基于3S技術(shù)集成的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)研究

劉春和，龍 柱

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，湖南 湘潭 411102）

隨著金屬礦區(qū)開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率逐漸上升，不僅影響了區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也對(duì)安全生產(chǎn)及效益增收造成不利[1]。礦山開(kāi)采不僅破壞生態(tài)環(huán)境和地貌景觀，更易引起地質(zhì)災(zāi)害[2-4]，由此對(duì)于礦山生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、質(zhì)量評(píng)價(jià)和治理就顯得尤為重要[5]。以3S技術(shù)為核心的空間信息技術(shù)在科技與經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展的帶動(dòng)下發(fā)展快速，使得礦山測(cè)量的難題得到有效解決[6]。為基本掌握礦山采空區(qū)地面變形影響范圍區(qū)的剩余移動(dòng)特征，預(yù)測(cè)未來(lái)變化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)采空區(qū)地面變形影響范圍區(qū)進(jìn)行地面變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)定期重復(fù)觀測(cè)，積累準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)控制或防治地面變形提供規(guī)劃和決策依據(jù)，為后續(xù)治理工程設(shè)計(jì)與施工提供工程參考數(shù)據(jù)。地面變形監(jiān)測(cè)對(duì)象有地表水平位移、地表垂直位移以及地表裂縫等。具體來(lái)說(shuō)，就是按照采空區(qū)地面變形影響范圍區(qū)分布情況、開(kāi)采深度、地質(zhì)條件變化、地表變形異常、監(jiān)測(cè)目的等情況布設(shè)。

對(duì)地下水環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的在于，查明水文地質(zhì)條件，如地下水徑流、補(bǔ)給以及排泄條件等。當(dāng)明確礦區(qū)所處地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律，就可為地下水資源科學(xué)管理提供可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)。具體檢測(cè)工作，需在地下水動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以監(jiān)測(cè)地下水水位變化趨勢(shì)為主，記錄日內(nèi)最高水位、最低水位及其發(fā)生時(shí)間。

為了明確2019年度～2022年度生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)現(xiàn)狀，采用無(wú)人機(jī)對(duì)全區(qū)進(jìn)行航拍攝影，對(duì)礦區(qū)生態(tài)格局和社會(huì)環(huán)境進(jìn)行空中（航拍）監(jiān)測(cè)，明確生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)現(xiàn)狀。生態(tài)宏觀監(jiān)測(cè)以無(wú)人機(jī)對(duì)全區(qū)進(jìn)行航拍攝影，制作DLG（數(shù)字線劃圖）的方式進(jìn)行。工程監(jiān)測(cè)使用無(wú)人機(jī)對(duì)全區(qū)進(jìn)行航攝，制作DOM（數(shù)字正射影像圖），并對(duì)分項(xiàng)分部工程進(jìn)行錄像與攝影。

1 作業(yè)區(qū)自然地理概況

1.1 礦區(qū)地理位置

譚家山鎮(zhèn)處在湘潭縣中南部，與縣城距離約15km。107國(guó)道由北往南穿境而過(guò)，將該鎮(zhèn)劃分為東西兩個(gè)區(qū)域。群山環(huán)繞簇?fù)?，山、路、水、林、田相互交錯(cuò)，屬典型的丘陵地區(qū)。如圖1所示，為譚家山鎮(zhèn)區(qū)域的行政地圖。

圖1 區(qū)域行政地圖

譚家山礦區(qū)地處印支與燕山山脈的褶皺帶，且湘東裂谷新生代株洲盆地與湘潭盆地間的斷隆區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造為東西方向發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)的氣候環(huán)境溫和，全年濕潤(rùn)多雨，無(wú)嚴(yán)寒酷暑等惡劣情況，屬溫?zé)釒夂驐l件。年均降雨量在1700mm～2000mm之間，是地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源。由于礦區(qū)內(nèi)部無(wú)河流，所以地表水系發(fā)育較差。據(jù)勘察，礦區(qū)內(nèi)部以礦區(qū)中心的士地廟區(qū)水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜。

1.2 礦區(qū)采空區(qū)

