礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生：內(nèi)涵、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

李全生 ，劉舉慶 ，李 軍，張成業(yè)，郭俊廷，王興娟，冉文艷

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102209；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083；3.Department of Geomatics Engineering,University of Calgary,Calgary T2N1N4；4.北京低碳清潔能源研究院,北京 102211)

煤炭具有基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料的雙重屬性，長期以來為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)[1]。在能源屬性方面，由于我國的“富煤，貧油，少氣”的獨(dú)特資源稟賦特點(diǎn)，從1949 年至今累計(jì)生產(chǎn)煤量達(dá)960 億t 以上，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%以上，支撐國內(nèi)生產(chǎn)總值年均增長9.5%[2]，近10 a 來煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍然占比60%左右，屬于我國的絕對(duì)主體能源，為國家能源保供發(fā)揮了不可替代的作用[3]。作為重要工業(yè)原料，煤炭經(jīng)過現(xiàn)代化工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤的清潔高效轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)特種油品和高端化工產(chǎn)品，也被廣泛用于冶煉、建筑、紡織、農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域，被譽(yù)為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“工業(yè)糧食”[4-5]。在能源和原料的雙重屬性加持下，煤炭在未來較長時(shí)期內(nèi)仍將扮演著重要角色。

煤炭開采會(huì)不可避免地對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，帶來環(huán)境污染、水土流失、地下水位下降、生態(tài)退化等一系列問題，加劇著經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾[6-8]。黨的十八大以來，國家各級(jí)政府高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，先后發(fā)布了一系列環(huán)保政策，如生態(tài)文明建設(shè)、“30·60”雙碳戰(zhàn)略等，對(duì)煤礦綠色低碳開采提出了高標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。尤其是黨的二十大提出的中國式現(xiàn)代化更需要煤礦開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理協(xié)調(diào)發(fā)展，以促進(jìn)人與自然的和諧共生。在現(xiàn)實(shí)問題和戰(zhàn)略需求的雙重背景下，礦山生態(tài)環(huán)境治理成為保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要舉措之一，是架在“綠水青山”與“金山銀山”之間的重要橋梁。因此，如何科學(xué)有效地開展礦山生態(tài)環(huán)境治理變得尤為重要，受到工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及各級(jí)政府的廣泛關(guān)注，也成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[10-12]。

煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境是承載著煤炭開采活動(dòng)的一種特定的生態(tài)環(huán)境場景，往往呈現(xiàn)生態(tài)本底弱、擾動(dòng)強(qiáng)度大、破壞時(shí)間長、擾動(dòng)具有立體性等特點(diǎn)[13]?，F(xiàn)有常規(guī)技術(shù)難以支撐礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的高效精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與治理，迫切需要借助大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、無線通信等新一代信息技術(shù)促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境信息采集、管理、計(jì)算分析、可視化等全鏈條環(huán)節(jié)進(jìn)步[14-16]。特別地，各類新一代信息技術(shù)的發(fā)展促生了數(shù)字孿生技術(shù)，為礦山生態(tài)環(huán)境治理提供新的研究視角。具體來講，數(shù)字孿生技術(shù)具有數(shù)據(jù)共享性、過程演繹性、虛實(shí)互動(dòng)性、決策自主性等典型特征，可以將真實(shí)礦山生態(tài)環(huán)境全要素融合表達(dá)，對(duì)生態(tài)演變過程動(dòng)態(tài)模擬，構(gòu)建一個(gè)虛擬的礦山生態(tài)環(huán)境，支撐礦山生態(tài)全過程治理的感知、表達(dá)、監(jiān)測(cè)、模擬、仿真、預(yù)測(cè)與控制，以提高我國在礦山生態(tài)環(huán)境治理方面的信息化與現(xiàn)代化水平。

在此背景下，筆者旨在深入剖析當(dāng)前礦山生態(tài)環(huán)境治理的信息化建設(shè)進(jìn)展及存在的不足之處，提出礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生技術(shù)，明確其內(nèi)涵及特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上面對(duì)新時(shí)期生態(tài)治理要求設(shè)計(jì)礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的總體架構(gòu)和功能，并進(jìn)一步介紹構(gòu)建礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，為推進(jìn)礦山生態(tài)環(huán)境治理信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全過程數(shù)字孿生提供理論和技術(shù)支撐。

1 礦山生態(tài)環(huán)境治理信息化現(xiàn)狀

21 世紀(jì)初，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的突破性進(jìn)展，我國環(huán)境信息技術(shù)得到快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理信息化建設(shè)拉開序幕。隨后，生態(tài)環(huán)境信息化建設(shè)在“十二五”、“十三五”10 a 間得到迅猛發(fā)展，尤其是2017 年我國把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會(huì)主義事業(yè)“五位一體”總布局的戰(zhàn)略決策。與此同時(shí)，在礦山信息化建設(shè)方面，我國數(shù)字礦山在理論研究、技術(shù)攻關(guān)、平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用實(shí)踐上同步推進(jìn)，其中吳立新[17]、盧新明[18]等先后對(duì)數(shù)字礦山的概念、內(nèi)涵、特征、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了探討與完善；在此基礎(chǔ)上，部分學(xué)者基于空間信息技術(shù)、三維地質(zhì)建模、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等初步設(shè)計(jì)了數(shù)字礦山基礎(chǔ)平臺(tái)及系統(tǒng)軟件[19-20]，各大礦山企業(yè)如神華集團(tuán)、紫金礦業(yè)等也紛紛提出數(shù)字礦山建設(shè)方案并進(jìn)行示范應(yīng)用[21-22]。

在生態(tài)環(huán)境信息化與數(shù)字礦山建設(shè)并行背景下，礦山生態(tài)環(huán)境作為我國重要的一類生態(tài)環(huán)境，也作為數(shù)字礦山建設(shè)的重要一環(huán)，在信息化建設(shè)方面也取得較大進(jìn)步。主要有3 方面：

