省級自然資源大數(shù)據(jù)統(tǒng)籌下的礦山開發(fā)利用綜合監(jiān)管體系探索

馬驍馳，何恩旺，劉 琦，馬紹忠，朱 劍，江文源，蒙苗苗

（1.自然資源部國土空間大數(shù)據(jù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心廣西分中心，南寧 530028；2.廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心，南寧 530028）

0 引言

廣西壯族自治區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，種類齊全，分布廣泛，40 多種礦產(chǎn)資源儲量排在全國前五位[1]。近年來，礦山向著規(guī)?；_采方向發(fā)展，同時也出現(xiàn)了濫采亂挖、超層越界、嚴重超產(chǎn)、以采代探等問題。2016 年，國土資源部等部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強礦山地質(zhì)環(huán)境恢復和綜合治理的指導意見》提出，到2025 年，建立動態(tài)監(jiān)測體系，充分利用衛(wèi)星遙感等先進技術(shù)，加強監(jiān)測力量，加快監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立系統(tǒng)完善的包括礦山地質(zhì)環(huán)境在內(nèi)的國家、省、市、縣四級地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測體系，全面系統(tǒng)掌握和監(jiān)控各類礦山地質(zhì)環(huán)境問題的現(xiàn)狀和變化情況[2-3]。國內(nèi)外研究表明，基于3S 技術(shù)并融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、三維可視化等技術(shù)建立的綜合監(jiān)測監(jiān)管信息化平臺及監(jiān)管體系，能很好地滿足礦山監(jiān)測監(jiān)管的實際需求[4]。因此，實現(xiàn)礦山開發(fā)利用和治理恢復一體化管理和信息共享，全面提升廣西壯族自治區(qū)礦政綜合管理水平，探索建設(shè)省級自然資源大數(shù)據(jù)統(tǒng)籌下自然資源調(diào)查監(jiān)測技術(shù)和信息化技術(shù)為主要手段的礦山開發(fā)利用綜合監(jiān)管體系勢在必行。

廣西壯族自治區(qū)自然資源系統(tǒng)經(jīng)過多年的信息化建設(shè)，積累了豐富的數(shù)據(jù)資源，形成了統(tǒng)一基準、覆蓋面廣、時間跨度長、縱向疊加、橫向互補的自然資源“一張圖”大數(shù)據(jù)體系，涉及遙感影像、基礎(chǔ)地理信息、自然資源調(diào)查監(jiān)測、國土空間規(guī)劃、自然資源監(jiān)管、礦產(chǎn)資源、地質(zhì)災(zāi)害等各類數(shù)據(jù)。在省級自然資源大數(shù)據(jù)統(tǒng)籌基礎(chǔ)上，廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心基于現(xiàn)有的自然資源三維立體“一張圖”與自然資源礦政審批“一張圖”，匯集各類礦政業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星遙感、地表無人機傾斜攝影三維建模[5]、地下礦山三維建模、現(xiàn)場高清監(jiān)控視頻、GNSS 定位、大數(shù)據(jù)分析等先進技術(shù)和設(shè)備，開展了礦山監(jiān)管數(shù)據(jù)資源體系、礦山開發(fā)利用綜合監(jiān)管體系、礦山空間大數(shù)據(jù)分析體系構(gòu)建探索，形成了自治區(qū)級、市級、縣級和礦山四級互聯(lián)互通的廣西礦山開發(fā)利用綜合監(jiān)管體系，并在自主研發(fā)的礦山開發(fā)利用監(jiān)管平臺中得以實現(xiàn)。

1 礦山監(jiān)管數(shù)據(jù)資源體系

數(shù)據(jù)資源對于整個監(jiān)管體系構(gòu)建具有基礎(chǔ)支撐作用。通過制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準規(guī)范和數(shù)據(jù)資源目錄，形成內(nèi)容全面、標準統(tǒng)一、準確權(quán)威的自治區(qū)礦山監(jiān)管數(shù)據(jù)資源體系及一套完整、長效的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新、應(yīng)用及共享機制，最終實現(xiàn)礦山綜合監(jiān)管。

1.1 數(shù)據(jù)資源體系目錄

本文在省級自然資源大數(shù)據(jù)統(tǒng)籌下，梳理礦山監(jiān)管和礦政業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)的來源、格式、內(nèi)容、時效、應(yīng)用，進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源編碼與分類，形成礦山監(jiān)管數(shù)據(jù)資源體系，如圖1 所示。在自然資源大數(shù)據(jù)體系下，礦山監(jiān)管數(shù)據(jù)分為礦產(chǎn)資源、遙感影像、基礎(chǔ)地理、土地資源、國土監(jiān)管、地質(zhì)環(huán)境等類型數(shù)據(jù)。其中，礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)是礦山監(jiān)管的核心數(shù)據(jù)，包括礦產(chǎn)資源規(guī)劃、采礦權(quán)、探礦權(quán)、礦產(chǎn)資源儲量、礦產(chǎn)地、壓覆礦、財政出資勘查項目、礦業(yè)權(quán)出讓、礦業(yè)權(quán)審批、綠色礦山、礦山修復等數(shù)據(jù)。

