基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)設計及應用
2022-06-24 03:22:54白銀
世界有色金屬 2022年3期
礦產資源對于一個國家的發(fā)展與建設有著直接的影響，近年來為了滿足社會經濟建設和發(fā)展，各國加大對礦產資源的開采力度，礦產資源的開采量正在逐漸提升。目前，絕大多數(shù)地質結構簡單且易于開采的礦產資源已經開采完畢，為了滿足國家對于礦產資源的需求，加大了對地質環(huán)境復雜的礦山開采，這一類礦山地質結構比較復雜，很難保證礦山開采安全，在開采過程中經常發(fā)生水工環(huán)地質災害，一旦在施工中發(fā)生水工環(huán)地質災害，不僅會損壞掉部分施工設備，還會造成不同程度的人員傷亡，并且還會對礦山開采工期造成延長
。
因此目前礦山開采中水工環(huán)地質勘查成為了尤為重要的一部分，為了提高礦山開采的安全性以及水工環(huán)地質勘查工作的效率，將網(wǎng)絡技術與地質勘查相結合，開發(fā)設計出地質勘查系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)了解到待開采礦山的水工環(huán)地質環(huán)境。但是目前現(xiàn)有的勘查系統(tǒng)存在較大的勘查誤差，無法為礦山安全開采提供準確依據(jù)，為此提出本次課題研究。
1 基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)硬件設計
此次在原有的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)硬件設備基礎上，除顯示器、硬盤、服務器一些基礎設備外，增加了多光譜相機、無人機設備和水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)搜索器的設計與應用，以多光譜相機作為無線傳感設備完成對水工環(huán)地質數(shù)據(jù)的采集，以無人機作為搭載裝置輔助多光譜相機完成勘查任務，以水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)搜索器實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢，由此構成系統(tǒng)的硬件結構，以下將對該兩個核心硬件設備進行詳細介紹。
1.1 水工環(huán)地質勘查采集器選型
基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)的設計關鍵在于水工環(huán)地質勘查采集器的選型與設計，高效、準確地采集到待開采礦山的水工環(huán)地質數(shù)據(jù)是系統(tǒng)實現(xiàn)勘查功能和任務的前提，針對礦山水工環(huán)地質勘查需求，此次采用多光譜相機作為水工環(huán)地質勘查采集器。
形式主義，說到底，就是為了讓自己輕松，別人忙碌。而要懲治它，我們就得有一種程序，讓民眾有辦法制止它的發(fā)生與蔓延。
居民切坡建房引發(fā)的地質災害管理難度較大，據(jù)統(tǒng)計，從2010年至2017年，全市共發(fā)生8起致人傷亡的突發(fā)性地質災害，造成15人死亡，除降雨與不當處置外，全部與切坡建房有關（詳見表3）。
OHR型號多光譜相機雖然鏡頭數(shù)量和成像器數(shù)量較多，拍攝到的圖像數(shù)據(jù)更加全面，但是其對供電電壓和供電電流要求較大，并不適用于野外勘查環(huán)境，因此此次采用ODR型號多光譜相機作為系統(tǒng)的無線傳感硬件設備。ODR型號多光譜相機相比較其他兩種多光譜相機具有一個熱成像功能，并且拍攝到的圖像分辨率和清晰度較高，即使在光照不是特別充足的環(huán)境中也能夠拍攝到清晰的圖像。此外，其接口容量可以達到256GB，而GYG型號和OHR型號多光譜相機接口容量僅為125GB，對于礦山水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)能夠提供充足的存儲空間
。
濕磨料與干磨料在各自最優(yōu)參數(shù)下,都能達到對線材表面幾乎完全去除的效果,從圖8a中可觀察到，干磨料處理后的線材表面形貌有很明顯的凹坑,粗糙度值大；從圖8b中可以看出，濕磨料處理后的線材表面形貌良好,粗糙度值小。
1.2 采集器搭載裝置設計
在實際中多光譜相機需要高空作業(yè)，拍攝高度較高，因此在系統(tǒng)的硬件結構中還設計了采集器搭載裝置，將多光譜相機安裝在采集器搭載裝置上通過搭載裝置的攜帶采集到礦山水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)。