(1)礦山生態(tài)環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)手段的信息化現(xiàn)狀。作為治理工作的基礎(chǔ)前提，礦山企業(yè)和學(xué)者們采用了各式各樣的調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)要素監(jiān)測(cè)與參數(shù)采集，包括：地面生態(tài)監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)、三維激光雷達(dá)、地球物理勘探、航空/航天遙感平臺(tái)等。例如，有些學(xué)者設(shè)計(jì)各類監(jiān)測(cè)傳感器如土壤溫度傳感器、粉塵濃度傳感器、地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等對(duì)礦區(qū)地表溫度、粉塵濃度、水質(zhì)參數(shù)等生態(tài)要素動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[23-24]；針對(duì)煤礦開采引起的地表沉陷問題，一些學(xué)者利用水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)、三維激光雷達(dá)等技術(shù)對(duì)采煤礦區(qū)巖層、地表的移動(dòng)與變形全過程監(jiān)測(cè)，以預(yù)防生態(tài)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[25-28]；還有學(xué)者針對(duì)地下生態(tài)要素如煤層、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等，通過三維地震勘探技術(shù)、高精度探地雷達(dá)、水位傳感網(wǎng)等手段對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取地下煤層構(gòu)造、地下裂縫以及地下水位等信息[23,29-30]；多源遙感技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到礦區(qū)生態(tài)大范圍、多要素協(xié)同監(jiān)測(cè)中[31-33]，如部分學(xué)者將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到礦區(qū)地表沉陷信息提取[34]、地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)[35]、土地復(fù)墾效果監(jiān)測(cè)[36]等多個(gè)方面；李軍等[13]提出基于定量遙感技術(shù)的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)框架，對(duì)礦區(qū)植被、土壤、水體、大氣等多類生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

(2)礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)管理與分析的信息化現(xiàn)狀?；诟黝惐O(jiān)測(cè)手段獲取的礦山生態(tài)環(huán)境信息均以數(shù)字化形式存在，為了更好地管理好這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并從中提取有價(jià)值的信息，政府、企業(yè)和學(xué)者們開展了大量的探索工作。一方面，利用GIS 和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，如曹志國等[37]基于Web-GIS 構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和展示；KIM 等[38]重點(diǎn)針對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理環(huán)節(jié)開發(fā)了GIS 拓展模塊，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地形、地質(zhì)構(gòu)造、采礦專題數(shù)據(jù)(如礦井、鉆孔等)等信息的組織管理，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。另一方面，研究時(shí)空分析方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等理論方法對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以獲取礦區(qū)生態(tài)演變的過程和規(guī)律，例如一些學(xué)者針對(duì)礦區(qū)生態(tài)特定場景，提出了各種礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[39-41]，另有學(xué)者利用回歸分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析建模[42-45]。此外，云計(jì)算技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到礦山生態(tài)環(huán)境分析中，如肖武等[46-47]利用Google Earth Engine 對(duì)淮南采煤沉陷區(qū)積水變化和蒙東礦區(qū)的土地復(fù)墾過程進(jìn)行了分析。

(3)礦山生態(tài)環(huán)境治理的信息化現(xiàn)狀。為了使礦山生態(tài)環(huán)境的治理過程更自動(dòng)化、更有效，學(xué)者們也嘗試將信息化技術(shù)應(yīng)用于治理過程中。首先，一些學(xué)者將各類礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)聚合成圖，為生態(tài)治理規(guī)劃提供基礎(chǔ)底圖如土地復(fù)墾專題圖、煤矸石山地形圖等[48-49]；還有學(xué)者通過各類生態(tài)指數(shù)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能、治理現(xiàn)狀、修復(fù)效果等進(jìn)行綜合定量評(píng)價(jià)[50-51]，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供客觀現(xiàn)實(shí)依據(jù)；針對(duì)部分治理環(huán)節(jié)，一些學(xué)者通過數(shù)學(xué)模型、規(guī)則推理等方法對(duì)治理過程進(jìn)行建模，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理如土地復(fù)墾面積計(jì)算、礦區(qū)用地適宜性評(píng)估等環(huán)節(jié)提供支持[52-53]，少量學(xué)者嘗試將這些功能集成并開發(fā)了面向礦山生態(tài)環(huán)境治理的信息系統(tǒng)，如張繼棟等[54]和陳英義等[55]設(shè)計(jì)開發(fā)了面向礦區(qū)土地復(fù)墾、植被恢復(fù)的信息化系統(tǒng)，為礦區(qū)土地修復(fù)中植被恢復(fù)潛力分析、適生植物品種選擇、土地復(fù)墾方案確定等提供參考依據(jù)。

雖然礦山生態(tài)環(huán)境治理的信息化建設(shè)方面已取得許多成果，但面對(duì)新時(shí)期礦山生態(tài)治理對(duì)質(zhì)量、效率和效益的高標(biāo)準(zhǔn)要求，仍然存在以下問題需要進(jìn)一步解決：①現(xiàn)有礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)手段主要側(cè)重專題性監(jiān)測(cè)，例如采煤塌陷區(qū)土地?fù)p毀、地下水水位、固體廢棄物堆放、排土場修復(fù)效果等，因此現(xiàn)有研究往往針對(duì)單一的生態(tài)環(huán)境要素，缺乏多監(jiān)測(cè)平臺(tái)協(xié)同、多生態(tài)要素協(xié)同的綜合性立體化監(jiān)測(cè)體系，不足以感知礦山生態(tài)環(huán)境的全局、高動(dòng)態(tài)變化；②當(dāng)前用于礦山生態(tài)環(huán)境演變過程的分析方法主要是線性回歸、因子關(guān)聯(lián)等簡單統(tǒng)計(jì)方法，難以建模表達(dá)復(fù)雜的礦區(qū)生態(tài)演變過程和機(jī)制并揭示主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子，也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)未來一段時(shí)間生態(tài)變化的推演預(yù)測(cè)；③礦山生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)主要依賴人的主觀經(jīng)驗(yàn)，例如排土場坡度設(shè)置為多少能確保水土保持功能和占地成本間達(dá)到綜合最優(yōu)，當(dāng)前信息化手段僅停留在初級(jí)結(jié)果分析上，治理過程缺乏精準(zhǔn)的科學(xué)決策技術(shù)支持；④ 當(dāng)前礦山生態(tài)環(huán)境相關(guān)軟件大都為地形地貌測(cè)量、平面方案設(shè)計(jì)等專題性軟件，缺乏面向礦山生態(tài)環(huán)境治理的綜合信息管理與決策支持平臺(tái)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山開采前、中、后全周期的變化監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、決策支持、可視化仿真的智能分析與決策。