圖1 礦山監(jiān)管數(shù)據(jù)資源體系

1.2 礦山全生命周期業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

監(jiān)管體系主要圍繞礦山開發(fā)保護全生命周期的5 個階段進行動態(tài)監(jiān)管，主要包括礦產(chǎn)勘查、礦業(yè)權(quán)出讓、礦業(yè)權(quán)審批登記、礦產(chǎn)資源開發(fā)保護、礦業(yè)權(quán)注銷。各個階段均有不同的監(jiān)管內(nèi)容、數(shù)據(jù)來源和監(jiān)管部門。在礦產(chǎn)勘查階段，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括地勘部門提供的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、財政出資勘查項目等數(shù)據(jù)。在礦業(yè)權(quán)出讓階段，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括礦業(yè)權(quán)和權(quán)益相關(guān)部門提供的礦業(yè)權(quán)出讓相關(guān)數(shù)據(jù)和自然資源資產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)。在礦業(yè)權(quán)審批登記階段，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括審批部門的探礦權(quán)數(shù)據(jù)庫、采礦權(quán)數(shù)據(jù)庫、審批材料和審批意見等。在礦產(chǎn)資源開發(fā)保護階段，礦產(chǎn)資源保護監(jiān)督、地質(zhì)勘查管理、國土空間生態(tài)修復等相關(guān)部門共同完成監(jiān)管職責，主要監(jiān)管數(shù)據(jù)包括儲量評審備案、礦山開發(fā)利用、礦山修復治理等業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。在礦業(yè)權(quán)注銷階段，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為礦政三級聯(lián)審系統(tǒng)獲取的礦業(yè)權(quán)注銷管理數(shù)據(jù)。

1.3 礦山三維模型數(shù)據(jù)庫

礦山開采具有環(huán)境復雜、自上而下的立體開采空間、開采流程煩瑣、礦產(chǎn)資源儲量監(jiān)測難等特點，二維礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)難以準確表達礦山開采信息。三維GIS 手段將復雜的礦山環(huán)境轉(zhuǎn)換為直觀的空間三維場景，可進行礦產(chǎn)資源全生命周期生產(chǎn)流程監(jiān)控和礦山精細化管理。

礦山三維模型構(gòu)建分為露天礦山地面場景建模和地采礦山地上、地下場景建模。為了完整地描述礦山地上、地下特征，需要建立礦山地表、礦權(quán)范圍、礦體、礦體塊段、鉆孔、井巷、采空區(qū)等要素的三維模型[6]，分別通過地面場景傾斜影像采集、攝像頭空間點位采集、精細化模型結(jié)構(gòu)圖等資料收集、礦山地下采掘工程平面圖收集四種方式進行原始數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建地面傾斜攝影模型、精細化手工建模、地下三維模型、礦洞激光點云數(shù)據(jù)等礦山三維模型。由于不同場景對數(shù)據(jù)精度的不同要求，通過構(gòu)建三維模型實現(xiàn)礦區(qū)場景真實模擬，充分呈現(xiàn)各類地理實體分布情況、數(shù)量、空間位置、屬性信息等，支撐礦山開發(fā)全流程的動態(tài)監(jiān)控。

2 礦山開發(fā)利用監(jiān)管體系

2.1 業(yè)務(wù)監(jiān)管流程

根據(jù)探礦權(quán)項目、露天開采礦山、地下開采礦山、地熱礦泉水等液體礦產(chǎn)礦山等重點監(jiān)管內(nèi)容，本文充分梳理礦山開發(fā)利用的生命周期監(jiān)管流程，主要包括礦產(chǎn)勘查、礦業(yè)權(quán)出讓、審批登記、礦產(chǎn)資源開發(fā)保護、礦業(yè)權(quán)注銷5 個監(jiān)管環(huán)節(jié)11 項監(jiān)管內(nèi)容，如圖2 所示。

