基于多傳感器網(wǎng)的露天礦邊坡形變監(jiān)測(cè)

任月龍,李如仁,張 信

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)時(shí)空分析與建模研究院,遼寧阜新 123000)

基于多傳感器網(wǎng)的露天礦邊坡形變監(jiān)測(cè)

任月龍1,2,李如仁3,張 信2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)時(shí)空分析與建模研究院,遼寧阜新 123000)

基于測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)、GPS監(jiān)測(cè)及地基微波雷達(dá)監(jiān)測(cè)是當(dāng)前形變監(jiān)測(cè)的主流技術(shù)手段,然而現(xiàn)有的應(yīng)用都沒(méi)有將3者很好的結(jié)合,基于此提出了面向露天礦邊坡變形的多傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),給出基于多傳感器網(wǎng)的礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)融合及系統(tǒng)方案。通過(guò)對(duì)多傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)與測(cè)量機(jī)器人、GPS數(shù)據(jù)的礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)的信息互補(bǔ),提高監(jiān)測(cè)的實(shí)用性。以內(nèi)蒙古錫林浩特勝利煤田中東部的勝利東2號(hào)露天煤礦為例,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多傳感器網(wǎng)形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,結(jié)果表明,多傳感器系統(tǒng)能夠保證露天礦邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的連續(xù)性、空間上的無(wú)縫性、結(jié)果上的可靠性,為邊坡變形分析和預(yù)警預(yù)報(bào)提供了一種解決方案。

多傳感器;露天礦邊坡;形變監(jiān)測(cè)

形變監(jiān)測(cè)在工程技術(shù)中具有重要的作用[1],邊坡形變監(jiān)測(cè)的意義在于掌握邊坡的穩(wěn)定狀況、位移和變形的規(guī)律等,為滑坡預(yù)報(bào)提供依據(jù),從而保證礦山生產(chǎn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)。露天礦區(qū)(以下簡(jiǎn)稱礦區(qū))的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是影響其開(kāi)采的重要因素,GPS、測(cè)量機(jī)器人、地基微波雷達(dá)等自動(dòng)化程度較高的傳感器已被大量應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)中[2-3]。利用傳感器網(wǎng)采集邊坡形變監(jiān)測(cè)已有不少產(chǎn)品,如瑞士徠卡公司的GeoMoS和美國(guó)AGI公司的Slope-Sentry等,但大多都僅針對(duì)單一傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè),沒(méi)有充分利用各傳感器之間在信息上的相互補(bǔ)充和印證關(guān)系[4-6]。研究多傳感器的信息融合和信息互補(bǔ),可以為礦區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和預(yù)警預(yù)報(bào)提供一種全局、穩(wěn)健、有效的途徑[6]。為了滿足礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè),本文提出建立統(tǒng)一的變形觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合多傳感器的特點(diǎn),通過(guò)多數(shù)據(jù)融合和分析,為礦區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析提供一種全局、穩(wěn)健、有效的方法。

1 多傳感器網(wǎng)形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合

1.1 基于多傳感器的礦區(qū)邊坡形變數(shù)據(jù)采集

露天礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的連續(xù)觀測(cè)、空間上的無(wú)縫覆蓋以及結(jié)果的高精度。由于監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)的地形、信號(hào)強(qiáng)弱及傳感器成本的限制,使用單一傳感器時(shí),存在信號(hào)源不穩(wěn)定、設(shè)備成本高,使邊坡形變監(jiān)測(cè)的應(yīng)用工程無(wú)法實(shí)施。因此,現(xiàn)有基于單一傳感器數(shù)據(jù)采集及分析,無(wú)法滿足區(qū)域化礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)的需求,需要融合多傳感器數(shù)據(jù)及分析方法。

礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)中,首先需要解決形變數(shù)據(jù)采集,常用的數(shù)據(jù)采集方法有GPS、測(cè)量機(jī)器人和微波雷達(dá)等[7-9]。上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集方法,各有優(yōu)缺點(diǎn),在礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)中,應(yīng)結(jié)合各自的優(yōu)勢(shì)。GPS監(jiān)測(cè)具有設(shè)備操作簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),但是高精度GPS設(shè)備成本較高、觀測(cè)點(diǎn)必須有較穩(wěn)定的GPS信號(hào),而且GPS僅可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觀測(cè),要實(shí)現(xiàn)區(qū)域觀測(cè),往往需要借助大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)完成。相對(duì)于GPS,測(cè)量機(jī)器人具有費(fèi)用低、可任意增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)靈活,但對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的依賴性強(qiáng),并且需要有良好的通視條件。微波雷達(dá)監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的區(qū)域性監(jiān)測(cè),對(duì)環(huán)境依賴性小,適用于大面積監(jiān)測(cè),但微波雷達(dá)僅采集二維點(diǎn)陣數(shù)據(jù),且也要求對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的通視性好。實(shí)際工作中,考慮到各監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn),一般用微波雷達(dá)來(lái)完成面域的點(diǎn)陣觀測(cè),高精度GPS實(shí)現(xiàn)少數(shù)重點(diǎn)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè),將測(cè)量機(jī)器人布設(shè)在低地形區(qū)(GPS接收信號(hào)較差且微波雷達(dá)無(wú)法覆蓋的區(qū)域),并且GPS和測(cè)量機(jī)器人同時(shí)為微波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果提供數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和結(jié)果評(píng)價(jià)信息。由于GPS和測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)均為具有地理坐標(biāo)的三維數(shù)據(jù)(平面地理位置和高程值),而微波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集結(jié)果為無(wú)地理坐標(biāo)的二維點(diǎn)陣圖像,在數(shù)據(jù)融合和分析前,需將雷達(dá)數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下,使其可以與GPS、測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合,對(duì)3種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合應(yīng)用和分析。

1.2 多傳感器形變監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)融合和分析

在多傳感器網(wǎng)的礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)中,各傳感器在數(shù)據(jù)采集上擔(dān)負(fù)著不同的角色。首先借助于微波雷達(dá)的區(qū)域觀測(cè)能力,GPS和測(cè)量機(jī)器人提供重點(diǎn)區(qū)域(如GPS信號(hào)較弱、測(cè)量機(jī)器人無(wú)法操作)的數(shù)據(jù)補(bǔ)充和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)[10],微波雷達(dá)利用差分合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量,完成不連續(xù)形變量的獲取和不連續(xù)形變區(qū)域的定位。多傳感器網(wǎng)形變監(jiān)測(cè)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸、計(jì)算與分析,因此,涉及到復(fù)雜的軟、硬件設(shè)計(jì)及集成,由于近年來(lái)形變監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及空間數(shù)據(jù)計(jì)算能力的不斷改進(jìn),使得集成多傳感器網(wǎng)進(jìn)行礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)成為可能。

雷達(dá)象元與地面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,通過(guò)地基雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)范圍的幾何關(guān)系進(jìn)行求解,借助雷達(dá)圖像中角反射器位置坐標(biāo),并以DEM的高程作為其高程真值,即可根據(jù)式(1)確定象元與地面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系,生成監(jiān)測(cè)區(qū)域的雷達(dá)圖像點(diǎn)陣與地面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件,從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像與地面坐標(biāo)的匹配(圖1)。

式中,X,Y為地面坐標(biāo);I,J為象元行列號(hào);I0,J0為起始象元行列號(hào);ax,ay,bx,by,cx,cy為轉(zhuǎn)換系數(shù),由起算數(shù)據(jù)求得。

圖1 地基雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)范圍的立體幾何關(guān)系Fig.1 3D geometry relationship between GB-SAR station and scan area

由于各種傳感器在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)本質(zhì)上都具有時(shí)間頻率及空間分辨率(時(shí)空不連續(xù)性),為保證對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)形變監(jiān)測(cè)的時(shí)間連續(xù)性、空間無(wú)縫性和精度有效性,需要對(duì)整個(gè)時(shí)空監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)間插值和空間插值,實(shí)現(xiàn)時(shí)間連續(xù)性和空間的全覆蓋,同時(shí)進(jìn)行時(shí)空插值時(shí)利用部分GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)和測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù),來(lái)進(jìn)行插值結(jié)果的精度驗(yàn)證[11]。筆者采用的方法是首先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,彌補(bǔ)單一傳感器采集數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的空間縫隙,再通過(guò)時(shí)間插值,形成連續(xù)時(shí)序的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

空間插值的方法采用普通克里金法(Ordinary Kriging)法,與傳統(tǒng)的插值方法(如最小二乘法、三角剖分法、距離加權(quán)平均法)相比,Kriging空間插值具有較好的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)更好的插值逼近程度、良好的插值外推能力及更廣的適用性[12],假設(shè)觀測(cè)區(qū)有n個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn) x1,x2,…,xn,任意未知點(diǎn) s的值Z(s),是由已知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的加權(quán)估算得到,按式(2)計(jì)算。