2 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的內(nèi)涵及特點(diǎn)

2.1 數(shù)字孿生的概念

自美國密歇根大學(xué)Michael Grieves 教授2003 年提出數(shù)字孿生概念后，數(shù)字孿生技術(shù)先后被美國防部、NASA、西門子公司等所重視，連續(xù)3 a 被國際權(quán)威IT 研究顧問咨詢公司 Gartner 列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一，并被納入德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃中。數(shù)字孿生(Digital Twin)又稱為數(shù)字鏡像或數(shù)字雙胞胎，是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[56-57]。由于數(shù)字孿生具有數(shù)據(jù)共享性、過程演繹性、虛實(shí)互動(dòng)性、決策自主性等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)制造、航天航空、城市管理、數(shù)字醫(yī)療、娛樂游戲等社會(huì)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近幾年來，在礦山智能化發(fā)展大趨勢(shì)下，數(shù)字孿生技術(shù)也開始應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域，如挪威Oseberg-H 油礦試點(diǎn)平臺(tái)利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)運(yùn)作，其開發(fā)運(yùn)營成本較原計(jì)劃降低約20%[58]；葛世榮等[59]研究了數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)(Digital Twin Smart Mining Workface，DTSMW)，提升智采工作面的自主感知和優(yōu)化調(diào)控能力，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DTSMW 系統(tǒng)較現(xiàn)有遠(yuǎn)程集控中心的智能性提高了一個(gè)層級(jí)；王國法等[60]在數(shù)字孿生基礎(chǔ)上提出了掘錨一體掘進(jìn)工作面標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化高效設(shè)備配套方式，并在張家峁煤礦智能化建設(shè)實(shí)踐中提高掘進(jìn)效率50%。

2.2 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的概念與內(nèi)涵

從數(shù)字孿生的概念、特性及應(yīng)用可以總結(jié)出數(shù)字孿生技術(shù)適用于高價(jià)值、復(fù)雜過程、特殊環(huán)境、高社會(huì)效益等應(yīng)用場景[59,61]，而礦山生態(tài)環(huán)境治理場景天然具有這些特點(diǎn)。因此，為了更好地全面監(jiān)測(cè)、模擬與分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化與治理過程，迫切需要將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到礦山生態(tài)環(huán)境治理，實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)?；诖?，筆者將數(shù)字孿生與礦山生態(tài)環(huán)境治理相結(jié)合，提出礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生(Digital Twin of Mine Ecological Environment,DTME)這一概念，并將其定義為：利用天空地多源監(jiān)測(cè)手段感知礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素變化，借助人工智能構(gòu)建生態(tài)環(huán)境演變的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)模型，在虛擬空間建立與現(xiàn)實(shí)礦山生態(tài)環(huán)境要素一一對(duì)應(yīng)、演變過程相互映射、作用機(jī)制相互匹配的孿生系統(tǒng)，進(jìn)而通過方案優(yōu)化或反饋控制支持礦山生態(tài)環(huán)境全過程科學(xué)治理。

礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的內(nèi)涵是依托天-空-地平臺(tái)協(xié)同的多源監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用長時(shí)序生態(tài)參數(shù)定量反演技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)實(shí)(物理)礦山生態(tài)環(huán)境場景中的生態(tài)要素(植被、土壤、水體、大氣等)、人類活動(dòng)(采礦活動(dòng)、城鎮(zhèn)開發(fā)、農(nóng)牧活動(dòng)等)和自然條件(氣候氣象、地形地貌、地質(zhì)狀況等)，采集它們的空間位置、狀態(tài)屬性和時(shí)間變化并進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，形成孿生數(shù)據(jù)；然后，對(duì)各生態(tài)要素間的相互關(guān)聯(lián)作用及人類活動(dòng)、自然條件對(duì)生態(tài)要素的影響過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境的數(shù)字化仿真模擬，形成虛擬礦山生態(tài)環(huán)境；最終，通過將專業(yè)模型融入虛擬礦山生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、方案優(yōu)化、推演預(yù)測(cè)、反饋控制等，來指導(dǎo)實(shí)際礦山生產(chǎn)計(jì)劃與礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理措施等。

2.3 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的特點(diǎn)

常規(guī)的數(shù)字礦山信息系統(tǒng)往往也包含生態(tài)環(huán)境信息，但它們只是存儲(chǔ)了非常基礎(chǔ)的礦山生態(tài)環(huán)境本底信息，且時(shí)空分辨率低、要素單一、更新緩慢，更多側(cè)重信息管理。與之不同的是，礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生是專門服務(wù)生態(tài)環(huán)境治理，具有對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的感知、表達(dá)、仿真與控制全鏈條高級(jí)別功能，具有以下特點(diǎn)：

(1)要素豐富且表達(dá)精細(xì)。通過“天-空-地”多平臺(tái)協(xié)同的立體感知網(wǎng)絡(luò)及時(shí)獲取物理礦山“植-土-水-氣”生態(tài)要素的空間位置、參數(shù)狀態(tài)、變化過程等關(guān)鍵信息，對(duì)于每一種生態(tài)要素開展不同物理或生態(tài)指標(biāo)(如植被的覆蓋度、葉綠素含量、葉片水分等)的多尺度(千米/米/分米/厘米)、長時(shí)序(數(shù)十年)、高頻次(秒/天/周)的信息采集或定量反演，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境豐富要素的精細(xì)表達(dá)。

