高分辨率遙感在非煤礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測中的應用

馬國超，王立娟，唐 堯，賈軍虎，靳 曉，唐梓洋

(1.四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610045； 2.重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

0 引 言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與生產(chǎn)，一方面是國家工業(yè)建設的重要保障，能增加社會財富，促進經(jīng)濟發(fā)展；另一方面，由于開采生產(chǎn)工藝制約，它不得不造就尾礦庫、采場等具有高危險特性的工作場所，即礦山危險源。由于在礦山生產(chǎn)過程中普遍存在安全技術落后、裝備水平較低、作業(yè)秩序混亂等問題，在上述礦山生產(chǎn)場所中時常發(fā)生邊坡坍塌、冒頂片幫、地面塌陷以及壩體潰決等一系列災害性的安全事故[1]，給企業(yè)國有資產(chǎn)、礦山工作人員和當?shù)厝嗣袢罕姷娜松戆踩珟砹司薮蟮耐{。我國是世界礦業(yè)大國，安全生產(chǎn)環(huán)境較差的中小型非煤礦山眾多，據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局文件，每年因礦山事故死亡人數(shù)均成百上千人(圖1)。近年來，雖然我國政府對礦山安全生產(chǎn)問題一直保持高度的重視，但非煤礦山安全事故依然時有發(fā)生，如2016年8月8日，洛陽市新安縣鐵門鎮(zhèn)香江萬基鋁業(yè)有限公司大溝河尾礦庫發(fā)生潰壩，泥流下泄對下游村莊大量居民房屋造成了淤埋；2015年12月25日，山東省臨沂市平邑縣玉榮石膏礦發(fā)生重大坍塌事故，致使1人遇難，13人下落不明，井下作業(yè)工程及設備癱瘓；2014年5月19日，張家界市慈利縣金坪鄉(xiāng)汪本元方解石礦采用“天坑”作業(yè)模式致使山體滑坡坍塌事故，共造成4人死亡。嚴峻的安全形勢需要我們勇?lián)熑?，探究新型安全監(jiān)測技術，遏制礦山隱患不良發(fā)展成為當前安監(jiān)工作的重要內(nèi)容。

圖1 非煤礦山安全事故統(tǒng)計圖

高分辨率遙感泛指通過專業(yè)傳感器設施獲取目標物高分辨率(包含空間、時間和光譜)數(shù)據(jù)的技術手段，成果數(shù)據(jù)多以影像形式展現(xiàn)，常用平臺有衛(wèi)星、航遙飛機和無人機等[2]。近年來，隨著國產(chǎn)高分辨率系列衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國衛(wèi)星遙感已經(jīng)進入亞米級時代，其衛(wèi)星影像容納地物的紋理、形狀以及光譜的信息得以極大的豐富，并被快速運用于地質(zhì)調(diào)查、土壤分析以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等諸多領域的科學研究[3-5]。另外，具有成本低、時效高、輕小便捷等優(yōu)勢的無人機航空遙感呈爆發(fā)式地快速崛起，其在提升數(shù)據(jù)分辨率的同時，也提供了快速構(gòu)建地表三維模型的新捷徑，在一定程度上對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)形成補充甚至替代[6-7]。順應時代趨勢，大量學者利用高分辨率的衛(wèi)星和無人機遙感數(shù)據(jù)在礦山領域做了諸多應用實踐和科研工作[8-12]，如楊顯華等[8]采用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對礦山環(huán)境綜合治理進行了應用探索，提出了基于遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境綜合治理技術流程；李萬倫等[9]借助遙感數(shù)據(jù)的高光譜特性在礦山次生礦物識別、重金屬濃度反演、pH值定量估算、污染植被信息提取等方面進行了應用嘗試，并取得了良好的環(huán)境監(jiān)測效果；趙星濤等[10]采用低空無人機遙感實現(xiàn)了對礦山地質(zhì)災害類型、規(guī)模、損失及危害等信息的精細化提?。粭钋嗌降萚11]則借助無人機遙感探索了礦山儲量動態(tài)監(jiān)測方法，成功對目標礦山實現(xiàn)了動用儲量評估?？傮w而言，基于高分辨遙感技術的礦山應用及研究大多偏向于資源開發(fā)監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境評價方向，鮮有從礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管的角度實施應用分析與適用評價。在此背景下，筆者圍繞非煤礦山危險源實施基于高分辨率遙感的安全監(jiān)測應用分析，以求探索出一套行之有效的礦山安全監(jiān)管技術方案，提高礦山監(jiān)管效率，遏制安全事故風險的發(fā)生。

