡度三级，地面覆盖率三级进行作业设计，种子播撒系数为0.976(如表1)。采用全自主作业模式和人工辅助作业，飞行高度设置为10m，飞行速度为5m/s，飞行幅宽为5m，转盘速度设为低速，每亩平地和地面覆盖率为0时紫花苜蓿播撒量为5kg/亩，试验区种子播撒量为4.88kg/亩，从坡度最低处开始作业，无人机每次转向后高度需要升高3.5m。作业时间在2019年7月25-26日进行播撒设计与操作，飞播后并未安排人员专门对飞播种子进行覆土。

4、结果与分析

2019年8月29日进行了现场调查，因为飞播后并未安排人员对飞播种子进行覆土，调查显示紫花苜蓿盖度为0.3％，对地面覆盖率影响较小。在2020年5月28日进行现场调查，发现在人为干扰过(放牧踩踏、农业收获)的地方总盖度能达到45％～65％。可见无人机播撒紫花苜蓿对地面植物盖度有一定的提高，表明本发明播撒方法具有可行性。