(2)生態(tài)演變仿真模擬。通過對(duì)物理礦山生態(tài)要素與人類活動(dòng)、自然條件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、影響過程進(jìn)行定量建模，在虛擬世界中以結(jié)構(gòu)化形式表達(dá)要素間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任一個(gè)或若干個(gè)要素變化后仿真模擬礦山生態(tài)演變過程，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供可持續(xù)、科學(xué)精準(zhǔn)的決策支持。

(3)虛實(shí)融合交互。物理礦山生態(tài)環(huán)境為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供了真實(shí)的生態(tài)要素信息及演變過程及規(guī)律，數(shù)字孿生系統(tǒng)則對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境進(jìn)行全生命周期感知、表達(dá)、模擬、預(yù)測(cè)與控制，兩者相輔相成，實(shí)現(xiàn)“以實(shí)補(bǔ)虛，以虛控實(shí)”。

(4)自我學(xué)習(xí)與動(dòng)態(tài)優(yōu)化。礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)感知與模擬，還能以下一時(shí)期的真實(shí)數(shù)據(jù)為參考，通過機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)對(duì)已構(gòu)建的訓(xùn)練模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾正，實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)與動(dòng)態(tài)進(jìn)化。

3 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的架構(gòu)與功能

3.1 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的總體架構(gòu)

礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)包含物理礦山生態(tài)環(huán)境(物理實(shí)體)、監(jiān)測(cè)終端、孿生數(shù)據(jù)、信息鏈路、云邊端服務(wù)、虛擬礦山生態(tài)環(huán)境(虛擬實(shí)體)和控制終端7 個(gè)部分，各部分的相互關(guān)系如圖1 所示。首先利用“天-空-地”多平臺(tái)協(xié)同的監(jiān)測(cè)終端對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與模擬數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果、其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)等融合形成物理礦山的孿生數(shù)據(jù)，然后基于云邊端服務(wù)的存儲(chǔ)、計(jì)算及通信資源，并通過信息鏈路向虛擬礦山生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支撐；另一方面，以云邊端服務(wù)的智能算法和領(lǐng)域知識(shí)為引導(dǎo)，創(chuàng)建物理礦山生態(tài)環(huán)境的數(shù)字鏡像-虛擬礦山生態(tài)環(huán)境；最后，云邊端服務(wù)結(jié)合虛擬礦山生態(tài)環(huán)境的狀態(tài)通過控制終端調(diào)整和優(yōu)化物理礦山生態(tài)環(huán)境。

(1)物理礦山生態(tài)環(huán)境。物理礦山生態(tài)環(huán)境是數(shù)字孿生的現(xiàn)實(shí)基石，由自然條件、生態(tài)要素、人類活動(dòng)三大類因子構(gòu)成且客觀存在的現(xiàn)實(shí)復(fù)雜生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，是礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的研究對(duì)象?？紤]到采礦活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響輻射范圍，礦區(qū)范圍通常在平面方向上覆蓋到露天采場或井工開采工作面邊界外數(shù)公里范圍，在豎直方向上涵蓋地下-地表-地上三維立體空間。自然條件是指礦區(qū)的氣候氣象和地形地貌條件，包括氣溫、降水、日照、風(fēng)速、海拔、坡度、坡向等；人類活動(dòng)指礦區(qū)內(nèi)存在的各類型采礦活動(dòng)和非采礦活動(dòng)，包括礦產(chǎn)采掘、加工和運(yùn)輸、城鎮(zhèn)開發(fā)、農(nóng)牧活動(dòng)等；生態(tài)要素指礦區(qū)內(nèi)形成生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能的主要要素，包括植被、土壤、水體和大氣。

(2)監(jiān)測(cè)終端。監(jiān)測(cè)終端是由多種監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵組成成分進(jìn)行信息采集的設(shè)備，包含航天監(jiān)測(cè)終端(遙感衛(wèi)星、全球?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星、通信衛(wèi)星)、航空監(jiān)測(cè)終端(無人機(jī)、載人飛機(jī))、地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(氣象觀測(cè)站、生態(tài)監(jiān)測(cè)塔、視頻監(jiān)控、探地雷達(dá)、走航監(jiān)測(cè)機(jī)器人、地表形變GNSS 監(jiān)測(cè)站)、地下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(井巷瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、地下水水?水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。使用各類設(shè)備對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境各要素的位置、屬性、狀態(tài)、行為、變化等全方位監(jiān)測(cè)。

(3)孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的數(shù)字底座，包括物理實(shí)體數(shù)據(jù)、虛擬體數(shù)據(jù)及領(lǐng)域知識(shí)3 類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式涉及柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測(cè)流數(shù)據(jù)等。物理實(shí)體數(shù)據(jù)是由監(jiān)測(cè)終端獲取的物理礦山生態(tài)環(huán)境的各類信息，例如礦權(quán)邊界矢量數(shù)據(jù)、礦區(qū)光學(xué)衛(wèi)星遙感影像、礦區(qū)地形三維點(diǎn)云、無人機(jī)高光譜影像、地面點(diǎn)GNSS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)物探數(shù)據(jù)、煤炭月開采量數(shù)據(jù)、氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)及礦區(qū)周邊城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。虛擬體數(shù)據(jù)為使用各類分析模型由物理實(shí)體數(shù)據(jù)中計(jì)算出的信息，例如礦區(qū)地表土壤含水量分布、植被葉綠素、空氣粉塵質(zhì)量濃度、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布等。領(lǐng)域知識(shí)則是礦山生態(tài)環(huán)境治理相關(guān)的專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、修復(fù)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、固碳能力計(jì)算規(guī)程等，主要用于對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生過程的引導(dǎo)。