其中,s為未知的位置點(diǎn),可以是用經(jīng)緯度表示的空間坐標(biāo);Z(s)為該位置點(diǎn)的估算屬性值(形變量);wi為已知測(cè)量點(diǎn)xi的權(quán)重。普通克里金法方法關(guān)鍵要計(jì)算已知觀測(cè)點(diǎn)的貢獻(xiàn)權(quán)重wi,可以通過(guò)該估算方法的無(wú)偏性和最優(yōu)性條件計(jì)算獲得[13]。

對(duì)非連續(xù)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)集,采用臨近點(diǎn)線性插值法[14],以空間插值結(jié)果為插值基礎(chǔ),對(duì)任意一空間點(diǎn)s進(jìn)行時(shí)間插值,對(duì)于任意時(shí)刻t和空間點(diǎn)s,t＞t1且t＜t2,則t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果值Vt為式中,Vt2(s)和Vt1(s)分別為s點(diǎn)上距離時(shí)刻t最臨近的前一時(shí)刻t1和后一時(shí)刻t2的監(jiān)測(cè)值。

利用多傳感器網(wǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,在2個(gè)層次上進(jìn)行插值精度的檢驗(yàn)。首先在空間插值上,利用GPS和測(cè)量機(jī)器人的測(cè)量結(jié)果,對(duì)空間插值結(jié)果進(jìn)行檢查;其次,在時(shí)間插值結(jié)果上,采用不同期的GPS及測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)時(shí)序插值結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)插值精度的控制和檢驗(yàn)。精度檢驗(yàn)的方法采用交叉驗(yàn)證法,即對(duì)于任意已知觀測(cè)點(diǎn)xi,采用時(shí)空插值形變量與該點(diǎn)的觀測(cè)形變量的相對(duì)差異的平均值v來(lái)評(píng)價(jià)精度,可用公式表示為

式中,Z?(xi)為觀測(cè)點(diǎn)的形變量插值結(jié)果,為觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際形變值。

2 基于多傳感器網(wǎng)的礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊坡變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的自動(dòng)化系統(tǒng),由傳感器網(wǎng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析平臺(tái)軟件等組成(圖2),其中對(duì)多傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言,傳感器網(wǎng)(傳感器系統(tǒng))、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)(數(shù)據(jù)通訊)及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)(數(shù)據(jù)處理和控制)的設(shè)計(jì)尤為重要,分別解決形變數(shù)據(jù)的采集、獲取、結(jié)果分析。

圖2 多傳感器網(wǎng)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of multi-senson monitoring system

2.1 多傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)的設(shè)計(jì)

多傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)(簡(jiǎn)稱傳感器網(wǎng))實(shí)現(xiàn)形變監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題,傳感器網(wǎng)的設(shè)計(jì)以監(jiān)測(cè)覆蓋度高、投入成本低、實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)精度為基本設(shè)計(jì)原則,在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮多傳感器信息采集的局限性和互補(bǔ)性,同時(shí)考慮輔助站點(diǎn)(如基準(zhǔn)站、參考點(diǎn))的部署。

GPS和測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)布設(shè)以監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境等因素為依據(jù),選擇具有代表性的點(diǎn),要盡量涵蓋邊坡所在區(qū)域,其中,GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)抗災(zāi)害破壞力弱、成本高,主要布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域重點(diǎn)部位,測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在采場(chǎng)底部,便于測(cè)量機(jī)器人工作。雷達(dá)位置選擇需考慮與監(jiān)測(cè)目標(biāo)的距離、監(jiān)測(cè)范圍,盡量設(shè)在相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域,并考慮監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有一定的GPS和測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)點(diǎn),以便相互對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)站是整個(gè)礦區(qū)邊坡表面位移監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ),為監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供高精度的數(shù)據(jù)及起算坐標(biāo),針對(duì)礦區(qū)的地形及實(shí)際情況,考慮通訊、電力、交通、人員等綜合因素選取基準(zhǔn)站位置。參考點(diǎn)按照監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)際地形、開(kāi)采方向、地下巖性等因素進(jìn)行布設(shè),選擇相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域,保證參考點(diǎn)所觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)群均在監(jiān)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)。