在對礦山水工環(huán)地質數(shù)據(jù)采集時利用Ethernet接口或者串行接口與系統(tǒng)服務器連接，實現(xiàn)直接配置，通過服務器下達水工環(huán)地質數(shù)據(jù)采集任務，并利用相機內置的操作系統(tǒng)對其分辨率、拍攝頻率以及拍攝范圍進行控制，從而實現(xiàn)對礦山水工環(huán)地質數(shù)據(jù)的采集。
基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)查詢與檢索的功能，基于此設計了水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)檢索器，根據(jù)現(xiàn)實需求選擇了美國HJSNF公司生產的BSDFAFA/SAFASF22型號數(shù)據(jù)檢索器，該檢索器內置SFAF/32AFS5芯片，具有強大的數(shù)據(jù)檢索功能，響應速度比較快。通過SNFJ接口將BSDFAFA/SAFASF22數(shù)據(jù)檢索器與系統(tǒng)電源連接，用戶登錄系統(tǒng)后，在BSDFAFA/SAFASF22數(shù)據(jù)檢索器上輸入關鍵詞，BSDFAFA/SAFASF22數(shù)據(jù)檢索器根據(jù)關鍵詞對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行不斷檢索，根據(jù)關聯(lián)關系將于關鍵詞相關的水工環(huán)地質數(shù)據(jù)進行分析，然后將其發(fā)送到系統(tǒng)顯示界面上。水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)搜索器可以對文字類數(shù)據(jù)、遙感影像類數(shù)據(jù)以及音頻數(shù)據(jù)進行同時檢索，每類數(shù)據(jù)都有相對應的數(shù)據(jù)檢索接口，避免數(shù)據(jù)搜索時三種數(shù)據(jù)相互干擾，從而影響到系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢服務的響應質量。通過以上多光譜相機、無人機設備和水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)搜索器的選型與設計，構建了系統(tǒng)硬件結構，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件設計。
系統(tǒng)在軟件方面分別設計了數(shù)據(jù)采集模塊、處理模塊以及分析模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊中引用了三維GIS技術，利用三維GIS技術采集到礦山水工環(huán)地質三維數(shù)據(jù)。礦山水工環(huán)地質數(shù)據(jù)具有固定的數(shù)據(jù)幀格式，在數(shù)據(jù)采集過程中，依靠三維GIS技術的廣播模式和默認模式對這種固定數(shù)據(jù)幀格式的數(shù)據(jù)進行全面的采集，其采集過程如下。首先在廣播模式下可以對水工環(huán)地質數(shù)據(jù)采集頻率進行自定義設置，通常情況下設定為165Hz。并向系統(tǒng)發(fā)送STYRNFYHLFV-MODE數(shù)據(jù)包，自行匹配到廣播模式下的采集內容，配置范圍在15Hz-155Hz之間。然后自動切換到默認模式，系統(tǒng)在默認模式下接收全部的六個自由度GIS數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)礦山水工環(huán)地質數(shù)據(jù)的采集。
(7)智慧城市預期與智慧城市市民抱怨的假設未得到驗證(H13)。理論上認為智慧城市預期應該與智慧城市市民抱怨呈負相關，但實際數(shù)據(jù)并不支持這一假設。從表4看，智慧城市預期對智慧城市市民抱怨的影響路徑系數(shù)為0.085且P值為0.065大于0.05，與假設不符。
1.3 水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)搜索器
根據(jù)基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)的設計要求，此次采用了大疆無人機作為采集器搭載裝置，大疆無人機具有良好的飛行優(yōu)勢，在高空作業(yè)過程中可以根據(jù)相機拍攝需求隨意轉換飛行角度和方向，并且大疆無人機內置高階非線性多變量強耦合驅動裝置，在飛行過程中如果遇到較強的氣流，或者出現(xiàn)電機故障仍然可以繼續(xù)穩(wěn)定飛行
。此次采用大疆集團出產的FUHF-64型號六旋翼無人機，機身采用進口碳纖維復合材料，體重較輕的同時還能保證自身的剛性和強度，最大搭載重量可以達到10KG，飛行高度最高可以達到3000m，可以滿足ODR多光譜相機拍攝需求。
2 基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)軟件設計
