基于三維GIS的金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法

董 瑩

（海南有色工程勘察設(shè)計院，海口 570206）

隨著資源需求量的不斷上升，金屬礦產(chǎn)開采技術(shù)加快發(fā)展，同時安全風(fēng)險增加[1]。金屬礦區(qū)開采難度較大，它屬于一種高危行業(yè)，受地質(zhì)環(huán)境等因素的影響，開采過程存在一定的危險性[2]。通常，金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜，存在大量的高陡邊坡與滑塊，受自然因素影響，容易出現(xiàn)滑坡、泥石流、山體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[3]。金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害存在較大的不可控性，巖體容易出現(xiàn)變形與風(fēng)化，一旦發(fā)生災(zāi)害，礦區(qū)整體防治難度較大[4]。

科學(xué)合理的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法至關(guān)重要，通過實時監(jiān)測與分析金屬礦區(qū)地質(zhì)變化狀況，制定相應(yīng)的應(yīng)急管理機制，有效地對地質(zhì)災(zāi)害作出預(yù)警[5]。當(dāng)前，我國傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法在監(jiān)測點布設(shè)方面仍然存在不足，難以根據(jù)金屬礦區(qū)的具體情況布設(shè)合理的監(jiān)測點，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果精度較低，不利于災(zāi)害預(yù)警[6]。三維地理信息系統(tǒng)（GIS）與二維GIS相似，同樣具有最基本的空間數(shù)據(jù)處理能力，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示等。同時，相比二維GIS，三維GIS的空間展示效果更為直觀，它通過三維形式更加直觀地展示礦區(qū)內(nèi)的實際情況與測點位置[7]?；诖?，本文以傳統(tǒng)金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法為基礎(chǔ)，引入三維GIS，提出一種新的監(jiān)測與預(yù)警方法，為金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展及礦產(chǎn)資源安全開采提供保障。

1 方法設(shè)計

1.1 金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

在本文設(shè)計的金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法中，首先對礦區(qū)內(nèi)的實際地質(zhì)環(huán)境情況做出分析，采集并預(yù)處理地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)。金屬礦區(qū)內(nèi)具有一定的時空相關(guān)性，地質(zhì)環(huán)境受到多種因素的影響，具有較強的不確定性。因此，本文采用SAR技術(shù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理技術(shù)，結(jié)合二軌法采集金屬礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集后，利用數(shù)據(jù)差分干涉的處理方法，對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，流程如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)差分干涉處理流程

如圖1所示，首先將采集的地質(zhì)災(zāi)害初始數(shù)據(jù)進行拼接處理，拼接為具有子條帶的單層單元（SLC）數(shù)據(jù)，對SLC數(shù)據(jù)進行配準操作，生成差分干涉數(shù)據(jù)集合，判斷數(shù)據(jù)集合的配準誤差是否小于0.001。若小于0.001，則生成對應(yīng)的形變量數(shù)據(jù)集并輸出結(jié)果；若大于0.001，則重復(fù)上述步驟，直至配準誤差符合標(biāo)準。通過地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取適用于本文設(shè)計的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法的數(shù)據(jù)[8]。

1.2 布設(shè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點

上述金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理結(jié)束后，綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法的可靠性、多層次以及方便實用的設(shè)計原則，確定具體的監(jiān)測技術(shù)，合理布設(shè)金屬礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點[9]。

首先，設(shè)定監(jiān)測基準點，建立礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測坐標(biāo)體系。設(shè)定(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)分別表示監(jiān)測基準點的坐標(biāo)值，(xp,yp,zp)表示地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點p的坐標(biāo)值。災(zāi)害監(jiān)測點與基準點的距離分別用S1、S2、S3表示，對應(yīng)的計算公式分別為

根據(jù)式（1）至式（3），獲取地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點與基準點之間的布設(shè)距離，選取金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要監(jiān)測對象與次要監(jiān)測對象，采用等間距布設(shè)的方式，在金屬礦區(qū)內(nèi)設(shè)置滑動面的剖面監(jiān)測線。然后，結(jié)合礦區(qū)內(nèi)邊坡變化規(guī)律與三維GIS的可視化功能，設(shè)置監(jiān)測點p的首次監(jiān)測坐標(biāo)值為(xp0,yp0,zp0)，(xpi,ypi,zpi)表示第i次監(jiān)測點p的坐標(biāo)值。監(jiān)測點p的位移分量變化計算公式分別為

式中：Δxp、Δyp、Δzp分別表示監(jiān)測點p在x軸方向、y軸方向、z軸方向的位移分量。

監(jiān)測點p的累計位移總量為

式中：ΔS為監(jiān)測點p的累計位移總量。

通過式（7）獲取金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點的累計位移值，根據(jù)監(jiān)測點的位移變化，完成金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)測。