1 數(shù)據(jù)源及處理

四川省攀西地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲有礦產(chǎn)類型達54種，且為我國第2大鐵礦基地，是我國典型的非煤礦山集中區(qū)。但該區(qū)域以中高山地貌為主，地形險峻起伏，地質(zhì)構(gòu)造復雜，宜于人口居住和建設的空間較為狹小，礦山企業(yè)周邊以及下游區(qū)域多分布有民居駐地，礦山生產(chǎn)安全風險突出，具有典型應用研究價值。由此，本文應用研究對象取自攀西地區(qū)數(shù)個典型非煤礦山企業(yè)。

本文采用的高分辨遙感數(shù)據(jù)源分為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和無人機遙感數(shù)據(jù)兩類，衛(wèi)星數(shù)據(jù)包含GF1號、GF2號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，無人機數(shù)據(jù)為固定翼/旋翼無人機遙感數(shù)據(jù)，其中應用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)均經(jīng)過大氣校正、輻射校正、幾何校正以及影像融合等專業(yè)處理[2]，應用無人機遙感數(shù)據(jù)均則經(jīng)過畸變差改正、空中三角測量以及裁剪編輯等工作生成[13]。其中各類遙感數(shù)據(jù)分辨率囊括米級、亞米級和厘米級等多個空間尺度，衛(wèi)星數(shù)據(jù)能覆蓋數(shù)百上千平方千米，分辨率為米級/亞米級，固定翼無人機數(shù)據(jù)能覆蓋礦山企業(yè)及其周邊區(qū)域數(shù)平方千米至數(shù)十平方千米的范圍，分辨率為亞米級；小型旋翼無人機數(shù)據(jù)則能有效覆蓋礦山重大危險源及其周邊環(huán)境，分辨率為厘米級，見表1。

不同空間尺度的遙感數(shù)據(jù)具有不同的安全監(jiān)測應用優(yōu)勢，如高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)囊括范圍廣泛，宜用于整體掌控礦山安全格局；而小型旋翼無人機數(shù)據(jù)具高精度優(yōu)勢，宜用于監(jiān)測礦山重大危險源細部隱患。本文對不同尺度的遙感數(shù)據(jù)實施匹配和融合處理，構(gòu)建多重空間尺度的遙感數(shù)據(jù)集(圖2)，使之能夠適用于礦山生產(chǎn)宏觀與微觀一體化的安全監(jiān)測。

2 案例應用分析

基于構(gòu)建的非煤礦山多尺度高分辨率遙感數(shù)據(jù)集，本文從非煤礦山安全監(jiān)管需求的角度探索高分辨率遙感的實際應用價值，挖掘技術應用潛能，力求彌補非煤礦山安監(jiān)盲點，提高安全管理效率。結(jié)合技術優(yōu)勢與安全需求，高分辨率遙感在以下幾個礦山安全分析方面具備應用優(yōu)勢。

