綠色礦山建設中的地質災害監(jiān)測數字化技術應用

陳蒙 ，林錦富 ，段昌盛

(1.桂林理工大學地球科學學院，桂林 541004；2.廣東省有色金屬地質局九三八隊，惠州 516023；3.廣東省礦產資源儲量評審中心，廣州 510080)

近年來，從部、省、市各個層面，國家對于綠色礦山的建設重視程度逐年提高。國土資源部2017年發(fā)布《關于加快建設綠色礦山的實施意見》(國土資規(guī)〔2017〕4號)，各個省也積極推進相關規(guī)程文件制定工作。以廣東省為例，省國土資源廳于2017年12月發(fā)布《廣東省綠色礦山建設工作方案》(粵國土資規(guī)字〔2017〕5號)(下稱〔2017〕5號文)和《關于加快建設綠色礦山的通知》(粵國土資規(guī)字〔2017〕6號)(下稱〔2017〕6號文)等文件，提出了建設一批試點礦山，其中對于綠色礦山的建設，提出了現(xiàn)代數字化要求，特別對于金屬礦山，要求建立地質災害安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺。本文主要討論綠色礦山建設中的地質災害監(jiān)測數字化技術手段。

1 廣東省綠色礦山建設現(xiàn)狀

2012年以來，廣東陸續(xù)已經建設了一批國家級試點綠色礦山，如大寶山礦、大頂鐵礦、瑤嶺鎢礦、梅子窩礦等。大頂鐵礦資源綜合利用，使用廢石筑壩，提高廢石的綜合利用；綜合回收低品位礦，提高采礦回采率；以自動控制、集中控制取代傳統(tǒng)分散的人工控制，改善現(xiàn)場作業(yè)人員的工作環(huán)境?，帋X鎢礦創(chuàng)新利用井下采礦的坑道水凈化后用于發(fā)電，選礦尾水凈化后用于選礦，最終三廢達標，達到環(huán)保目的。

廣東省國土資源廳2017年印發(fā)〔2017〕5號文和6號文后，于2018年03月公示了第一批50個綠色礦山名單，包括5家金屬礦山，19家采石場，2家非金屬礦山(石灰石、螢石)，24家礦泉水地熱礦山。這兩份文件對于金屬類綠色礦山要求建設“現(xiàn)代數字化礦山”，除了要求對工藝、設備和管理進行自動化、機械化和信息化[1]，還著重要求對尾礦庫、廢渣土堆場、邊坡等可能引發(fā)次生地質災害的地段進行安全監(jiān)測，對廢氣、廢水污染控制系統(tǒng)展開線上監(jiān)測(圖1)。

圖1 綠色礦山的災害在線監(jiān)測

通過對比廣東省國土資源廳〔2017〕5號文和6號文印發(fā)后公布的50個綠色礦山，本文認為前期試點的一些國家級綠色礦山，特別是中大型金屬礦山，對于建設“現(xiàn)代化數字礦山”的理解執(zhí)行略有欠缺，主要體現(xiàn)在地質災害監(jiān)測方面未充分利用現(xiàn)代化數字手段。

2 數字礦山的地質災害監(jiān)測技術

數字礦山在綠色礦山的建設中具有必要的作用。數字化、信息化、自動化技術可以有效的變革礦山企業(yè)的生產工藝、管理模式，提供全面的信息資源，進而提高生產效率和水平。已經有學者提出了數字礦山是一種可視化平臺[2]。除“數字礦山”之外，有的學者還提出了“智慧礦山”的概念，盧新明等(2010)[3]認為，智慧礦山是一套完整的數字化智慧體，針對礦山全部信息進行自動收集、傳播、整合、展示；霍中剛等(2016)[4]認為智慧礦山是采礦技術伴隨著計算機科學、信息傳輸、AI技術和RS、GPS、GIS技術發(fā)展融合的結果。

“數字礦山”與“智慧礦山”建設都包括對于礦山開采狀況及次生地質環(huán)境變化的監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測依賴于一線調查，受限于天氣、地形等因素，特別是針對突發(fā)性的地質災害，人工往往難以第一時間到達現(xiàn)場，不能滿足實際需要。近年來三維激光掃描、合成孔徑雷達干涉(InSAR)、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、遙感衛(wèi)星、無人機及物聯(lián)網、云計算、大數據、AI技術蓬勃發(fā)展，為監(jiān)測預測礦山地質環(huán)境提供了有效手段[5]。本文主要探索遙感衛(wèi)星、無人機、大數據、云計算和AI技術等數字化手段的應用。

