天空地一體化技術(shù)在尾礦庫監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

高小盼 張志學(xué) 宋金蕊 張紅霞 趙生輝 李彩虹

（1.萬橋信息技術(shù)有限公司，甘肅蘭州730000；2.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730000）

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的、用以貯存金屬非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或工業(yè)廢渣的場所［1］。尾礦庫是一座重大危險源，在國際災(zāi)害事故排名中位列第18位，對下游居民及設(shè)施的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅［2］。我國是尾礦庫大國，有尾礦庫12 655座，其中有4 910座危庫、險庫和病庫，占38.8%。近年來，各個國家對尾礦庫的管理水平不斷提高，運(yùn)用的監(jiān)測技術(shù)豐富多樣。對尾礦庫主要的監(jiān)測內(nèi)容包括位移、滲流、干灘、庫水位、降水量等［3］。

隨著高分辨率衛(wèi)星和無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)、傾斜攝影和地面?zhèn)鞲衅飨嘟Y(jié)合的方式對尾礦庫進(jìn)行天空地全方位、立體化的監(jiān)測方法越來越受到研究者青睞和重視。本項(xiàng)目利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對尾礦庫所在地理位置區(qū)域進(jìn)行宏觀觀測，觀測結(jié)果形成衛(wèi)星底圖；利用無人機(jī)航拍技術(shù)生成尾礦庫空間三維數(shù)字模型，對尾礦庫進(jìn)行細(xì)粒度的直觀監(jiān)管和動態(tài)三維模型制作；利用傳感器技術(shù)對尾礦庫表面位移、內(nèi)部位移、浸潤性、庫水位等進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，能夠細(xì)致微觀地對影響尾礦庫安全的關(guān)鍵因素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?；诒疚奶岢龅男l(wèi)星遙感技術(shù)、無人機(jī)航拍技術(shù)和在線監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的天空地一體化技術(shù)，將會使尾礦庫的安全性能大幅度提升，更好地實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，減少安全事故。該方法在國內(nèi)某市150多座尾礦庫監(jiān)測平臺中實(shí)際應(yīng)用，截止發(fā)稿日期系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行2 a以上，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警事件30余次，尾礦庫安全事故發(fā)生0起，做到了及時有效的安全預(yù)警。

1 研究現(xiàn)狀概述

1.1 尾礦庫穩(wěn)定性研究

國內(nèi)外研究學(xué)者在尾礦庫穩(wěn)定性方面具有諸多研究成果。文獻(xiàn)［4］提出壩體穩(wěn)定性強(qiáng)烈取決于毛細(xì)現(xiàn)象，對毛細(xì)管水在尾礦壩穩(wěn)定性中所起的作用進(jìn)行了研究，同時給出尾礦壩標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測方案中應(yīng)增加毛細(xì)水測量的建議；文獻(xiàn)［5-6］基于分形幾何對尾礦脫水絮凝結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，對尾礦庫內(nèi)排放細(xì)尾礦的固結(jié)過程和沉積密度進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)［7］通過地下水滲流場的計算，對滲流場的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬和預(yù)測；文獻(xiàn)［8］分析了尾礦庫堆積到一定設(shè)計總壩高時，在洪水工況和正常工況下壩體浸潤線的變化規(guī)律；文獻(xiàn)［9］分析了尾礦壩穩(wěn)定性的影響因素，主要包括堆積體過高、坡度過陡、堆積體下面有昔格達(dá)組軟層、不平衡力隨時間變化等；文獻(xiàn)［10］通過對某尾礦庫在地震作用下的整體穩(wěn)定性的分析，得出在大烈度地震作用下局部有發(fā)生液化垮壩的危險，位移及速度最活躍的區(qū)域出現(xiàn)在尾礦庫的壩底和壩頂邊緣；文獻(xiàn)［11］以某礦山生產(chǎn)的粗尾砂和細(xì)尾砂為堆壩材料，對粗、細(xì)尾砂在堆壩過程中滲流規(guī)律進(jìn)行對比研究。