2.1 礦山安全隱患監(jiān)察

一般而言，礦山企業(yè)的安全隱患監(jiān)察通常是由企業(yè)安全監(jiān)管人員通過定期的現(xiàn)場檢查實施。但鑒于人類觀測視野所限，往往會存在“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的視覺缺陷，難以宏觀掌控礦山生產(chǎn)整體安全態(tài)勢，同時人為走動費時費力，也不盡然能夠?qū)⒌孛娴臐撛陔[患一一辨識。而本文構(gòu)建的高分辨率遙感數(shù)據(jù)集合具備兩個基本特征：多尺度的高空間分辨率和廣闊的空對地觀測視野。這類特征天然適用于地表異常或特征監(jiān)測，大至數(shù)平方千米的礦山安全布局，小至數(shù)厘米的安全隱患均能夠通過人工辨識提取，消除人工視野盲點缺陷，且能節(jié)省大量的工作時間，如圖3所示。

表1 數(shù)據(jù)源參數(shù)表

圖2 多尺度遙感數(shù)據(jù)集

圖3 非煤礦山安全隱患監(jiān)察案例

此外，通過攝影測量技術還可將無人機遙感影像數(shù)據(jù)加工生產(chǎn)成高精度的三維地表模型，此類山地測繪成果一般能滿足1∶2 000的地形繪制要求[13]。三維可視化的地表模型不僅能更加真實還原礦山生產(chǎn)環(huán)境，提高安全監(jiān)察效率，還有利于部分難以從圖像資料上直接辨別的安全隱患識別(圖4)。

2.2 危險源安全生產(chǎn)紅線規(guī)劃

安全生產(chǎn)紅線是一種生產(chǎn)管理意識，涉及政策、制度、思想以及科學技術等多個層面，只要是能夠保障人民群眾生命財產(chǎn)安全底線的任何東西都是紅線。本文利用高分辨率遙感直觀可視性強的優(yōu)勢，探索性將政策規(guī)范、管理經(jīng)驗以及技術要求上的安全紅線具象化表現(xiàn)出來，如《小型露天采石場安全管理與監(jiān)督檢查規(guī)定》規(guī)定礦山采場周邊300 m內(nèi)不能存在生產(chǎn)生活設施，如圖5所示；尾礦庫堆排設計最終的淹沒范圍，在技術上層面上也不允許人民群眾的長期生產(chǎn)與生活，如圖6所示。

2.3 危險源關鍵安全指標監(jiān)測

圖4 尾礦庫潛在滑坡監(jiān)察

圖5 露天采場安全紅線案例

圖6 尾礦庫安全紅線案例

圖7 尾礦庫最小干灘長度監(jiān)測案列

雖然礦山生產(chǎn)安全是開采、運輸和堆積等一系列生產(chǎn)活動的綜合體現(xiàn)，涉及固有風險、設備設施、安全管理以及人員素質(zhì)等多方面因素，但尾礦庫、采場等危險源安全關鍵指標失控往往才是引發(fā)安全事故的主要誘因。因此重點關注危險源，監(jiān)控關鍵指標是合理維護礦山安全的有效途徑。通過應用實踐，本文構(gòu)建的多尺度高分辨率遙感數(shù)據(jù)集可以有效監(jiān)測礦山危險源地表的安全關鍵指標，如觀測采場是否采用自上而下，分臺階開采；監(jiān)察采場是否采用機械鏟裝，機械二次破碎；檢查尾礦庫壩體排洪設施是否堵塞、破壞；量測采場邊坡是否超高、尾礦庫干灘長度是否不滿足要求等。圖7為某尾礦庫干灘長度指標監(jiān)測案例，在監(jiān)測期間，最小干灘長度最小為580 m，最大為715 m，狀態(tài)良好，符合國家要求[14]。