1.3 基于三維GIS建立災(zāi)害預(yù)警模型

金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點布設(shè)完畢后，獲取監(jiān)測點的實時位移變化情況，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三維GIS，建立災(zāi)害預(yù)警模型。在模型中輸入金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害等級，方便工作人員制定合理的解決方案[10]。本文設(shè)計的金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害安全等級劃分標(biāo)準如表1所示。

如表1所示，將上述金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害安全等級輸入預(yù)警模型中，結(jié)合三維GIS的可視化功能，展示地質(zhì)災(zāi)害所處礦區(qū)的邊坡位置，分析各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)變化情況，篩查數(shù)據(jù)異常信息，根據(jù)式（8）計算金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的安全指數(shù)。

表1 地質(zhì)災(zāi)害安全等級劃分標(biāo)準

式中：T表示金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境安全指數(shù)；b表示安全指數(shù)修正系數(shù)；M表示地質(zhì)損傷系數(shù)；μ表示巖體的剪切模量；E表示巖體的損傷事件能量。

通過計算，獲取金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的安全指數(shù)，與地質(zhì)災(zāi)害安全等級中的安全指數(shù)進行對比，判斷礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害安全等級與安全程度，并根據(jù)判斷結(jié)果，作出災(zāi)害預(yù)警提示。

2 試驗分析

2.1 試驗準備

本文提出了基于三維GIS的金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法，為了進一步分析該方法的可行性，有必要進行試驗。本次試驗選取某金屬礦區(qū)作為研究區(qū)，該礦區(qū)范圍內(nèi)均為塊狀與碎塊狀的大理石路面，交通相對便捷。金屬礦區(qū)內(nèi)多為溫暖、潮濕氣候，年平均氣溫為15.2 ℃，平均降水量為1 426.8 mm。一年中，5—9月為雨季，平均濕度為82.4%，礦區(qū)內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，平均風(fēng)速為2.3 m/s。金屬礦區(qū)開采區(qū)域溝谷的切割形式突出，水系呈樹枝狀分布，分水嶺較多，年平均流量為1.3 m3/s。礦區(qū)內(nèi)的出露地層為新寨巖組，根據(jù)巖性組合特征的不同，主要包括6個巖段，各個巖段的巖性組合特征如表2所示。

表2 金屬礦區(qū)巖段巖性組合特征

結(jié)合金屬礦區(qū)各個巖段的巖性組合特征，分析該礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造。該金屬礦區(qū)變形的地質(zhì)體包括新寨巖組與麻狀花崗巖體，地質(zhì)體中的剪切帶具有較強的韌性，對應(yīng)的剝離斷層變形強度較不均勻，南北向斷層的錯距較小。金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境分析結(jié)束后，將本文設(shè)計的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法應(yīng)用到該金屬礦區(qū)中。首先，基于三維GIS確定礦區(qū)的潛在滑動面，結(jié)合滑動面的貫通情況，獲取地質(zhì)環(huán)境中裂隙網(wǎng)格的分布特點，對裂隙網(wǎng)格的隙寬進行換算。獲取換算結(jié)果后，建立基于三維GIS的礦區(qū)監(jiān)測與預(yù)警模型，將隙寬結(jié)果輸入模型中，結(jié)合礦區(qū)內(nèi)巖體發(fā)育的結(jié)構(gòu)和滑動面的相交情況，推測金屬礦區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。利用極限平衡法，分析金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性，結(jié)合土體的穩(wěn)定程度，判斷礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險系數(shù)，完成相應(yīng)的災(zāi)害預(yù)警。

2.2 結(jié)果分析

為了驗證本文提出的監(jiān)測與預(yù)警方法的可行性，同時避免試驗結(jié)果的單一性，本次試驗采用對比分析的形式。將本文提出的監(jiān)測與預(yù)警方法和傳統(tǒng)的基于合成孔徑雷達干涉（InSAR）技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法進行對比，選取5組礦區(qū)內(nèi)的滑動面，利用MATLAB軟件分析金屬礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害變化，分別對比兩種方法的監(jiān)測結(jié)果準確率和災(zāi)害預(yù)警穩(wěn)定性系數(shù)，如表3所示。

表3 兩種方法監(jiān)測與預(yù)警結(jié)果對比

根據(jù)表3的對比結(jié)果可知，在兩種金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方法中，本文方法監(jiān)測結(jié)果準確率均不小于95.62%，且災(zāi)害預(yù)警穩(wěn)定性系數(shù)較高，相比傳統(tǒng)方法，優(yōu)勢更加顯著，說明本文方法能夠更加準確地監(jiān)測與預(yù)警金屬礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害變化。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)金屬礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法監(jiān)測精度偏低，本文以傳統(tǒng)方法為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于三維GIS的監(jiān)測與預(yù)警方法，實現(xiàn)對金屬礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的可視化監(jiān)測。本文方法不僅能夠?qū)崟r反映礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害變化，有效地提升地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測精度，也可以為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供精確數(shù)據(jù)支持，促進我國地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。