(4)信息鏈路。信息鏈路是指礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)、信息和資源的交互通道，是整個(gè)系統(tǒng)各部分的連接神經(jīng)。信息鏈路的實(shí)施采用有線通信網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP 協(xié)議)和無線信號(hào)傳輸(如4/5G、WiFi6、ZigBee 等無線通信協(xié)議)2 種方式。一方面支撐礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的信息流通和深度交互，另一方面也支撐著礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)與礦山其他業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)(如智能采掘系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng))之間的通信連接。

(5)云邊端服務(wù)。云邊端服務(wù)是具有分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高性能計(jì)算能力的礦山生態(tài)云原生環(huán)境，主要提供高性能存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和專業(yè)分析模型算法，同時(shí)采用“云-邊-端”協(xié)同一體化解決方案，保證礦山生態(tài)環(huán)境治理從生態(tài)要素監(jiān)測(cè)到過程虛擬孿生的運(yùn)轉(zhuǎn)。云計(jì)算是將礦山生態(tài)環(huán)境相關(guān)計(jì)算任務(wù)拆分成若干子任務(wù)，利用公有云或私有云的分布式計(jì)算資源，完成計(jì)算過程并反饋給用戶。邊緣計(jì)算在物理礦山生態(tài)環(huán)境一側(cè)建立計(jì)算能力，可以為礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)提供資源保障。終端計(jì)算主要面向監(jiān)測(cè)終端，可以實(shí)現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行分析操作，如視頻攝像頭的火災(zāi)即時(shí)預(yù)警。

(6)虛擬礦山生態(tài)環(huán)境。虛擬礦山生態(tài)環(huán)境是對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境的數(shù)字化模擬與仿真，是物理實(shí)體中各生態(tài)環(huán)境要素的狀態(tài)、演變過程和關(guān)聯(lián)關(guān)系在虛擬空間下的映射和孿生?？梢栽谟?jì)算機(jī)屏幕上向用戶展示虛擬礦山生態(tài)環(huán)境，還可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)呈現(xiàn)虛擬礦山生態(tài)環(huán)境場景，增強(qiáng)虛擬生態(tài)環(huán)境的沉浸感和真實(shí)感，并提供人機(jī)交互的接口。對(duì)于企業(yè)用戶，用戶可在虛擬礦山生態(tài)環(huán)境中查看指定位置、指定時(shí)間、特定要素的狀態(tài)及變化，也能查詢生態(tài)擾動(dòng)范圍、土地復(fù)墾過程等；對(duì)于政府或公眾用戶，它可以展示礦山生態(tài)環(huán)境的健康狀況和治理效果。

(7)控制終端?？刂平K端是針對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)治理或管理而布設(shè)的自動(dòng)控制設(shè)備，是虛擬礦山生態(tài)環(huán)境對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境實(shí)施控制和反饋的執(zhí)行者，例如種樹機(jī)器人、水肥自動(dòng)配比設(shè)備、智能灌溉系統(tǒng)等。數(shù)字孿生系統(tǒng)在智能篩選出適宜種植的植物類型后，自動(dòng)控制種樹機(jī)器人對(duì)修復(fù)區(qū)域?qū)嵤┓N植。又如，數(shù)字孿生系統(tǒng)診斷出礦區(qū)地表土壤缺少的水分、營養(yǎng)物質(zhì)及比例后，傳輸指令給設(shè)備實(shí)施水肥自動(dòng)配比，并控制安裝在地面的智能灌溉系統(tǒng)對(duì)指定地點(diǎn)按時(shí)澆灌。

3.2 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的功能

礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生依托多平臺(tái)協(xié)同監(jiān)測(cè)終端對(duì)礦山開采前、中、后的生態(tài)環(huán)境多要素進(jìn)行多尺度監(jiān)測(cè)，并借助參數(shù)反演、時(shí)空數(shù)據(jù)管理、人工智能分析模型等實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字化表達(dá)和映射、存儲(chǔ)、查詢、計(jì)算和分析，提供礦山生態(tài)環(huán)境治理全過程、多維度決策服務(wù)，具體包括礦山生態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與體檢、礦山生態(tài)演變模擬與影響因子解析、礦山生態(tài)變化過程預(yù)測(cè)、礦山生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、智能分級(jí)分區(qū)生態(tài)修復(fù)、礦山生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)和礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)管7項(xiàng)功能(圖2)。

圖2 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的功能Fig.2 Function of the digital twin of mine ecological environment

(1)礦山生態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與體檢。礦山生態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與體檢是基于 “地下-地表-地上”立體空間生態(tài)要素參數(shù)所構(gòu)建的礦山生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，對(duì)礦山進(jìn)行長時(shí)序、高頻次的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，定期獲取不同時(shí)期礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及變化。此功能猶如醫(yī)生對(duì)人體的體檢一樣，利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)礦山生態(tài)進(jìn)行全方位的“掃描”與“檢查”，評(píng)估礦山生態(tài)健康狀況并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，包括良好、中等、較差和極差多個(gè)等級(jí)。礦山生態(tài)質(zhì)量可為診斷生態(tài)退化問題提供決策參考，為礦山生態(tài)環(huán)境制定治理方案提供數(shù)據(jù)支撐，做到早發(fā)現(xiàn)，早干預(yù)，早治理。

(2)礦山生態(tài)演變模擬與影響因子解析。礦山生態(tài)演變模擬與影響因子解析是基于孿生數(shù)據(jù)對(duì)物理實(shí)體的歷史狀態(tài)和特征演化進(jìn)行仿真，能夠重現(xiàn)礦山開采“前-中-后”生態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的歷史演變過程，發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境突變節(jié)點(diǎn)和變化規(guī)律，如礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破環(huán)臨界時(shí)間點(diǎn)等。同時(shí)，具備解析礦山生態(tài)關(guān)鍵參數(shù)(植被長勢(shì)、土壤含水量、大氣顆粒物質(zhì)量濃度等)變化的驅(qū)動(dòng)因子及影響程度的功能。具體來說，通過建模分離并量化采礦活動(dòng)、其他人類活動(dòng)和自然條件因子對(duì)關(guān)鍵生態(tài)參數(shù)的影響程度，劃清采礦活動(dòng)與其它因子對(duì)生態(tài)環(huán)境退化的責(zé)任，確定采礦活動(dòng)影響的空間范圍，為生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)治理提供決策支持。

