多源測(cè)控技術(shù)在尾礦庫(kù)安全監(jiān)管中的應(yīng)用研究

婁仲凱

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院， 四川 成都 610000；2.重大危險(xiǎn)源測(cè)控四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610000)

1 前言

尾礦庫(kù)是重要的生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)從安全上來(lái)說(shuō)也是重大的危險(xiǎn)源。尾礦庫(kù)一旦發(fā)生潰壩垮塌事故，將給社會(huì)穩(wěn)定、人民生命財(cái)產(chǎn)及環(huán)境安全帶來(lái)重大隱患。國(guó)內(nèi)外對(duì)尾礦庫(kù)的研究都集中在尾礦壩穩(wěn)定性[1-3]、尾礦壩抗震性能[4]、尾礦壩安全保護(hù)措施[5]、尾礦壩安全管理[6]和尾礦壩安全監(jiān)測(cè)等方面，并取得了可喜的成果。但是，尾礦庫(kù)在安全測(cè)控方面仍有諸多問(wèn)題沒(méi)有解決，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在監(jiān)測(cè)參數(shù)不全、擴(kuò)展性和兼容性差以及缺乏故障在線診斷和處置專(zhuān)家系統(tǒng)等問(wèn)題，系統(tǒng)不能夠進(jìn)行故障的智能分析并提供可靠和及時(shí)的事故預(yù)警，不能預(yù)防和控制重大事故的發(fā)生和發(fā)展。從預(yù)防、控制和消除事故，以及事故應(yīng)急處理的角度，尋找新的尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)是勢(shì)在必行的。

本文提出一種將高分遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)、三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，綜合獲取“空天地”多源信息，并將其應(yīng)用于尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)中的方法，對(duì)于提高企業(yè)的安全水平，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)事故從災(zāi)后處置到災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警的轉(zhuǎn)變，具有十分重要的意義。

2 多源測(cè)控技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 高分遙感技術(shù)

高分辨率影像通常指像素的分辨率在5 m內(nèi)的遙感影像。早期的高分辨率傳感器的研制與應(yīng)用主要是在軍事領(lǐng)域，以大比例尺遙感制圖和對(duì)地物的分析和人類(lèi)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)為目的，20世紀(jì)90年代以后才逐漸進(jìn)入商業(yè)和民用領(lǐng)域的范圍，并迅速的發(fā)展起來(lái)。與傳統(tǒng)的低空間分辨率的衛(wèi)星影像相比，高分辨率影像具有以下特點(diǎn)：(1)單幅影像的數(shù)據(jù)量顯著增加；(2)成像光譜波段變窄；(3)地物的幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息更加明顯；(4)從二維信息到三維信息；(5)高空間分辨率。米級(jí)空間分辨率使尾礦庫(kù)相關(guān)要素均可以在遙感圖像上得到反映，可以根據(jù)尾礦庫(kù)各種實(shí)體要素的遙感成像機(jī)理、影像特征提取相關(guān)信息。因此，高分辨率衛(wèi)星遙感影像的出現(xiàn)使得較小空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化、監(jiān)測(cè)人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響成為可能。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)是一種機(jī)上無(wú)人駕駛的航空器，其具有動(dòng)力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無(wú)線電遙控設(shè)備或計(jì)算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行。一直以來(lái)，UAV的關(guān)鍵技術(shù)都掌握在軍事領(lǐng)域，應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、作戰(zhàn)效果、目標(biāo)追蹤與識(shí)別等。自從進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)面對(duì)自然災(zāi)害、環(huán)境保護(hù)、資源勘探和安全監(jiān)管等問(wèn)題，各國(guó)政府已將UAV技術(shù)運(yùn)用到自身領(lǐng)域，應(yīng)對(duì)不斷出現(xiàn)的難題和挑戰(zhàn)。這使得越來(lái)越多的關(guān)鍵技術(shù)從研究開(kāi)發(fā)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，從軍事領(lǐng)域發(fā)展到民用市場(chǎng)。民用UAV負(fù)載高清數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、雷達(dá)發(fā)生器以及激光掃描儀等，如此高分辨率及高精度的影像獲取和處理新技術(shù)，為安全監(jiān)管提供了一種新的方式。而且在另一方面，隨著基于光學(xué)原理的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，UAV的飛行數(shù)據(jù)便不僅僅局限于高清的照片與視頻等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)形式，高精度的地表模型與高度仿真化的建筑模型也能夠通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建。因此，無(wú)人機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)新興的民用技術(shù)手段，鑒于其特有的空對(duì)地高效監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，便捷的區(qū)域性與精細(xì)化的地表三維建模能力，其必將成為解決安全監(jiān)管問(wèn)題的有效技術(shù)手段。