2.2 形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)要解決形變數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題,主要將各種傳感器采集的形變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心(稱為監(jiān)控中心),后者將對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析,并報(bào)告形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)礦區(qū)邊坡區(qū)域監(jiān)測(cè)的范圍和監(jiān)控中心所在的地點(diǎn),采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和有線數(shù)據(jù)傳輸兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸:①無(wú)線傳輸。將監(jiān)測(cè)區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞給串口服務(wù)器,然后再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋的方式傳遞給數(shù)據(jù)中繼中心,組成星型無(wú)線網(wǎng)橋連接方式,再將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)服務(wù)器。②有線傳輸。對(duì)傳感器接收到的監(jiān)測(cè)形變數(shù)據(jù),通過(guò)光纜傳輸,通過(guò)串口將其轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào),通過(guò)網(wǎng)口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器,再進(jìn)行解算,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸量大,適合大區(qū)域長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸,但投入較大,部署靈活性相對(duì)較差。設(shè)計(jì)中,將無(wú)線、有線相互結(jié)合,首先對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用無(wú)線接入,再對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼后,通過(guò)有線網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2.3 形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析是多傳感器網(wǎng)形變自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組成部分,其分析結(jié)果關(guān)系到形變穩(wěn)定性判斷,并影響管理人員的決策。系統(tǒng)主要功能包括各傳感器原始數(shù)據(jù)的采集后處理、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析3個(gè)部分,數(shù)據(jù)采集后處理實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步轉(zhuǎn)換處理(如坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等),數(shù)據(jù)檢驗(yàn)主要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯合理性判讀和篩選,可以對(duì)明顯錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行去除,以免影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。前兩者都可以看成是數(shù)據(jù)分析的預(yù)處理工作,而數(shù)據(jù)分析部分實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算及對(duì)解算結(jié)果的圖形化展示,以實(shí)現(xiàn)形變分析和結(jié)果輸出。數(shù)據(jù)分析的主要功能包括表面位移分析、形變速率分析、斷面變形分析等。

3 應(yīng)用實(shí)踐

基于多傳感器網(wǎng)進(jìn)行礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)的應(yīng)用實(shí)踐,通過(guò)GPS、測(cè)量機(jī)器人和微波雷達(dá)信號(hào)的有機(jī)融合和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)。

3.1 研究區(qū)概述

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司東2號(hào)露天礦位于勝利煤田中東部,礦區(qū)面積49.63 km2,東西長(zhǎng)約8.0 km,南北寬約6.6 km,主體構(gòu)造形態(tài)為NE—SW走向,兩翼不對(duì)稱的寬緩向斜。2013年初東2號(hào)露天礦已形成南北寬約2.3 km,東西長(zhǎng)約3.5 km,面積約7.5 km2的采坑,邊坡高度202 m。隨著東二露天煤礦進(jìn)一步的開(kāi)拓和延伸,南幫邊坡穩(wěn)定性成為制約其安全生產(chǎn)的重要因素。通過(guò)對(duì)傳感器網(wǎng)的設(shè)計(jì)、傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),解決對(duì)該礦區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和輸出。根據(jù)傳感器網(wǎng)的布局設(shè)計(jì)方法,得到如圖3所示的傳感器采集網(wǎng),所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均采用UTM投影。

圖3 傳感器網(wǎng)的布設(shè)Fig.3 Layout of sensors network

3.2 基于多傳感器網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集及成圖

由GPS數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、測(cè)量機(jī)器人及微波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的多傳感器網(wǎng),覆蓋了整個(gè)研究礦區(qū)范圍,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(GPS和測(cè)量機(jī)器人)和數(shù)據(jù)面(微波雷達(dá))的邊坡形變數(shù)據(jù)采集、傳輸,將這些形變數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)實(shí)時(shí)地寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫(kù),GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)和測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和微波雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)云,共同為監(jiān)測(cè)區(qū)提供了形變動(dòng)態(tài)信息,通過(guò)對(duì)3種傳感器采集數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換后,可對(duì)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行成圖輸出,特別是當(dāng)采集多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí),可以通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)采集點(diǎn)的空間插值、時(shí)間插值的方法,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)的時(shí)序連續(xù)性和空間無(wú)縫性。

3.3 礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)分析與結(jié)果

以監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的某監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,時(shí)間對(duì)位移量的變化曲線如圖4所示,直觀地顯示了形變位移量隨日期的變化過(guò)程,通過(guò)對(duì)日期的時(shí)間插值,可以計(jì)算出任意時(shí)間點(diǎn)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變位移量,從而實(shí)現(xiàn)邊坡形變監(jiān)測(cè)的時(shí)間連續(xù)性。

圖4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移-速度-加速度曲線Fig.4 Displacement-velocity-acceleration curves for a typical monitoring point

對(duì)形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間覆蓋進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示,圖5顯示了某一時(shí)刻下,基于多傳感器網(wǎng)對(duì)該監(jiān)測(cè)礦區(qū)進(jìn)行的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果,包括GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)點(diǎn),及由微波雷達(dá)采集的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),各種傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果相互補(bǔ)充,完成覆蓋整個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的離散空間點(diǎn)進(jìn)行空間插值,可進(jìn)一步形成覆蓋整個(gè)區(qū)域的連續(xù)空間分布結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)監(jiān)測(cè)的空間無(wú)縫性。