(3)礦山生態(tài)變化過程預(yù)測(cè)。礦山生態(tài)變化過程預(yù)測(cè)指能夠預(yù)測(cè)礦山生態(tài)環(huán)境在不同開采方案(如高強(qiáng)度、中強(qiáng)度、低強(qiáng)度開采)和修復(fù)方案下未來5～20 a間的生態(tài)演變過程。在不同的開采方案或不同修復(fù)方案下，推演預(yù)測(cè)未來的礦區(qū)土地利用類型、生態(tài)損毀面積、植被長勢(shì)、土壤養(yǎng)分分布等狀態(tài)。此外，礦山生態(tài)變化過程預(yù)測(cè)可以向管理人員提供礦山生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的位置、修復(fù)持續(xù)時(shí)間、生態(tài)退化的劇烈程度等，進(jìn)一步分析礦山開采引起的生態(tài)環(huán)境演變情況，為礦山開采與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展下的生態(tài)修復(fù)方案優(yōu)化升級(jí)提供依據(jù)。

(4)礦山生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。礦山生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境正在發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行評(píng)估，從而進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，這是礦山生態(tài)環(huán)境健康的智能警報(bào)器。通過設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定的閾值，可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)警，以“無警情”、“四級(jí)預(yù)警”、“三級(jí)預(yù)警”、“二級(jí)預(yù)警”和“一級(jí)預(yù)警”5 種預(yù)警狀態(tài)對(duì)礦山管理者進(jìn)行示警。例如，出現(xiàn)異常情況時(shí)，能及時(shí)通過數(shù)字孿生系統(tǒng)中的信息鏈路以短信、電話、平臺(tái)發(fā)出警報(bào)，提醒礦山企業(yè)和當(dāng)?shù)卣皶r(shí)加強(qiáng)對(duì)預(yù)警區(qū)域的生態(tài)治理與保護(hù)，以避免生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生。通過該功能，管理者也可自行查看風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以制定并實(shí)施針對(duì)性的防范、治理方案，促進(jìn)科學(xué)有效地礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)。

(5)智能分級(jí)分區(qū)生態(tài)修復(fù)。智能分級(jí)分區(qū)生態(tài)修復(fù)功能是基于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的生態(tài)擾動(dòng)范圍及影響程度，自動(dòng)圈定自然演替區(qū)、人工管護(hù)區(qū)、生態(tài)重塑關(guān)鍵區(qū)的3 級(jí)分區(qū)。對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境各分級(jí)分區(qū)進(jìn)行有針對(duì)性地監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)把握各分級(jí)分區(qū)的修復(fù)狀態(tài)，制定適用于各分級(jí)分區(qū)的修復(fù)計(jì)劃。自然演替區(qū)即無需過多的人工干預(yù)也可以進(jìn)行自然的修復(fù)，人工管護(hù)區(qū)需要通過適當(dāng)?shù)娜斯す芾砗妥o(hù)理措施進(jìn)行干預(yù)，生態(tài)重塑關(guān)鍵區(qū)則需要實(shí)施重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)工程。該功能能為“一地一策”的科學(xué)精準(zhǔn)修復(fù)規(guī)劃、提升生態(tài)修復(fù)效率效益提供保障。

(6)礦山生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)。礦山生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)功能可以對(duì)一個(gè)或若干礦山在生態(tài)修復(fù)進(jìn)行中和結(jié)束后的修復(fù)效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。在資源開采前，礦山生態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)通過長時(shí)序、高頻次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為修復(fù)效果評(píng)價(jià)提供生態(tài)本底狀態(tài)；在資源開采過程中，礦山企業(yè)會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹⒂嗅槍?duì)性的生態(tài)修復(fù)活動(dòng)，利用礦山生態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)可以進(jìn)行任意一年或多年的修復(fù)效果評(píng)價(jià)，掌握修復(fù)工程的質(zhì)量和進(jìn)度，及時(shí)調(diào)整不合適的修復(fù)措施；在資源開采完成后，修復(fù)活動(dòng)仍在繼續(xù)，此時(shí)不僅能夠評(píng)價(jià)當(dāng)時(shí)的修復(fù)效果，還能對(duì)修復(fù)后的生態(tài)質(zhì)量與采礦前的生態(tài)本底進(jìn)行對(duì)比，判斷生態(tài)質(zhì)量是否恢復(fù)到開采前的狀態(tài)。礦山生態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)可為礦山生態(tài)修復(fù)策略的整體調(diào)整提供參考，并提出優(yōu)化建議，如調(diào)整土壤改良技術(shù)，更換植物種植模式，施行水資源循環(huán)利用技術(shù)等。

(7)礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)管?；诒O(jiān)測(cè)終端和實(shí)地驗(yàn)證相結(jié)合的方式，能精準(zhǔn)地掌握礦山開采“前-中-后”的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)和違規(guī)開采活動(dòng)的全生命周期監(jiān)督與管理。對(duì)于礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)活動(dòng)，實(shí)時(shí)在線定位生態(tài)環(huán)境的破壞位置，及時(shí)發(fā)出修復(fù)指令，“線上+線下”全程跟蹤修復(fù)過程并及時(shí)指正不適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施，實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)。對(duì)于違規(guī)開采活動(dòng)，及時(shí)在線識(shí)別違規(guī)開采類型，依法發(fā)出整改警告，對(duì)違規(guī)礦山進(jìn)行檔案記錄和重點(diǎn)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)依法依規(guī)礦山開采及生態(tài)環(huán)境保護(hù)。礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)，有助于提高礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)管的效果，智能、高效、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)“只開采不修復(fù)”和“違規(guī)開發(fā)礦山”等行為。