成立于1958年的譚家山礦，位于湘潭縣譚家山鎮(zhèn)境內(nèi)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年大規(guī)模、高強(qiáng)度的開(kāi)采，形成的采空區(qū)具有面積大特點(diǎn)。再加上，土地資源的浪費(fèi)問(wèn)題嚴(yán)重，出現(xiàn)了水土流失與環(huán)境污染問(wèn)題。礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程的人居安全問(wèn)題頻發(fā)，已經(jīng)被列為省內(nèi)重點(diǎn)救災(zāi)項(xiàng)目。譚家山礦區(qū)累計(jì)開(kāi)采量達(dá)到1500萬(wàn)噸以上，譚家山礦區(qū)資源不僅已經(jīng)臨近枯竭，而且在采空區(qū)形成了大面積的沉陷。采空區(qū)上覆巖層土體受到重力問(wèn)題影響出現(xiàn)了剝離、彎曲甚至是冒落現(xiàn)象。此地質(zhì)背景下，土體與建筑物出現(xiàn)了大面積變形，在降低耕地質(zhì)量的同時(shí)，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。據(jù)勘測(cè)，在7.88平方公里礦區(qū)，沉陷區(qū)面積高達(dá)6.8平方公里，其中采空區(qū)面積達(dá)3.08平方公里。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)施原理

2.1 地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基準(zhǔn)網(wǎng)

在工程區(qū)域外穩(wěn)定可靠的位置，布置的檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)有4個(gè)。結(jié)合實(shí)際情況，將布設(shè)在金泉村的基準(zhǔn)點(diǎn)，作為監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)。同時(shí)在老關(guān)-譚家山公路附近布設(shè)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在鐵爐村布設(shè)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在譚家山村以東位置布設(shè)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。由此，就形成了四邊形網(wǎng)，用作水平與垂直位移方向的檢測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)前冠以JD1、JD2、JD3、JD4標(biāo)示，基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)需按照規(guī)格進(jìn)行，生態(tài)修復(fù)工程監(jiān)測(cè)部署圖如圖2所示。

圖2 生態(tài)修復(fù)工程監(jiān)測(cè)部署圖

本次項(xiàng)目采用GPS單點(diǎn)定位方法獲得基準(zhǔn)站點(diǎn)位三維坐標(biāo)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值以現(xiàn)場(chǎng)人力采集數(shù)據(jù)為主，使用四臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，同步觀測(cè)相同的4顆以上GPS衛(wèi)星，以獲得點(diǎn)位坐標(biāo)值。同時(shí)測(cè)站點(diǎn)（監(jiān)測(cè)站）點(diǎn)位的布設(shè)應(yīng)能保證與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的通視，通視可觀測(cè)到測(cè)站點(diǎn)，如圖3所示，測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)值同樣采用GPS單點(diǎn)定位方法。

圖3 測(cè)站點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2 地表位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)剖面布設(shè)（水平位移、垂直位移）在采空區(qū)地面主變形區(qū)（DB01-DB04）及潛在變形區(qū)布設(shè)方格控制網(wǎng)監(jiān)測(cè)剖面，控制主變形區(qū)及潛在變形區(qū)水平、沉降變化情況。方格網(wǎng)監(jiān)測(cè)剖面與等高線近似垂直，自南向北跨過(guò)變形區(qū)及潛在變形區(qū)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選擇應(yīng)根據(jù)變形體的幾何特征、變形特征等確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。若測(cè)區(qū)觀測(cè)條件困難，應(yīng)盡量將觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在能反映變形體穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測(cè)斷面上。布設(shè)地表水平與垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)66個(gè)，點(diǎn)間距150m～200m不等，如圖4所示。

圖4 地表水平與垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般布設(shè)變形區(qū)域上能代表變形體位移變化的監(jiān)測(cè)斷面上，用于全站儀觀測(cè)之用。采空區(qū)地表建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選擇應(yīng)根據(jù)變形體的幾何特征、變形特征等確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)建（構(gòu)）物垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)364個(gè)，每座重點(diǎn)建（構(gòu)）物房柱布設(shè)2個(gè)～3個(gè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)方法如下：

（1）監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)建立。先對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行確定，并把測(cè)站點(diǎn)的高程與平面坐標(biāo)，作為動(dòng)態(tài)檢測(cè)的參照。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)學(xué)習(xí)。由于監(jiān)測(cè)處在軟件控制環(huán)境下，因此，需要逐點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)角度與距離的測(cè)量學(xué)習(xí)，即通過(guò)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，來(lái)為后續(xù)的監(jiān)測(cè)提供自動(dòng)定位數(shù)據(jù)信息。