2.3 地面三維激光掃描技術(shù)

地面三維激光掃描技術(shù)誕生于20世紀(jì)末，被認(rèn)為是GPS技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用之后的一次革命性的技術(shù)發(fā)展。三維激光掃描技術(shù)被稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，其能快速獲得原始的測(cè)繪數(shù)據(jù)，高精度完整地重建實(shí)體。該技術(shù)集光學(xué)、機(jī)械、電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體是從傳統(tǒng)測(cè)繪計(jì)量技術(shù)經(jīng)過(guò)精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來(lái)的，是對(duì)多種傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的概括及一體化。它能直接從實(shí)體中快速采集三維數(shù)據(jù)并重建模型，無(wú)需對(duì)實(shí)體表面進(jìn)行任何處理，獲得的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，這使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。利用它進(jìn)行高效率、高質(zhì)量、低成本的空間數(shù)據(jù)采集、處理，可以有效解決數(shù)字化信息采集的難題。而且，地面三維激光掃描技術(shù)使傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)獲取批量數(shù)據(jù)，提高了量測(cè)的精度與速度。由于其能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的面、體測(cè)量與重建，使得該技術(shù)在測(cè)繪監(jiān)測(cè)、建筑設(shè)計(jì)和文物保護(hù)等方面有了很多的探索和應(yīng)用，因此，具備高效、精準(zhǔn)三維監(jiān)測(cè)與建模的三維激光掃描技術(shù)也必將成為安全監(jiān)管領(lǐng)域的有效手段。

3 多源測(cè)控技術(shù)的功能及數(shù)據(jù)處理

將高分遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)/三維激光掃描技術(shù)綜合應(yīng)用于尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)中，開(kāi)創(chuàng)了“太空—低空—地表”多源信息綜合獲取和應(yīng)用的先河。高分遙感技術(shù)解決了大范圍、寬尺度的測(cè)控需求，對(duì)尾礦庫(kù)災(zāi)害疑似點(diǎn)及周邊情況進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)，并用于指導(dǎo)規(guī)劃管理、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援、監(jiān)察執(zhí)法等。無(wú)人機(jī)/三維激光掃描技術(shù)解決了小區(qū)域、精細(xì)化的測(cè)控需求，對(duì)尾礦庫(kù)堆排狀況、災(zāi)害疑似點(diǎn)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，并用于指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計(jì)、日常管理、安全防控和災(zāi)害防治等。“太空- 低空- 地下”多源數(shù)據(jù)和信息的融合，并集成三維立體可視化、數(shù)字化監(jiān)測(cè)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)模擬等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了尾礦庫(kù)全空間、多尺度、矢量化快速綜合測(cè)控，建立了科學(xué)、高效、完整的安全防控技術(shù)體系，具體如圖1所示。

圖1 空天地多源測(cè)控技術(shù)融合

3.1 高分遙感影像的功能及數(shù)據(jù)處理

借助高分辨遙感影像大范圍、時(shí)空連續(xù)性的特點(diǎn)，往往能精確的對(duì)尾礦庫(kù)位置及相關(guān)信息進(jìn)行提取及動(dòng)態(tài)分析。既能夠滿(mǎn)足尾礦庫(kù)大范圍監(jiān)測(cè)的要求，也能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)及其周邊環(huán)境，從而提升尾礦庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)管理的水平及應(yīng)急響應(yīng)能力。

高分系列遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、影像配準(zhǔn)、圖像融合、影像鑲嵌及影像融合等處理流程，數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 高分影像地圖處理流程