4 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建

在充分應(yīng)用新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建完整的礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)開展4 個(gè)方面工作：礦山生態(tài)數(shù)字底座搭建、礦山生態(tài)數(shù)字場景構(gòu)建、礦山生態(tài)演變過程模擬與預(yù)測(cè)、礦山生態(tài)治理智能決策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理礦山生態(tài)環(huán)境的虛擬孿生與治理智能決策，總體技術(shù)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Technology framework of the digital twin system of mine ecological environment

4.1 礦山生態(tài)數(shù)字底座搭建

礦山生態(tài)數(shù)字底座主要通過礦山生態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合與管理2 類技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示。①由遙感衛(wèi)星、全球定位導(dǎo)航衛(wèi)星、無人機(jī)、地面/地下監(jiān)測(cè)設(shè)備/監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成的礦山生態(tài)環(huán)境天空地協(xié)同監(jiān)測(cè)體系，通過傳感器探測(cè)獲取礦山生態(tài)環(huán)境各要素的圖像、視頻、光譜、數(shù)值等初級(jí)信息，進(jìn)而采用信號(hào)處理、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)建模等方法從中提取要素的位置、屬性、分布及時(shí)序變化等高級(jí)信息。涉及到的環(huán)節(jié)包括：利用深度學(xué)習(xí)模型從遙感影像識(shí)別礦區(qū)地物類型及變化信息[62]，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取礦區(qū)精細(xì)數(shù)字高程模型和數(shù)字表面模型[63]，構(gòu)建定量遙感模型反演礦區(qū)植被、土壤、水體、大氣等理化參數(shù)[33]，利用空間插值等方法獲取氣象氣候、地表變形、地下水位分布等信息[64]，形成礦區(qū)生態(tài)時(shí)空大數(shù)據(jù)集。②針對(duì)多源礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)在采集方式、空間參考、存儲(chǔ)格式、時(shí)空尺度等方面存在差異，采用時(shí)空格網(wǎng)編碼理論和多層級(jí)時(shí)空索引實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一和高效時(shí)空索引[65]，支撐對(duì)指定時(shí)間、指定地點(diǎn)、指定尺度、多要素的信息快速查詢和提取。

圖4 礦山生態(tài)數(shù)字底座Fig.4 Digital base of mine ecosystem

4.2 礦山生態(tài)數(shù)字場景構(gòu)建

根據(jù)礦山生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，在礦山生態(tài)數(shù)字底座基礎(chǔ)上，基于可視化仿真技術(shù)，按照“地下-地表-地上”三維空間立體化形態(tài)構(gòu)建能深入刻畫礦山生態(tài)的數(shù)字化場景，將大規(guī)模礦山生態(tài)要素進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，并對(duì)精細(xì)觀測(cè)要素進(jìn)行多維度可視分析，實(shí)現(xiàn)從全域視角到微觀視角領(lǐng)域，對(duì)礦山運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行全息動(dòng)態(tài)感知，有效增強(qiáng)礦山生態(tài)數(shù)字場景的真實(shí)感和沉浸感，具體內(nèi)容如圖5 所示。①地下數(shù)字場景構(gòu)建。利用3D MAX+BIM 建模技術(shù)構(gòu)建地下礦山三維空間場景[66]，增強(qiáng)礦山地下空間的真實(shí)感。地質(zhì)模型要素主要包括巖層、煤層、地下水等地物，人工要素包括巷道、斜井、開采工作面、鉆孔、物探、礦坑充水通道等地物。②地表數(shù)字場景構(gòu)建。此處重點(diǎn)是呈現(xiàn)礦山開采全過程中地表地物和地貌的變化過程，場景中地形、地貌、土地利用類型、工礦建筑設(shè)施、工礦設(shè)備、植被、水域、地表溫度等元素。對(duì)有高程變化的地表元素采用3D Tiles 格式構(gòu)建三維地表模型[67]，最大程度地呈現(xiàn)其幾何形態(tài)和紋理特征，精細(xì)還原元素的真實(shí)情況；對(duì)于沒有高程信息的元素采用WMS 服務(wù)協(xié)議對(duì)地物進(jìn)行可視化渲染，并展示在地理信息可視化平臺(tái)中。③地上數(shù)字場景構(gòu)建。地上場景元素主要包括礦區(qū)地上各類氣體及風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、粉塵質(zhì)量濃度等信息，利用Unity 3D、Unreal 可視化渲染技術(shù)模擬氣體的狀態(tài)、分布及流動(dòng)效果[68]，用專題符號(hào)來刻畫氣體的濃度并在礦山生態(tài)數(shù)字底座上進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，進(jìn)而構(gòu)建礦山生態(tài)地上數(shù)字場景。在生成三維模型時(shí)由于數(shù)據(jù)龐大場景復(fù)雜，在大場景瀏覽時(shí)引入LOD 技術(shù)[69]，采用按需渲染的方式加載模型，提高三維模型的渲染效率。

圖5 礦山生態(tài)數(shù)字場景Fig.5 Digital scene of mine ecosystem

4.3 礦山生態(tài)演變過程模擬與預(yù)測(cè)

礦山生態(tài)演變過程模擬與預(yù)測(cè)旨在對(duì)礦區(qū)實(shí)現(xiàn)回溯歷史、展示現(xiàn)在和預(yù)測(cè)未來，支撐礦山生態(tài)環(huán)境治理走向數(shù)字孿生。模擬與預(yù)測(cè)從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)隱含演變過程中的規(guī)律，逐步求精，形成生態(tài)環(huán)境演變的規(guī)則。礦區(qū)生態(tài)演變是植被、土壤、水體、大氣等生態(tài)要素的參數(shù)在采礦不同階段發(fā)生的時(shí)空變化，變化過程受自然條件及人類活動(dòng)的影響，影響過程具有空間異質(zhì)性、時(shí)間依賴性和要素差異性。以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思路，采用地理加權(quán)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，將自然條件(如氣溫、降水、地形、地貌等)、人類活動(dòng)(如采礦、發(fā)電、城鎮(zhèn)開發(fā)、放牧等)數(shù)據(jù)輸入至模型中，構(gòu)建礦區(qū)“植-土-水-氣”生態(tài)參數(shù)的時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)過程模型，計(jì)算各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)生態(tài)參數(shù)的貢獻(xiàn)度大小[70]?；谟?xùn)練得到的礦區(qū)生態(tài)要素時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)過程模型，代入未來時(shí)期的自然條件和人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)因子參數(shù)，推演預(yù)測(cè)未來不同時(shí)期礦區(qū)生態(tài)參數(shù)的演變過程和變化趨勢(shì)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境損傷的薄弱參數(shù)，及其潛在的發(fā)生時(shí)間與空間位置(圖6)。