2.1 遙感衛(wèi)星技術

遙感衛(wèi)星結合GIS技術進行地質災害監(jiān)測，已經受到人們的重視。遙感技術探測范圍廣，受約束條件小，技術手段先進，獲取有效信息量大[6]，可在室內輕松開展監(jiān)測工作。

傳統(tǒng)的遙感數據主要來源于國外的衛(wèi)星拍攝，近年來隨著我國航天技術的發(fā)展，國產的遙感衛(wèi)星也層出不窮，比如高分一號(GF-1)、高分二號(GF-2)和資源一號02C(ZY1-02C)等，均可滿足工作需要。薛慶、吳蔚等(2017)[7]在鞍本遼鐵礦山遙感監(jiān)測工作中采用了高分一號的遙感數據，認為其能很好的應用于礦山開發(fā)狀況、占地、地質災害等工作。馬秀強、彭令等(2017)[8]在大冶地區(qū)礦山地質環(huán)境調查中應用了高分二號的遙感數據。梅軍軍、徐素寧(2017)[9]綜合對比了高分一號、高分二號和資源一號02C遙感數據，認為三者能有效識別礦區(qū)大中型地面塌陷。三者的數據應用之間具有一定區(qū)別，ZY1-02C、GF-1能滿足1∶50 000比例尺制圖要求，GF-2能滿足1∶25 000比例尺制圖要求，在不同程度上滿足了我國的礦山地災遙感監(jiān)測工作需要。

同時遙感影像是定源(衛(wèi)星源)、定點(拍攝位置)、定時(單個時間)的，而礦山開發(fā)利用是動態(tài)的，地質環(huán)境也是實時變化的。要想做到變化監(jiān)測，就要以多源、多時相的高分辨率的數據作為基礎(圖2)。對于不同時期的數據，前人多采用GIS手段，如主成分比值變化檢測方法，提取地表變化信息，進而結合DEM高程數據，認定地質災害體的變化[10]。

圖2 遙感手段用于地質體時空變化的監(jiān)測方法

通過遙感技術，能從動態(tài)的角度觀察總結地質災害體的產生變化過程，進而監(jiān)測其影響程度，總結其變化規(guī)律，最終實現(xiàn)地質災害發(fā)生的預測。

2.2 無人機監(jiān)測手段

遙感具有快速宏觀高分辨率的特點，但是采用遙感方式成本高，時效性差。無人機由機器自動操作，配備有攝像頭，可以進行實時監(jiān)控和拍照，具有成本低廉、沒有人身危險、機動性好、容易操作、懸停多角度拍照的優(yōu)點，在地籍測量、地質調查、高壓線路巡查、森林防火中具有良好的應用。目前使用較廣的主要是四軸或者四軸以上的螺旋翼飛行器。無人機遙感系統(tǒng)對指定的范圍進行快速精確監(jiān)測，結構簡單、成本低、風險小、實時性強、工作效率高、信息質量高、簡便。

對比遙感衛(wèi)星解譯，無人機遙感能獲取更加清晰的影像，通過三維建模，避免遙感衛(wèi)星解譯的多解性，并能找到平面圖上易忽視的一些小型地災隱患點，可以滿足具體的地災排查的要求[11](圖3)。侯恩科、首召貴等[12](2017)利用無人機遙感技術在采煤地面塌陷開展監(jiān)測，探索了數據處理方法：對地表裂縫采用計算機模型提取識別，對地表下沉采用無人機遙感的地表高程值擬合校正。

圖3 無人機手段用于地質體時空變化的監(jiān)測方法

2.3 人工智能、大數據和云計算手段

在人工智能方面，文海家博士[13]于2004年使用神經網絡 ANN、模糊邏輯 FIS、遺傳算法 GA預測分析滑坡災變。中國地質環(huán)境監(jiān)測院的劉傳正博士于2007年提出了國家級地質災害預警系統(tǒng)[14]。這種系統(tǒng)基于顯式統(tǒng)計方法，將隱含在降雨參數中的地質環(huán)境因素作用顯示出來，將地質災害預警作為一個多種因素相互關聯(lián)的統(tǒng)一體。在此其中體現(xiàn)了“人工智能”，去除了個人主觀性占比較重的經驗化模式。張申、丁恩杰(2011)[15]提出了物聯(lián)網建設中的一種“感知礦山”概念，結合GPS和GIS技術，利用先進的各種傳感器和無線組網技術，建立擬人化控制模型。通過人工智能技術，建立多種地災預警模型，耦合多個可能造成影響的因素，最終實現(xiàn)數據自動上報，主動無人值守預警。