3.2 無(wú)人機(jī)、地面三維激光掃描技術(shù)的功能及數(shù)據(jù)處理

通過(guò)無(wú)人機(jī)和三維激光掃描儀，從地表獲取尾礦庫(kù)精確的三維實(shí)景場(chǎng)數(shù)據(jù)，按一定的規(guī)則形成全壽命周期健康檔案。然后通過(guò)建立多次掃描數(shù)據(jù)檔案，對(duì)比每一次的掃描結(jié)果，動(dòng)態(tài)了解堆排情況、干灘水位的變化。以幾何變形為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的診斷，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患，進(jìn)而開(kāi)展專(zhuān)業(yè)化的針對(duì)性分析，提出治理和防范措施。以此開(kāi)展診斷- 分析- 設(shè)計(jì)- 治理(DADT)循環(huán)防控的、全壽命周期的過(guò)程控制。具體而言，DADT循環(huán)管控技術(shù)主要內(nèi)容闡述如下：診斷—diagnose，簡(jiǎn)稱(chēng)D，依據(jù)管控對(duì)象全壽命周期健康檔案的最新數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程等，對(duì)管控對(duì)象進(jìn)行全面、細(xì)致的危險(xiǎn)有害因素“診斷”排查，旨在初步發(fā)現(xiàn)安全隱患問(wèn)題；分析—analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)A，針對(duì)“診斷”結(jié)果，通過(guò)專(zhuān)家會(huì)診，耦合相關(guān)專(zhuān)業(yè)分析技術(shù)，找到安全隱患問(wèn)題出現(xiàn)的原因、可能的影響后果等，旨在精確獲取安全隱患的具體情況；設(shè)計(jì)—design，簡(jiǎn)稱(chēng)D，根據(jù)安全隱患得到的結(jié)論的基礎(chǔ)上，提出可供解決隱患問(wèn)題的思路、方法和措施，為安全隱患提供指導(dǎo)性方案設(shè)計(jì)；治理—treatment，簡(jiǎn)稱(chēng)T，依據(jù)設(shè)計(jì)提出的初步設(shè)計(jì)方案，經(jīng)安全性、經(jīng)濟(jì)型和技術(shù)性比較之后，確定選擇合適的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行細(xì)化，形成治理方案，實(shí)施安全隱患治理。若治理過(guò)程中，出現(xiàn)與設(shè)計(jì)不一樣的結(jié)論，那就需要重新從“診斷”開(kāi)始，繼續(xù)進(jìn)行DADT循環(huán)管控，直到問(wèn)題得到徹底解決。

無(wú)人機(jī)航測(cè)的數(shù)據(jù)處理流程則分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)空三加密和地理信息測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)，具體如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)流程圖

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理包括原始點(diǎn)云的去噪、拼接、融合、著色和漏洞修復(fù)等處理步驟，其處理流程如圖4所示。

圖4 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程圖

4 案例應(yīng)用

為了驗(yàn)證“空天地”多源測(cè)控技術(shù)在尾礦庫(kù)安全監(jiān)管中的有效性和適用性，選取攀西某二等尾礦庫(kù)作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)該尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)行洪能力較小，調(diào)洪庫(kù)容不足，要解決行洪能力不足的問(wèn)題，通過(guò)多源測(cè)控技術(shù)結(jié)合調(diào)洪演算可精確指導(dǎo)企業(yè)解決安全隱患。

4.1 攀西某尾礦庫(kù)基本情況

該尾礦庫(kù)位于四川省攀枝花市米易縣威龍州西側(cè)，尾礦庫(kù)初期壩為透水堆石壩，初期壩壩頂標(biāo)高1 618.0 m，壩長(zhǎng)320 m，最大壩高44 m，上下游坡比為1∶2，下游在標(biāo)高1 574 m、1 590 m和1 605 m設(shè)三條寬2.0 m的馬道。堆積壩采用上游法尾礦砂筑壩工藝，尾礦最終堆積標(biāo)高1 730 m，總壩高156 m，總庫(kù)容2 295萬(wàn)m3，為二等尾礦庫(kù)。

4.2 基于空天地多源測(cè)控技術(shù)的隱患治理

調(diào)洪演算以500年一遇洪水為例，洪水頻率P=0.2%計(jì)算，運(yùn)用高分影像獲得地形參數(shù)，高分影像如圖5所示，參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 尾礦庫(kù)高分影像

表1 流域特征參數(shù)