2.1 系統(tǒng)三層體系架構構建
根據(jù)基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)需求，此次將系統(tǒng)的架構設計采用了B/S架構，主要包括數(shù)據(jù)服務層、系統(tǒng)邏輯應用層、系統(tǒng)功能表現(xiàn)層三個部分，由該三個部分組建基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)三層體系架構。其中數(shù)據(jù)服務層主要是用于對系統(tǒng)中水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)采集、處理以及存儲等服務，包含的組件主要為地質數(shù)據(jù)庫，此次選取的數(shù)據(jù)庫為SQL Server數(shù)據(jù)庫，依靠該數(shù)據(jù)庫對基于礦山開采的水工環(huán)基礎地理、環(huán)境、現(xiàn)場勘查以及基礎地質等數(shù)據(jù)，基于礦山開采的水工環(huán)基礎地理數(shù)據(jù)類型主要為比例尺不小于1：10000礦山水工環(huán)地形剖面圖，基于礦山開采的水工環(huán)地質環(huán)境數(shù)據(jù)類型主要為比例尺不小于1：20000比例的遙感圖像，數(shù)據(jù)內容主要包括礦山水工環(huán)淺層地層分布圖、環(huán)境邊界界限圖等，基于礦山開采的水工環(huán)基礎地理數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)在采集時，都遵循GPS最新的面向實體數(shù)據(jù)模型和遙感衛(wèi)星簡單的空間特征類規(guī)范，數(shù)據(jù)均是圖像數(shù)據(jù)，在SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲之前由數(shù)據(jù)服務層數(shù)據(jù)處理功能按照點、線、面三個特征對其進行標注，并且根據(jù)數(shù)據(jù)編碼標準對兩類數(shù)據(jù)進行編碼處理。勘查現(xiàn)場以及基礎地質數(shù)據(jù)主要為鉆孔數(shù)據(jù)以及試驗數(shù)據(jù)，該兩類數(shù)據(jù)遵循空間特征規(guī)范，以及SQL Server數(shù)據(jù)庫規(guī)則，對每一個水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進行存儲，每個鉆孔數(shù)據(jù)都對應著礦山水工環(huán)地質年代、成因以及特征等地質數(shù)據(jù)，下表為數(shù)據(jù)服務層數(shù)據(jù)內容及特征表。
為了讓用戶能夠通過系統(tǒng)全面了解到基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查結果，在上文基礎上又建立了水工環(huán)地質模型三維展示功能模塊，該功能模塊集成了水工環(huán)地質遙感影像數(shù)據(jù)、水工環(huán)地理信息以及勘查資料等三維空間信息，實現(xiàn)水工環(huán)地質二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)以及多數(shù)據(jù)源的融合，將所有數(shù)據(jù)集成在同一個TXXT文件中，在TXXT文件中對水工環(huán)地質數(shù)據(jù)添加
多光譜相機是一種無線傳感設備，礦山水工環(huán)地質勘查過程中光照、氣溫、氣流、濕度以及飛速等因素都能夠對無線傳感器數(shù)據(jù)采集造成影響，而多光譜相機采用的是多鏡頭分光技術，能夠降低以上不良因素的影響，采集的地質數(shù)據(jù)質量較高
。目前常用的多光譜相機主要有GYG型號、ODR型號、OHR型號三種，下表為三種型號多光譜相機特征對比。
2.2 水工環(huán)地質數(shù)據(jù)獲取
在應用中需要根據(jù)實際勘查需求來設定采集器搭載裝置的飛行高度、方向、角度、時間等，并通過Ethernet接口或者串行接口與ODR多光譜相機和系統(tǒng)連接，輔助ODR多光譜相機完成礦山水工環(huán)地質勘查數(shù)據(jù)采集任務。
2.3 水工環(huán)地質數(shù)據(jù)處理及分析
數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊將無效數(shù)據(jù)、重復數(shù)據(jù)進行剔除，同時將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉換為十六位進制數(shù)據(jù)格式，并且將數(shù)據(jù)統(tǒng)一寫入到TXT文本文件中。