1.2 尾礦庫安全監(jiān)測研究現(xiàn)狀

尾礦庫安全監(jiān)測主要使用GPRS、GIS、ZigBee、GPS、總線技術(shù)等對尾礦庫表面位移、內(nèi)部位移、浸潤性、庫水位等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，最終將數(shù)據(jù)加載到GIS上供管理者決策和使用，部分研究學(xué)者也使用了三維模型、無人機(jī)技術(shù)等對尾礦庫進(jìn)行安全監(jiān)測，但都使用較為片面。黃湘俊、許同樂等［12］提出一種基于CAN總線的尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，解決了基于RS-485總線的數(shù)據(jù)通信效率低、可靠性低、應(yīng)用不靈活等問題；張飛燕［13］設(shè)計了GPRS與GSM相結(jié)合的無線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控尾礦壩；黃青青等［14］基于Unity3D平臺實(shí)現(xiàn)了對某尾礦庫的三維可視化，較為直觀地對尾礦庫礦巖位置和構(gòu)造產(chǎn)狀關(guān)系等進(jìn)行展示；李忠奎和廖國禮［15］以浸潤線、防洪能力、壩體位移和降雨量作為尾礦庫安全的主要監(jiān)測指標(biāo)，設(shè)計了尾礦庫潰壩監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；謝旭陽等［16］在建立尾礦庫區(qū)域性預(yù)警指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用支持向量機(jī)的方法，建立了尾礦庫區(qū)域預(yù)警模型；曾群偉等［17］提出將浸潤線、防洪容量等作為尾礦庫在線自動監(jiān)測的指標(biāo)；呂金輝和郭忠林［18］設(shè)計了一種基于B/S模式下分布式尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)；汪金花和李富平［19］以河北省唐山地區(qū)為例，開發(fā)基于GIS尾礦資源管理系統(tǒng)；孟曉麗［20］完成了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的尾礦庫壩體形變監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；何學(xué)文等［21］設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和LabVIEW的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對鎢礦尾礦庫安全進(jìn)行在線監(jiān)測；許同樂等［22］為保證傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提出利用光纖和GPRS技術(shù)傳輸尾礦庫監(jiān)測數(shù)據(jù)；雷霆等［23］采用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，以SQLServer2005為數(shù)據(jù)庫平臺，開發(fā)了集“感、傳、知、用”于一體的尾礦庫監(jiān)測信息數(shù)據(jù)管理與分析預(yù)警軟件。

2 天空地一體化監(jiān)測預(yù)警體系

2.1 天—衛(wèi)星遙感技術(shù)

（1）衛(wèi)星底圖。尾礦庫的監(jiān)管工作，從管理角度最重要的就是要摸清底數(shù)，尾礦庫的具體位置，周邊是否有敏感區(qū)域，尾礦庫的類型、大小等信息都可以通過高分辨率遙感技術(shù)來提供。按照行政區(qū)域、流域分布圖，每個尾礦庫的具體信息都被詳細(xì)地標(biāo)注。從抽象的理論數(shù)據(jù)、表格到直觀具體的彩色圖片，高分辨率遙感的應(yīng)用為尾礦庫的監(jiān)管，特別是重點(diǎn)庫的管理提供了更多樣的形式。根據(jù)地面監(jiān)測的信息，結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)對重點(diǎn)庫進(jìn)行有針對性的排查，尾礦庫防護(hù)措施和環(huán)保設(shè)施能夠直觀地反映在衛(wèi)星底圖上。圖1所示國內(nèi)某地區(qū)尾礦庫分布圖，可以在衛(wèi)星地圖上通過尾礦庫類別進(jìn)行直觀的標(biāo)繪，點(diǎn)擊某標(biāo)繪點(diǎn)時可對該尾礦庫的基本信息進(jìn)行查看。

（2）尾礦庫壩體演變。以高分辨率遙感衛(wèi)星影像作為尾礦庫監(jiān)測預(yù)警底圖，能直觀反映地貌現(xiàn)狀變化，可以幫助尾礦庫監(jiān)管部門在重點(diǎn)區(qū)域定時進(jìn)行有針對的排查，及時地開展監(jiān)管與執(zhí)法行為。通過一定時間段的衛(wèi)星影像積累可以直觀地反映出尾礦庫在一定時間段范圍內(nèi)尾礦庫周界與壩體發(fā)生的宏觀變化。如圖2所示，可以直觀反映出某尾礦庫2016年6月9日至2016年10月24日，近半年以來壩體的宏觀變化情況，可以供尾礦庫管理人員進(jìn)行宏觀監(jiān)管。