（3）日常監(jiān)測(cè)。運(yùn)用AutoMos Monitor及CDMA以及通訊模塊。并設(shè)置差分基準(zhǔn)點(diǎn)形成聯(lián)測(cè)方案。對(duì)于每臺(tái)儀器監(jiān)測(cè)的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)既定觀測(cè)數(shù)據(jù)遵循再散點(diǎn)觀測(cè)原則來(lái)開(kāi)展檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)完成后，來(lái)確定檢測(cè)時(shí)間間隔與各點(diǎn)的觀測(cè)順序。由此，再經(jīng)上述軟件模塊，來(lái)完成自動(dòng)化的常規(guī)監(jiān)測(cè)控制。

2.3 地表裂縫監(jiān)測(cè)

根據(jù)地裂縫的長(zhǎng)度、寬度、走向等情況，布設(shè)地表巨型裂縫LF01監(jiān)測(cè)點(diǎn)11處，另地質(zhì)斷裂帶可能高發(fā)處布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 地表裂縫監(jiān)測(cè)部署圖

觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)用固定鋼尺或卷尺對(duì)簡(jiǎn)易裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)。每次采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)采用多次量測(cè)的方法，最后取其平均值作為本次測(cè)量的最后結(jié)果進(jìn)行記錄計(jì)算。巨型裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用高智能型測(cè)縫計(jì)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，自動(dòng)存儲(chǔ)每次所測(cè)量的數(shù)據(jù)，循環(huán)記錄。

2.4 地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的密度，需按照水文地質(zhì)情況、地下水資源供水條件以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，區(qū)域地下水位變化情況合理地選定。對(duì)于主要監(jiān)測(cè)線，應(yīng)設(shè)置專門(mén)的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，就是在監(jiān)測(cè)線外，設(shè)置由勘探孔、探采、民井結(jié)合孔以及機(jī)井構(gòu)成的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本次共設(shè)置11個(gè)監(jiān)測(cè)孔，并安裝自記水位采集儀，如圖6所示。

圖6 水位監(jiān)測(cè)部署圖

對(duì)11個(gè)水文勘察鉆孔安裝地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)控礦區(qū)地下水位變化趨勢(shì)，施工期和竣工后一年監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率20min一次，監(jiān)測(cè)周期48個(gè)月。靜水位測(cè)量，兩次測(cè)量最大誤差不大于±1cm/10m。

2.5 生態(tài)恢復(fù)監(jiān)測(cè)

為了明確2019年度～2022年度生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)現(xiàn)狀，采用無(wú)人機(jī)對(duì)治理范圍全區(qū)進(jìn)行航拍攝影。地面像元分辨率一般不得低于0.08m。航向重疊一般應(yīng)在60%～80%之間，旁向重疊在40%～60%之間。通過(guò)生態(tài)宏觀監(jiān)測(cè)對(duì)礦區(qū)生態(tài)格局和社會(huì)環(huán)境進(jìn)行空中（航拍）監(jiān)測(cè)，每年度全域一次。

在測(cè)區(qū)四周各布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，中間布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，共布設(shè)5個(gè)像控點(diǎn)。如精度達(dá)不到要求時(shí)，需合理增加像控點(diǎn)，以保證精度。像控點(diǎn)布設(shè)主要在Google Earth上進(jìn)行，采用KMZ模式，得到最終的像控點(diǎn)分布圖。使用網(wǎng)絡(luò)CORS對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，測(cè)量過(guò)程中將像控點(diǎn)的點(diǎn)位編號(hào)、坐標(biāo)值和拍攝控制點(diǎn)的遠(yuǎn)景與近景照片進(jìn)行匯總。設(shè)置無(wú)人機(jī)航線并進(jìn)行航拍，使用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將無(wú)人機(jī)航拍正射影像圖和外業(yè)采集的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成數(shù)字線劃圖（DLG）。之后對(duì)野外得到的原始影像進(jìn)行預(yù)處理，制作快拼圖。進(jìn)行空三加密，控制點(diǎn)選擇了整個(gè)區(qū)域的四周控制點(diǎn)以及中心點(diǎn)5個(gè)，導(dǎo)入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。隨即進(jìn)行DEM生產(chǎn)密集匹配，點(diǎn)云處理，一鍵式生產(chǎn)數(shù)字高程模型DEM。然后進(jìn)行DOM生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)正射拼接，正射編輯等操作得到DOM（正射影像圖）。根據(jù)以上DOM和DEM成果利用軟件進(jìn)行數(shù)字線劃圖DLG。在預(yù)處理好原始數(shù)據(jù)之后，主要處理步驟有確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)量空中三角、形成正射影像和重建三維模型。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 變形和水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理