圖2 礦山開發(fā)利用生命周期監(jiān)管流程

在礦產(chǎn)勘查環(huán)節(jié)，可回溯該礦山在探礦權(quán)階段或出讓前期的勘查工作成果；在礦業(yè)權(quán)出讓環(huán)節(jié)，監(jiān)管該采礦權(quán)出讓是否符合礦產(chǎn)資源規(guī)劃、已批復的礦業(yè)權(quán)出讓計劃與方案；在審批登記環(huán)節(jié)，可回溯該采礦權(quán)在審批時的會審意見和審核復核意見，調(diào)閱審批登記附件材料，對采礦權(quán)審批登記過程進行監(jiān)管；在礦產(chǎn)資源開發(fā)保護環(huán)節(jié)，可通過衛(wèi)星遙感、傾斜攝影建模、激光雷達（light detection and ranging，LiDAR）點云、視頻電子圍欄等技術(shù)采集礦山開采參數(shù)，與前3 個監(jiān)管環(huán)節(jié)的合規(guī)數(shù)據(jù)實時比對分析，實現(xiàn)對礦山開采行為的動態(tài)監(jiān)管，如礦石開采量、開采方式、開采范圍、綠色礦山建設(shè)、礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、礦山修復治理等；最后進行礦業(yè)權(quán)注銷。

2.2 開發(fā)利用監(jiān)管技術(shù)方法

2.2.1 數(shù)據(jù)一體化監(jiān)管

通過礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)體系建設(shè)，本文將涉及礦政管理的各類專題數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯集于一個監(jiān)管平臺，打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用綜合監(jiān)管數(shù)據(jù)一體化管理，形成多部門全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享和聯(lián)查聯(lián)動。以具體項目和項目范圍紅線為索引，各部門履行監(jiān)管職責，同時對其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行查詢及監(jiān)管。

2.2.2 礦山二維紅線越界開采監(jiān)測

定期利用數(shù)字正射影像進行前后時相比對，通過正射影像對地表的二維采礦范圍開采情況進行初判，如圖3 所示。

圖3 礦山開采前后衛(wèi)星影像比對

2.2.3 礦山三維超層超量越界開采監(jiān)測

以審批的采礦權(quán)平面范圍、采深上限和采深下限，構(gòu)建有效的采礦權(quán)批準開采空間三維模型，疊加實際開采的礦山三維模型，實現(xiàn)對露天礦山、地采礦山超層越界開采行為的監(jiān)測。

礦石開采量監(jiān)測通過在礦山三維模型中劃定礦石開采區(qū)域，計算該區(qū)域內(nèi)不同期三維模型高程差，從而計算該區(qū)域的體積變化量，進一步測算這一時期的礦石開采量，如圖4 所示。

圖4 超層超量越界開采監(jiān)測

2.2.4 礦山開采視頻超融合監(jiān)控

礦山視頻監(jiān)控應(yīng)用于礦井、露天采石場等場所，通過監(jiān)控視頻可以直觀、全面地掌控整個礦區(qū)的生產(chǎn)運營情況。遠端監(jiān)控人員可以通過實時監(jiān)控，及時制止操作人員的違規(guī)操作，防止險情發(fā)生。當安全生產(chǎn)事故發(fā)生時，可從服務(wù)器獲取視頻資料，完整再現(xiàn)事故發(fā)生時的場景，快速高效地查明事故原因，如圖5 所示。

圖5 礦山視頻監(jiān)控

通過視頻和傾斜攝影三維數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)更加貼近真實現(xiàn)場情況的監(jiān)控。該技術(shù)今后可進一步實現(xiàn)視頻電子圍欄警告。作業(yè)范圍超過視頻監(jiān)控的電子范圍線時，系統(tǒng)可自動報警。

2.2.5 多部門聯(lián)合監(jiān)管

自然資源部門聯(lián)合生態(tài)環(huán)境、應(yīng)急管理、公安、林業(yè)草原、發(fā)展改革、交通運輸、水利、市場監(jiān)管、海洋、稅務(wù)、電力等部門，對礦產(chǎn)資源開發(fā)保護進行聯(lián)合監(jiān)管。各部門依據(jù)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用、礦山地質(zhì)環(huán)境保護與土地復墾、水土保持、安全生產(chǎn)等方案及環(huán)境影響評價報告、安全設(shè)施設(shè)計、礦業(yè)權(quán)出讓合同等材料，對礦山開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護、土地復墾、水土保持、自然保護地及林地侵占破壞、安全及環(huán)保設(shè)施落實等方面進行聯(lián)合監(jiān)管，如圖6 所示。對于聯(lián)合檢查發(fā)現(xiàn)的礦山違法違規(guī)問題，成員單位根據(jù)部門職責依法依規(guī)責令限期整改。