圖6 未來礦山生態(tài)演變預(yù)測(cè)Fig.6 Prediction of mine ecological evolution

4.4 礦山生態(tài)治理智能決策

礦山生態(tài)治理面臨生態(tài)環(huán)境質(zhì)量難以精準(zhǔn)評(píng)估、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不能及時(shí)預(yù)警、生態(tài)修復(fù)缺乏優(yōu)化方案等問題，因此需要對(duì)礦山生態(tài)治理進(jìn)行科學(xué)智能決策，實(shí)現(xiàn)礦山高效生產(chǎn)與生態(tài)精準(zhǔn)治理相協(xié)調(diào)。礦山生態(tài)治理智能決策需要從礦山生態(tài)治理所面臨的各項(xiàng)問題出發(fā)，依托多源大數(shù)據(jù)所獲取的各類表征指標(biāo)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、層次分析法、主成分分析等處理方法，建立專業(yè)性決策模型，構(gòu)建礦山生態(tài)治理智能決策的“數(shù)據(jù)-指標(biāo)-模型-業(yè)務(wù)”關(guān)系圖譜(圖7)，以解決礦山生態(tài)治理過程中的決策問題。以礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)智能分級(jí)分區(qū)和礦山生態(tài)修復(fù)效果監(jiān)管2 個(gè)業(yè)務(wù)決策環(huán)節(jié)為例，將所需要的數(shù)據(jù)、指標(biāo)及模型進(jìn)行梳理。其中，數(shù)據(jù)層包括能反映自然條件的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型，能反映人類活動(dòng)的煤炭生產(chǎn)數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)GDP 數(shù)據(jù)、農(nóng)牧統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及能反演各類生態(tài)要素參數(shù)的高分系列衛(wèi)星影像、Landsat 系列影像、MODIS 影像、InSAR 數(shù)據(jù)等遙感影像數(shù)據(jù)?；诙嘣创髷?shù)據(jù)，通過空間插值、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化等方法計(jì)算得到坡度坡向、采礦影響強(qiáng)度、植被NDVI 等多種指標(biāo)，為建立模型提供了基礎(chǔ)。進(jìn)而構(gòu)建生態(tài)演變過程地理加權(quán)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、驅(qū)動(dòng)因子權(quán)重計(jì)算模型、顯著性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?，以支撐礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)智能分級(jí)分區(qū)決策服務(wù)；構(gòu)建礦山土地利用類型深度學(xué)習(xí)模型、礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，以支撐礦山生態(tài)修復(fù)效果監(jiān)管決策服務(wù)。

圖7 礦山生態(tài)治理智能決策關(guān)系圖譜示意Fig.7 Relationship graph of intelligent decision of mine ecological governance

5 結(jié)語與展望

作為重點(diǎn)和難點(diǎn)的礦山生態(tài)環(huán)境治理仍然面臨缺乏綜合性監(jiān)測(cè)體系、生態(tài)演變建模不準(zhǔn)確、生態(tài)治理依賴專家經(jīng)驗(yàn)、無信息化決策工具等現(xiàn)實(shí)問題。礦山生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與治理迫切需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理高效、過程可模擬、趨勢(shì)可預(yù)測(cè)、決策有依據(jù)及可視化效果好，而數(shù)字孿生技術(shù)為達(dá)到上述新階段和實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境治理向智能化、自主化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新的解決思路。

在此背景下，筆者立足于礦山生態(tài)環(huán)境信息化建設(shè)進(jìn)程，討論了礦山生態(tài)環(huán)境治理全過程數(shù)字孿生是新時(shí)期生態(tài)治理的迫切要求。在此基礎(chǔ)上，提出了礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的概念并明確了其內(nèi)涵，總結(jié)了其要素豐富且表達(dá)精細(xì)、生態(tài)演變仿真模擬、虛實(shí)融合交互、自我學(xué)習(xí)與動(dòng)態(tài)優(yōu)化的特點(diǎn)；然后，詳細(xì)闡述了礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生的體系架構(gòu)和7 類典型功能；最后提出了構(gòu)建礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)各部分的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)可行性進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。綜上所述，礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生能使治理的體系化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化得到實(shí)質(zhì)性的提升，為礦山綠色智能開采的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)保障。

未來，伴隨著我國礦山智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，完善礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)是數(shù)字孿生的首要任務(wù)，尤其是面對(duì)長時(shí)序遙感影像缺失、移動(dòng)傳感設(shè)備不足、信息流通存在壁壘等問題，需要更多標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一、參數(shù)相協(xié)調(diào)的監(jiān)測(cè)手段來滿足孿生數(shù)據(jù)的生產(chǎn)；此外，需要更多的礦區(qū)樣本數(shù)據(jù)來研究礦區(qū)地物自動(dòng)識(shí)別、生態(tài)參數(shù)反演、演變建模、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等，并通過持續(xù)更新的樣本對(duì)分析模型進(jìn)行修正，以保證算法模型的有效性和先進(jìn)性；需要融入專家及領(lǐng)域知識(shí)來構(gòu)建豐富的專家模型，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和知識(shí)引導(dǎo)的雙重方式來完善和升級(jí)數(shù)字孿生體，促進(jìn)礦山生態(tài)環(huán)境孿生向更加智能化、自主決策方向演化。