大數據和云計算方面，隨著技術要求的提高，離線的單機模式的存儲已經不能滿足大數據和云計算的要求，GIS平臺也已經由傳統(tǒng)的單機版到web版然后發(fā)展到云環(huán)境版，比如知名的ESRI、SuperMap等公司的各種在線產品。在地質災害監(jiān)測中，也發(fā)展了基于WebGis、手機App和云計算的平臺，將數據存儲在網絡中。蔣銳、宋煥斌等(2011)[16]提出一種基于SensorWeb的系統(tǒng)架構，聯(lián)合多個礦山的局部監(jiān)測網絡，將監(jiān)測信息匯集到管理部門，進行大數據的統(tǒng)一化管理。佘東、朱曉彥等(2013)[17]通過一種省級的云計算平臺，提前或及時的預測地質災害的發(fā)生，其本質上是一套WebGis+手機APP系統(tǒng)。

3 綠色礦山的地質災害監(jiān)測數字化手段綜合應用

段昌盛、林錦富(2013)[18]提出一種基于WebGis技術的礦山地質環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)，本文在此基礎上，針對綠色礦山，提出一種符合廣東綠色礦山建設實際情況的地質環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)。系統(tǒng)中基礎信息、監(jiān)測、評估、預警4個模塊基于WebGIS系統(tǒng)框架，其中前兩個模塊提供數據來源，使用計算機技術進行評估，最終對用戶提供預警信息。在基礎信息模塊使用遙感技術,在監(jiān)測模塊使用無人機技術，評估模塊使用人工智能技術，預警模塊使用大數據、云計算和手機APP技術。

3.1 基礎信息模塊

首先利用遙感衛(wèi)星觀察范圍廣、分辨率可以滿足1∶2.5萬比例尺要求的特點，結合DEM高程數據，針對單個礦山，建立綠色礦山地質災害遙感監(jiān)測的基礎數據平臺。在此數據平臺可以查看礦山的遙感影像、地形現(xiàn)狀、地質條件、地表情況、高程數據等信息。這些基礎數據是地災預警的基礎，也是整個系統(tǒng)數據庫的核心。

3.2 信息監(jiān)測模塊

利用無人機機動性好、操作方便、成本低廉、無人員傷亡等特點，在暴雨或者山洪等極端氣候條件下，派出無人機對礦山尾礦庫、堆渣場、邊坡等進行監(jiān)測，在發(fā)生次生地質災害的前期及時進行觀測，發(fā)出預警信號。

3.3 評估模塊

評估模塊為整個系統(tǒng)的應用層，是核心技術。通過人工智能技術，完善評估模塊，建立多種模型，耦合多個可能造成影響的因素，最終實現(xiàn)數據自動評估，主動上傳，最后自動實現(xiàn)無人值守式的地災預警。

由于引入了人工智能技術，系統(tǒng)能夠自動對比已有的模型，綜合評價地災發(fā)生的幾率，計算預警分數，最后對用戶發(fā)出提醒，從而實現(xiàn)了自動化、智能化。

3.4 預警模塊

預警模塊通過現(xiàn)在的手機APP手段，負責對用戶發(fā)布實時信息，并上傳下達到有關管理部門和一線人員。

綜上所述，通過遙感+無人機+人工智能+大數據+手機APP的數字化技術應用，形成了一套切實有效的綠色礦山地質災害監(jiān)測方法。

4 結語

本文通過對比以往的一些國家級試點綠色礦山建設情況和當前最新的廣東省綠色礦山建設要求，認為以往的綠色礦山建設在地質災害監(jiān)測方面未充分利用現(xiàn)代化數字手段。本文討論了遙感衛(wèi)星、無人機、大數據、云計算和人工智能等數字化技術綠色礦山建設中的重要意義，提出一種符合廣東綠色礦山建設實際情況的地質環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)，具體包括基礎信息、監(jiān)測、評估、預警4個模塊。在基礎信息模塊使用遙感技術，在監(jiān)測模塊使用無人機技術，評估模塊使用人工智能技術，預警模塊使用大數據、云計算和手機APP技術。通過融合傳統(tǒng)的地災評估方法和最新的數字化技術，多個功能相互結合，可為監(jiān)測和預測礦山地質災害的發(fā)生提供一套可行的方法。