為給變形監(jiān)測(cè)成果提供便利的條件，需把變形值設(shè)置成各種圖表形式。具體就是將變形監(jiān)測(cè)成果繪制成變形監(jiān)測(cè)位移增量表與變形過(guò)程線，來(lái)進(jìn)行分析。這里的變形監(jiān)測(cè)，要處于相對(duì)變形狀態(tài)。在整理觀測(cè)數(shù)據(jù)信息過(guò)程中，初始值，應(yīng)確定為各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的零周期值。并對(duì)每次觀測(cè)值獲取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始值差的計(jì)算，以獲取觀測(cè)點(diǎn)從零周期開(kāi)始積累變形量與觀測(cè)點(diǎn)情況。此外，觀測(cè)點(diǎn)相鄰周期的變形量，可通過(guò)形成位移增量成果表，并繪制出變形過(guò)程線圖。這一線圖，要把時(shí)間作為橫坐標(biāo)，累積變形值為縱坐標(biāo)，以反映出變形的趨勢(shì)、幅度和規(guī)律。此外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理人員還可根據(jù)變形過(guò)程線圖來(lái)判斷變形體的穩(wěn)定性狀態(tài)。

3.2 變形分析

按照實(shí)際監(jiān)測(cè)獲得的變形值，經(jīng)整編得出的圖形與表格，能夠明確反映出變形的規(guī)律、幅度和趨勢(shì)。通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，能夠?qū)ψ冃蔚囊?guī)律進(jìn)行掌握，進(jìn)而確定觀測(cè)點(diǎn)變形的范圍示意圖。對(duì)于異常情況，如坡底違規(guī)臨空開(kāi)采、違規(guī)加載開(kāi)挖等問(wèn)題出現(xiàn)，就可從變形值超出變化范圍進(jìn)行判斷。換句話說(shuō)，就是根據(jù)變化范圍示意圖來(lái)確定變形體是否處于正常狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際分析缺乏理論根據(jù)時(shí)，就可根據(jù)此情況進(jìn)行變形分析。在變形進(jìn)行幾何分析的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)變形體的大小與形狀進(jìn)行描述，以確定變形發(fā)生所處的空間狀態(tài)與時(shí)間特征，進(jìn)而更好的確定監(jiān)測(cè)目標(biāo)的作用狀態(tài)。具體分析數(shù)據(jù)有：參考點(diǎn)的穩(wěn)定性情況、觀測(cè)值的質(zhì)量情況以及變形模型參數(shù)的估計(jì)情況。值得注意的是，變形的幾何分析只能對(duì)變形體的體積與大小變化進(jìn)行描述，無(wú)法對(duì)變形原因做出解釋。要想掌握變形體與變形原因間的關(guān)系，需從物理角度，對(duì)變形體與變形因素之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析確定。這樣一來(lái)，就可對(duì)變形的發(fā)生原因作出解釋，并對(duì)變形的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)。本文采用的是統(tǒng)計(jì)分析法中的回歸分析法來(lái)進(jìn)行物理解釋。因變形原因的物理解釋需要多學(xué)科知識(shí)的匯總，無(wú)法由測(cè)量人員完成。因而，在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如出現(xiàn)異常變形情況，應(yīng)交由巖土工程技術(shù)人員或是工程地質(zhì)技術(shù)人員，協(xié)同分析變形出現(xiàn)與加劇的原因。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于3S集成技術(shù)對(duì)礦區(qū)的采空區(qū)域進(jìn)行地面、地下水以及生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)，分析變形情況并預(yù)判采空區(qū)的變形趨勢(shì)，3S技術(shù)的融合在礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的預(yù)測(cè)和防治中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為相關(guān)部門(mén)提供險(xiǎn)情預(yù)警。