（3）尾礦庫專題影像圖。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得尾礦庫DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)和DOM（數(shù)字正射影像圖）數(shù)據(jù)，可以將生產(chǎn)的模型數(shù)據(jù)疊加到三維模型上，對尾礦庫進(jìn)行基于DEM和DOM的三維可視化和分析，如圖3所示。

2.2 空—無人機(jī)傾斜攝影與三維建模

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維模型建立已經(jīng)在礦山［24］，校園三維模型構(gòu)建［25］，道路工程建設(shè)［26］中積累了大量豐富的案例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，但在尾礦庫安全監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的案例或研究仍未被廣泛嘗試。本項(xiàng)目利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對尾礦庫進(jìn)行三維模型構(gòu)建，如圖4所示。通過三維建模與演示，可以在尾礦庫監(jiān)測預(yù)警的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，查看三維仿真模型，具備縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游等功能。

三維模型制作完成后，將尾礦庫三維模型疊加到三維WebGIS系統(tǒng)中，能夠更加直觀地在地圖上查看尾礦庫三維模型，包括安裝在壩體上每個傳感器監(jiān)測點(diǎn)位的位置信息和詳細(xì)信息。圖5所示基于WebGIS的尾礦庫在線監(jiān)測點(diǎn)位分布圖。

2.3 地—基于傳感實(shí)時在線監(jiān)測預(yù)警

在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和無人機(jī)航拍三維模型的基礎(chǔ)上，按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以對尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于地圖和三維模型的展示，更加精細(xì)化地實(shí)現(xiàn)尾礦庫的監(jiān)測和預(yù)警。尾礦庫安全監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)設(shè)計等別、尾礦壩筑壩方式按照表1確定。

在尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過與系統(tǒng)對接實(shí)現(xiàn)對各個關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和采集。圖6分別表示通過接口采集到的某尾礦庫在一段時間內(nèi)的表面位移、庫水位、雨量和浸潤線的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

尾礦庫數(shù)據(jù)采集完成后，在國家規(guī)范的指導(dǎo)下對尾礦庫的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警閾值進(jìn)行集中設(shè)置。當(dāng)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值時能夠?qū)ΡO(jiān)測項(xiàng)進(jìn)行自動報警，并通過短信、郵件的方式通知相關(guān)人員進(jìn)行緊急的事件處理和風(fēng)險防范。如圖7所示，某尾礦庫有浸潤線監(jiān)測點(diǎn)位6個，根據(jù)國標(biāo)相關(guān)規(guī)定和該尾礦庫所在的實(shí)際地理位置，對初期壩壩頂?shù)?個浸潤線三級預(yù)警閾值分別設(shè)定為4.5 m、3.5 m、3 m，對馬道排水溝和現(xiàn)狀壩壩頂?shù)慕櫨€預(yù)警閾值設(shè)定為8 m、7 m、6 m。圖8表示該尾礦庫在2019年8月13日14∶10時采集的傳感器數(shù)據(jù)，所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)皆在閾值范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)天空地一體化的尾礦庫實(shí)時監(jiān)測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了以往尾礦庫監(jiān)測僅注重尾礦庫微觀監(jiān)測而缺少對整體監(jiān)測和宏觀把控的問題。

（2）在衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用WebGIS技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加載和呈現(xiàn)，使得尾礦庫監(jiān)管更加直接和便利。

（3）本研究提出的尾礦庫監(jiān)測預(yù)警方法僅考慮了技術(shù)手段，在與人工輔助監(jiān)測手段結(jié)合實(shí)現(xiàn)尾礦庫“群測群防，一庫一策”方面，沒有進(jìn)行深入細(xì)致的研究和論述，某些情況下僅憑技術(shù)進(jìn)行尾礦庫監(jiān)管會導(dǎo)致監(jiān)管不全面的問題。應(yīng)該采用一些互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，將尾礦庫管理人員和日常巡壩結(jié)果結(jié)合起來，更好地實(shí)現(xiàn)尾礦庫全面管理。