基于RS的礦山地質災害早期預警系統(tǒng)設計與應用

郭德嶺

（安徽省地質礦產勘查局324地質隊，安徽 池州 247000）

在市場經濟工業(yè)化發(fā)展的帶動下，礦山地質資源正逐步被大量開發(fā)，尤其在1980年后，市場發(fā)展對于礦山資源的需求量急劇增多，為了滿足市場建設與社會發(fā)展的需求，礦山開發(fā)單位加大了對地質的勘查與開采。盡管在此過程中實現(xiàn)了對工業(yè)發(fā)展的滿足，但由于開發(fā)單位一味地強調經濟效益與開發(fā)量，導致礦山地質環(huán)境呈現(xiàn)一種顯著的惡化趨勢[1]。產生此種問題的主要原因在于開發(fā)單位安全管理能力差、礦產資源開發(fā)技術落后等。提出的不規(guī)范行為，在某種程度上造成了礦山環(huán)境惡化，致使近年來礦山地質災害頻繁發(fā)生。包括洪水、區(qū)域地表坍塌、地裂縫、泥石流等，一些礦產資源過度開發(fā)的地區(qū)甚至出現(xiàn)了地質災害難以控制的嚴重問題。倘若針對提出的問題，不對其加以控制，或無法做到對災害發(fā)生的早期預警，不僅會對地區(qū)經濟發(fā)展與群體生命安全造成某種程度的威脅，甚至也會在一定程度上對生活在區(qū)域的群眾或礦山地質開采人員造成生命安全威脅。綜合目前市場對此方面的研究進展，發(fā)現(xiàn)我國截至目前仍沒有針對此方面提出有效的研究成果，因此，本文將引進RS技術，針對礦山地質開發(fā)現(xiàn)狀，設計一種可實現(xiàn)對災害早期預警的系統(tǒng)。希望通過此次研究，降低由于礦山地質災害對地區(qū)經濟可持續(xù)發(fā)展的影響，保障礦山地質勘查相關工作的安全實施。

1 硬件設計

為了確保系統(tǒng)在運行過程中對預警信息的有效傳遞，本文選擇預警信息通信設備作為系統(tǒng)的核心硬件設備。考慮到系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)是通過無線網絡進行終端傳輸?shù)?，為了確保對預警信息通信的效率化與協(xié)調化，可采用在系統(tǒng)運行電路中搭建W5500數(shù)據(jù)傳輸平臺的方式，進行STM23.0數(shù)據(jù)與W5500之間進行信息交換。

系統(tǒng)在運行過程中，主控制器端口與預警信息通信設備端口連接后，可進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，此時兩者之間將在互聯(lián)網的支撐下存在某種必然關系[2]。當W5500與物聯(lián)串口之間通過控制芯片連接時，預警信息通過無線互聯(lián)網與yelink平臺連接，此時終端便可以實現(xiàn)與信息之間的交互。其中預警信息通信設備與系統(tǒng)主控器連接可用如下圖1表示。

圖1 預警信息通信設備與系統(tǒng)主控器連接示意圖

按照上述圖1所示連接方式，連接系統(tǒng)內部硬件結構，同時，選擇2.5GHz的無線接收裝置連接NRF模塊與系統(tǒng)硬件結構。傳感器采用獲取數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)的方式，感知礦山地質信息中是否存在危險因素。通過此種方式，滿足對礦山地質災害的早期預警需求。

2 軟件設計

2.1 選擇礦山地質災害預警觀測節(jié)點

為了確保本文系統(tǒng)對礦山地質災害預警的準確性，需要在設計系統(tǒng)前，選擇礦山地質災害預警觀測節(jié)點。觀測節(jié)點需要由監(jiān)測中心與觀測中心構成，其中前者負責收集制定區(qū)域內的地質災害數(shù)據(jù)，并深度分析數(shù)據(jù)的變化趨勢與播報，后者負責傳遞數(shù)據(jù)與連接網絡。對礦山地質災害預警觀測節(jié)點的規(guī)劃如下圖2所示。

圖2 礦山地質災害預警觀測節(jié)點

在觀測節(jié)點中，需要準備12.0V～15.0V的蓄電池作為電源供應裝置，將其與地區(qū)地質變化監(jiān)測設備與通信設備進行互聯(lián)處理。同時，在節(jié)點區(qū)域內布設DCDC/LDO裝置，由此裝置為電極片提供5.0V或3.0V的電壓。在此基礎上，插入SIM芯片，負責存儲獲取的多種類型礦山地質災害信息。在此過程中，由超聲波探頭負責接收與發(fā)射地質災害信號。通過此種方式，完成對礦山地質災害預警觀測節(jié)點的選擇。