圖6 聯(lián)合監(jiān)管流程

3 礦山大數(shù)據(jù)分析體系

3.1 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)手段

為開展礦山大數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計分析，通過利用廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心搭建的分布式大數(shù)據(jù)分析平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析工作。平臺依托空間數(shù)據(jù)分布式存儲和并行計算技術(shù)，基于Hadoop 和ArcGIS GeoAnalytics Server 構(gòu)建，適用全區(qū)矢量大數(shù)據(jù)處理。Hadoop 是目前存儲、管理和處理大數(shù)據(jù)的主流開源平臺之一[7]，ArcGIS GeoAnalytics Server（簡稱GA）封裝了Spark 分布式計算框架，是一款用于矢量大數(shù)據(jù)及表格分析處理的服務(wù)器 產(chǎn)品[8]。

3.2 大數(shù)據(jù)分析內(nèi)容

通過大數(shù)據(jù)分析手段對全區(qū)礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)、保護等相關(guān)具體指標進行統(tǒng)計分析，主要包括以下內(nèi)容：

（1）有效礦業(yè)權(quán)數(shù)量統(tǒng)計，分析其同比環(huán)比數(shù)據(jù)，及時掌握全區(qū)礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)活力。

（2）礦山規(guī)模統(tǒng)計，分析全區(qū)各類礦山的數(shù)量、分布和開采礦種，為推進全區(qū)礦山規(guī)?；⒓s化開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（3）礦業(yè)權(quán)出讓統(tǒng)計，分析全區(qū)年度出讓的礦業(yè)權(quán)數(shù)量、涉及礦種、分布、出讓金額等，及時掌握各地各礦種的開采需求。

（4）綠色礦山統(tǒng)計，統(tǒng)計分析各級綠色礦山建設(shè)的數(shù)量、分布和礦種，了解全區(qū)綠色礦山建設(shè)總體情況，踐行綠色發(fā)展理念。

（5）礦業(yè)工業(yè)產(chǎn)值統(tǒng)計，分析全區(qū)礦業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值、礦石總產(chǎn)量、利潤總額、礦山企業(yè)狀況等，掌握全區(qū)礦業(yè)發(fā)展形勢。

（6）主要優(yōu)勢礦產(chǎn)統(tǒng)計，分析各優(yōu)勢礦產(chǎn)礦業(yè)產(chǎn)值、礦石產(chǎn)量，摸清家底和突出優(yōu)勢。

（7）財政出資勘查項目統(tǒng)計，分析近年財政出資勘查項目的數(shù)量、分布、礦種及投資總額，為今后的項目設(shè)置和資金投入提供參考。

4 存在的問題與挑戰(zhàn)

面對全區(qū)大范圍礦山標準化、流程化、精細化管理的要求，礦山信息化監(jiān)管工作今后面臨一些挑戰(zhàn)：

（1）全區(qū)礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)大部分數(shù)字化管理程度較低，部分數(shù)據(jù)、統(tǒng)計和分析成果仍然停留在紙質(zhì)報告階段，建立完善的礦山開發(fā)利用綜合監(jiān)管數(shù)據(jù)庫需要投入大量的人力物力。

（2）三維數(shù)據(jù)建設(shè)程度低，沉淀的自然資源數(shù)據(jù)大多數(shù)是二維成果，礦區(qū)范圍三維場景模型建設(shè)存在較大缺失，三維模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)需要大范圍的三維建模技術(shù)與資金支撐。

（3）實現(xiàn)全區(qū)各級各類礦山精細的對象化管理，掌握礦區(qū)建筑室外室內(nèi)、礦山環(huán)境地上地下全空間領(lǐng)域各要素信息具有難度。

（4）由于礦山環(huán)境復雜，監(jiān)控設(shè)備的大面積安裝與使用存在一定困難。

（5）已有礦山信息資源的準確性、完整性、時效性、系統(tǒng)性存在較大的差距。

（6）尚未建成嚴格、科學、準確的礦產(chǎn)資源儲量監(jiān)測體系，難以對礦山資源儲量變化進行全面準確的評估計算及礦產(chǎn)資源違法開采實時監(jiān)控。

5 結(jié)語

礦山綜合監(jiān)管體系有效解決了傳統(tǒng)礦山監(jiān)管過程的數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、信息孤島嚴重、礦產(chǎn)資源全流程管控體系不完善、數(shù)據(jù)共享和利用程度低等問題[9]，幫助監(jiān)管人員直觀、多角度地快速了解礦山地上地下開采情況，有效地對礦山整個生命流程、儲量變化等進行動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)礦山礦產(chǎn)資源開采的科學化、標準化，保護礦區(qū)及周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，推動廣西礦山動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管及綠色礦山建設(shè)。