圖5 雷達(dá)圖像在監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)中的顯示Fig.5 Display of radar image in monitoring platform

利用時(shí)空插值分析模塊,對(duì)利用多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)空插值分析,可以實(shí)現(xiàn)任意空間、任意時(shí)刻的形變量,圖6是某一監(jiān)測(cè)時(shí)刻所獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間插值結(jié)果,可以較直觀地顯示出目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)形變分級(jí)結(jié)果,表明整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)存在著正向(＞0,地基下沉)和負(fù)向(＜0,地基突起)的邊坡變形,其中發(fā)生地基下沉主要發(fā)生在監(jiān)測(cè)區(qū)的西部及中東部的零星區(qū)域。

圖6 基于空間插值的邊坡形變結(jié)果Fig.6 Monitoring result based on spatial interpolation

此外,還實(shí)現(xiàn)了利用精度較高的GPS形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)礦區(qū)邊坡的形變監(jiān)測(cè)的時(shí)空插值結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證,來(lái)評(píng)價(jià)基于多傳感器網(wǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性。通過(guò)對(duì)插值形變量與該點(diǎn)的觀測(cè)形變量的相對(duì)差異平均值的交叉檢驗(yàn)(式(4)),實(shí)踐表明通過(guò)多傳感器來(lái)進(jìn)行邊坡形變監(jiān)測(cè),其相對(duì)監(jiān)測(cè)精度可以控制在5%(v＜5%)以內(nèi),而采用單一的傳感器(如微波雷達(dá)),其監(jiān)測(cè)精度都在10%以外。因此,利用多傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用互補(bǔ),來(lái)實(shí)現(xiàn)礦區(qū)邊坡形變的監(jiān)測(cè),具有精度可靠性和自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)[15]。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用多傳感器網(wǎng)進(jìn)行礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)可綜合利用GPS、測(cè)量機(jī)器人及雷達(dá)測(cè)量的優(yōu)勢(shì),多傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)途徑。對(duì)多傳感器網(wǎng)的形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和融合進(jìn)行分析,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心要件,包括傳感器網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),滿足礦區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)的任務(wù)需求。利用設(shè)計(jì)的多傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng),對(duì)內(nèi)蒙古錫林浩特勝利東2號(hào)露天煤礦邊坡進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)實(shí)踐,表明多傳感器露天礦邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高覆蓋性、高可靠性、相互驗(yàn)證、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)等特點(diǎn),驗(yàn)證了利用多傳感器網(wǎng)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)時(shí)間連續(xù)性、空間無(wú)縫性和結(jié)果可靠性。后續(xù)研究可以結(jié)合邊坡形變監(jiān)測(cè)的時(shí)序特征及分析模型,對(duì)邊坡的形變進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)分析。

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Open pit slope deformation monitoring based on multiple-sensors

REN Yue-long1,2,LI Ru-ren3,ZHANG Xin2
(1.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Inner Mongolia Datang International Xilinhot Mining Co.,Ltd., Xilinhot 026000,China;3.Institute for Space-Time Analysis and Modeling,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

Open pit slope deformation monitoring is an important topic in industrial mine work.Principal approaches such as robot,GPS and ground-based microwave radar are proposed but their integration keeps untouched so far.The integration of multiple sensors to realize automatic deformation monitoring system for open pit slope was proposed.The data fusion for multi-sensors and the systematic frame for the monitoring were illustrated.The proposed framework could benefit from the date complementary from the sensors and thus improved the effectiveness in slope monitoring.A case study was performed at the Shengli East II Open Pit Coal Mine.Radar data,robot data and GPS data were integrated through spatial registration of ground-based radar data.The results show that the multi-sensor system can continuous monitoring in time and space as well as high reliability in open pit mine slope deformation monitoring,providing a solution for slope deformation monitoring and forecasting.

multi-sensor;open pit slope;deformation monitoring

TD824

A

0253-9993(2014)05-0868-06

任月龍,李如仁,張 信.基于多傳感器網(wǎng)的露天礦邊坡形變監(jiān)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(5):868-873.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0161

Ren Yuelong,Li Ruren,Zhang Xin.Open pit slope deformation monitoring based on multiple-sensors[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(5):868-873.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0161

2014-02-17 責(zé)任編輯:王婉潔

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51034005);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20100095110019);煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(SKLCRSM10X01)

任月龍(1969—),男,內(nèi)蒙古四子王旗人,教授級(jí)高級(jí)工程師。E-mail:dtgjxlhtky@163.com