洪水計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 尾礦庫(kù)洪水計(jì)算成果

根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)，對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行建模，獲取不同標(biāo)高時(shí)尾礦庫(kù)三維實(shí)體模型，具體如圖6和圖7所示，并且在滿(mǎn)足最小干灘長(zhǎng)度和最小澄清距離的前提下，可在三維實(shí)體模型上直接獲取庫(kù)內(nèi)水面面積，進(jìn)而獲得尾礦壩不同標(biāo)高時(shí)的調(diào)洪庫(kù)容，見(jiàn)表3。

表3 調(diào)洪庫(kù)容計(jì)算表

圖6 尾礦庫(kù)點(diǎn)云圖

圖7 尾礦庫(kù)三維建模

調(diào)洪演算過(guò)程中，分別獲得調(diào)洪庫(kù)容曲線和不同頻率洪水與所需調(diào)洪庫(kù)容計(jì)算結(jié)果如圖8所示和表4。

圖8 調(diào)洪庫(kù)容曲線

表4 不同頻率洪水與所需調(diào)洪庫(kù)容計(jì)算結(jié)果

由表3和表4可知，尾礦庫(kù)具備的最大調(diào)洪庫(kù)容為34.7萬(wàn)m3小于所需調(diào)洪庫(kù)容69.6萬(wàn)m3，不滿(mǎn)足500年一遇洪水泄洪要求。

由高分圖9可以得出，在距離主河槽3 m處有一露天坑，若開(kāi)挖導(dǎo)流渠將水流引入露天坑，同時(shí)在露天坑底部布設(shè)足量的水泵，將水抽排至坑外。當(dāng)尾礦庫(kù)內(nèi)水面高度達(dá)到最大高程時(shí)(即干灘距離100 m與安全超高1 m對(duì)應(yīng)的水面取小值)，尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)能力為9.3 m3/s，此時(shí)控制上游進(jìn)入尾礦庫(kù)的來(lái)水流量為9.3 m3/s，多余的來(lái)水則通過(guò)導(dǎo)流措施排入露天坑，讓露天坑來(lái)做臨時(shí)的調(diào)洪庫(kù)容，只要露天坑的庫(kù)容足夠，就能滿(mǎn)足尾礦庫(kù)的行洪能力。這種方案與修建截洪明渠、擴(kuò)充現(xiàn)有涵管、重新開(kāi)挖排洪系統(tǒng)相比顯然是最經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、可靠性高的。

圖9 尾礦庫(kù)周邊環(huán)境高分影像圖

因此，對(duì)露天坑進(jìn)行三維激光掃描，得到精細(xì)化的三維激光模型，具體如圖10所示。根據(jù)三維激光掃描模型得到露天坑體積為117.3萬(wàn)m3，由表2、表3和表4，得到500年一遇洪水一次降雨總量為107.3萬(wàn)m3，所需調(diào)洪庫(kù)容為69.6萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)具備的調(diào)洪庫(kù)容為34.7萬(wàn)m3，欠缺的庫(kù)容34.9萬(wàn)m3則需排至露天坑，由水泵抽出。

圖10 露天坑三維建模

5 結(jié)論

(1)“空天地”多源測(cè)控技術(shù)從高分遙感對(duì)尾礦庫(kù)的大區(qū)域監(jiān)測(cè)，到無(wú)人機(jī)/三維激光掃描對(duì)庫(kù)區(qū)的精確控制，形成了一整套立體可視化及數(shù)字化災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)，為數(shù)字化安全監(jiān)管提供了一種科學(xué)完整的新思路。

(2)通過(guò)對(duì)攀西某二等尾礦庫(kù)的應(yīng)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了行洪系統(tǒng)存在的隱患，運(yùn)用高分遙感影像和三維實(shí)體模型并結(jié)合水文力學(xué)方法進(jìn)行調(diào)洪驗(yàn)算，準(zhǔn)確確定調(diào)洪庫(kù)容，再結(jié)合高分影像和三維激光掃描模型提出一套經(jīng)濟(jì)合理的治理方案，避免了尾礦庫(kù)后期因行洪能力不足引發(fā)的尾礦庫(kù)潰壩事故，驗(yàn)證了“空天地”多源測(cè)控技術(shù)在處理安全隱患上的有效性和準(zhǔn)確性。