數(shù)據(jù)分析模塊自動讀取到處理后的數(shù)據(jù)，利用三維虛擬建模技術建立礦山水工環(huán)地質三維模型，具體建模過程如下：將水工環(huán)地質數(shù)據(jù)傳入到三維虛擬化模型建模軟件中，在該軟件中對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，網(wǎng)格選用4×4形式，將所有數(shù)據(jù)自動標注到模型上，形成一個與實際勘查目標相一致的水工環(huán)地質三維模型
。同時將使用到的數(shù)據(jù)備份到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)自動分析出礦山水工環(huán)地質結構特征，并且繪制出水工環(huán)地質分界曲面，在該曲面和建立的三維模型上都可以查看到相應的地質數(shù)據(jù)，以此完成水工環(huán)地質數(shù)據(jù)分析。
2.4 水工環(huán)地質勘查成果展示與共享
與數(shù)據(jù)服務層連接的是系統(tǒng)邏輯應用層，系統(tǒng)邏輯應用層主要包括系統(tǒng)管理應用、數(shù)據(jù)編輯應用、數(shù)據(jù)存儲應用、數(shù)據(jù)查詢應用、三維空間地質建模應用以及數(shù)據(jù)表格制作應用等，每個應用都對應著系統(tǒng)的一個功能，根據(jù)數(shù)據(jù)服務層提供的數(shù)據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯應用層中各個應用。系統(tǒng)功能表現(xiàn)層與系統(tǒng)邏輯應用層對接，通過與系統(tǒng)邏輯應用層交互，將系統(tǒng)的各個功能進行展現(xiàn)，系統(tǒng)功能表現(xiàn)層的另一端與系統(tǒng)客戶端連接，通過COM接口將系統(tǒng)功能傳遞給客戶端，用戶在客戶端上實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的操作。
3 實驗論證分析
實驗以某礦山水工環(huán)地質環(huán)境為實驗對象，該礦山面積為2674.56m2，水工環(huán)地質環(huán)境復雜，利用此次設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該礦山水工環(huán)地質進行勘查，下表為具體的實驗環(huán)境。
實驗中將多光譜相機數(shù)據(jù)采集頻率設定為2.64Hz，采集深度為2000m，拍攝范圍為3500m；將無人機的飛行高度設定為1000m，飛行角度范圍為15°～75°。在該礦山中設定75測點，對測點水工環(huán)地質數(shù)據(jù)進行采集，采集到的數(shù)據(jù)總量為26.74GB，從中隨機抽取7個測試點數(shù)據(jù)與實際真實數(shù)據(jù)進行對比分析，計算出兩種系統(tǒng)勘查結果的誤差，將其作為實驗結果，下表為兩種系統(tǒng)勘查結果誤差對比。
在經濟快速發(fā)展的新時代，我們要從高校教育，政府支持、企業(yè)培養(yǎng)等方面不斷推進小語種的發(fā)展，加強與相關語言國家的培養(yǎng)交流，這樣更加有利于小語種人才的均衡化。
從表3中數(shù)據(jù)分析可以得出以下結論：此次設計系統(tǒng)在應用中勘查結果與實際情況相符合，勘查誤差較小，最大勘查誤差僅為0.034m；而傳統(tǒng)系統(tǒng)最大誤差為1.364m，遠高于設計系統(tǒng)。因此實驗結果證明了此次設計系統(tǒng)精度較高，能夠有效保證礦山水工環(huán)地質勘查結果的準確性，相比較傳統(tǒng)系統(tǒng)更適用于礦山水工環(huán)地質勘查工作。
Dsent=0.001918dcip(-1)+0.000884dcip(-2)-0.461604dsent(-1)-0.708382dsent(-2)+0.019000(M)
4 結束語
隨著礦山開采難度的不斷提高，對礦山水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)的設計要求也逐漸增加，不僅要具有較快的勘查效率，還要保證系統(tǒng)勘查結果的精度。此次在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎上，在硬件和軟件兩個方面進行了優(yōu)化和改良設計，應用了無人機、多光譜相機等先進技術，有效降低了系統(tǒng)的勘查誤差，能夠為礦山開采提供準確的水工環(huán)地質數(shù)據(jù)。由于此次設計系統(tǒng)尚未經過大量實際操作，在某些方面可能還存在一些缺陷，因此今后將會在基于礦山開采的水工環(huán)地質勘查系統(tǒng)優(yōu)化方面進行研究，促進礦產行業(yè)的不斷發(fā)展。
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