2.4 生產(chǎn)建設安全復核

無論尾礦庫、排土場還是采場，只要礦山在運營生產(chǎn)，這些危險源便都時刻處于變化的狀態(tài)，影響其安全狀態(tài)的邊坡高度、臺階寬度以及壩體坡比等指標因素也在改變，其本身安全狀態(tài)也會隨之改變。因此，嚴格依照礦山生產(chǎn)規(guī)劃設計進行相應的資源開采和尾砂堆排工程活動是維系礦山危險源在生產(chǎn)變化過程中安全穩(wěn)定性的重要保障。但鑒于工藝技術和開發(fā)成本等因素，礦山生產(chǎn)建設很難保障實際生產(chǎn)建設參數(shù)與規(guī)劃設計參數(shù)完美匹配，有些甚至與設計出入甚大，這樣遺留了嚴重的安全隱患。通過應用實踐，采用高分辨率遙感測繪成果可以有效地提取礦山危險源生產(chǎn)安全建設參數(shù)，以此與設計參數(shù)對比可清晰呈現(xiàn)安全建設過程中的隱患問題。圖8和表2為尾礦庫生產(chǎn)建設參數(shù)復核案例，該尾礦庫生產(chǎn)建設中段高、馬道寬度、壩體坡比等參數(shù)與設計符合良好，運營正常。

表2 尾礦庫設計安全復核表

注：表中壩體切線編號1、編號2、編號3與圖8中的編號一一對應。

圖8 尾礦庫設計安全復核案例

2.5 安全威脅對象分析

保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全是實施礦山安全監(jiān)測的本質(zhì)目標，因此在辨識礦山危險源本身安全屬性的同時，還應該重點關注危險源可能威脅到的承災對象。只有既在源頭上控制好安全形勢，又加強安全威脅對象的事故防范與疏離工作，才能夠真正確保礦山企業(yè)生產(chǎn)安全。通過應用實踐，高分辨率的遙感影像不僅能夠清晰地呈現(xiàn)礦山周邊居民區(qū)戶數(shù)、分布以及發(fā)展現(xiàn)狀，還能便捷地量測居民區(qū)距離危險源高差、平距等屬性,以最直觀的方式輔助安全威脅對象分析。

圖9和表3為尾礦庫下游居民安全統(tǒng)計分析案例。上游筑壩式尾礦庫下游流域往往具備較高的安全風險，歷史上多起尾礦庫潰壩事故均造成下游人民生命財產(chǎn)的重大損失。經(jīng)過遙感統(tǒng)計，該尾礦庫下游1 km范圍內(nèi)存在居民集中區(qū)，有30余戶居民，最遠的居民區(qū)距離尾礦庫壩底距離為590.5 m，最小垂直高差為14.7 m，是典型的“頭頂庫”，需重點關注。

圖9 尾礦庫下游居民區(qū)安全統(tǒng)計案例

表3 尾礦庫下游居民區(qū)安全統(tǒng)計表

3 結(jié) 論

1) 對于辨識非煤礦山地表安全隱患，高分辨率遙感技術具有天然的適用價值，能有效彌補人工監(jiān)察缺陷，極大提高安全監(jiān)管效率。

2) 影像呈現(xiàn)方式有利于非煤礦山安全建設規(guī)劃的評估和設計，能具象化表現(xiàn)出政策規(guī)范、管理經(jīng)驗和技術要求中存在的安全生產(chǎn)紅線。

3) 基于遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)的三維測繪產(chǎn)品不僅能有效輔助潛在隱患的識別，還能實施精準的建設參數(shù)量算，與規(guī)劃設計參數(shù)對比有益于挖掘礦山危險源施建過程中的安全隱患。

4) 雷達遙感技術，特別是差分合成孔徑雷達干涉(D-INSAR)、永久散射體合成孔徑雷達干涉(PS-INSAR)等新技術可應用于礦山采空區(qū)沉降、尾礦庫壩體變形等安全監(jiān)測應用。

5) 高光譜衛(wèi)星技術可以基于地物元素光譜反射規(guī)律實施礦山周邊區(qū)域環(huán)境污染監(jiān)測應用，避免當?shù)鼐用褚蛘`用誤食不良土壤水質(zhì)而引發(fā)安全事故。

6) 高分辨率遙感技術成熟、運用方便，在安全監(jiān)測領域具有良好的推廣應用價值，預期在化工企業(yè)安全、城市公共安全等領域均應有良好的市場價值。