2.2 基于RS技術獲取并處理MODIS數(shù)據(jù)

在完成對礦山地質災害預警觀測節(jié)點的選擇后，引進RS遙感技術，進行中分辨率成像數(shù)據(jù)的獲取。區(qū)別于傳統(tǒng)技術，使用RS技術獲取的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一種多源信息趨勢，即信息的結構是處于一種多元化結構的，包括多光譜數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)。

在圈定的地質災害勘查區(qū)域內進行遠距離地質探測，通常情況下，可選擇遙感器對選擇探測的物體發(fā)射電磁波，通過電磁波的輻射與反射特性，對MODIS數(shù)據(jù)進行針對性空間獲取。由于遙感技術不需要直接接觸物體，勘查人員也無需到現(xiàn)場實地勘查，因此此項技術在使用中相對安全。

在完成對MODIS數(shù)據(jù)的初步獲取后，考慮到數(shù)據(jù)結構較為多元化，因此，需要同步對數(shù)據(jù)進行至少2000.0次掃描，將ID2.0格式的MODIS數(shù)據(jù)轉換為HDF格式的MODIS數(shù)據(jù)。在此基礎上，將完成格式轉換后的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內進行輸入，并按照如下所示流程對RS圖像進行處理：切割圖像—RS圖像集合校正—形成信號波段（MODIS通道：1（R）；2（G）；I（B））—圖像信號增強（將MODIS數(shù)據(jù)的差異值在DN通信區(qū)間內進行上限制的設定，并調整RS圖像的對比度，使圖像整體肉眼可見度更為顯著）—提取RS圖像中有效區(qū)域（利用計算機提供的多邊形工具，將遙感數(shù)據(jù)進行量化處理，經過量化處理后的RS數(shù)據(jù)中有效范圍將呈現(xiàn)一種集成趨勢，此時統(tǒng)計有效范圍的面積）—繪制礦山地質災害專題制圖。在完成上述相關操作后，在計算機終端輸出地質災害專題制圖，以此完成對MODIS數(shù)據(jù)的獲取與處理。

2.3 發(fā)布礦山地質災害早期預警信息

在完成對MODIS數(shù)據(jù)的獲取與處理后，需要將數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一格式存儲在計算機終端災害信息庫內。在生成專題圖像的基礎上，對災害發(fā)生的影響因素、地質災害成因、地質災害發(fā)生機理等相關要素進行重組與信息優(yōu)化，從而生成與區(qū)域地形地勢相適配的災害早期預警圖。

結合非線性動力學原理，在現(xiàn)代化數(shù)據(jù)挖掘技術的支撐下，對繪制的地質災害早期預警圖進行VC、VB軟件識別，以此種方式識別礦山地質災害的類型。并在終端人機交互界面將識別與評估的結果呈現(xiàn)在顯示屏上，發(fā)布礦山地質災害早期預警信息，以此完成對礦山地質災害早期預警系統(tǒng)的設計。

3 對比實驗

本文從硬件結構與軟件功能，兩個方面，完成了對基于RS的礦山地質災害早期預警系統(tǒng)理論設計，但由于系統(tǒng)的運行需要后期借助軟件工具實現(xiàn)，因此要驗證本文設計的預警系統(tǒng)在實際應用中具備一定有效性，還需要互聯(lián)網平臺，對系統(tǒng)功能進行后期測試。對此，本文設計了如下所示的對比實驗。

實驗前，需要選定已開采的礦山區(qū)域，并調派專業(yè)的地質勘查人員進行礦山地質環(huán)境的前期勘查工作。在掌握區(qū)域地質相關信息的基礎上，使用空間定位法與無人機勘查技術，繪制礦山三維地質圖像。在完成機械設備獲取礦山地質信息的同時，同時還需要根據(jù)地區(qū)近三年地質災害的發(fā)生情況，進行人工調查的方式進行地質災害信息的獲取，以此種方式獲取區(qū)域地質信息。

在完成對地質環(huán)境的勘查后，圈定地質災害常發(fā)區(qū)域，區(qū)域面積為10.0km2×10.0km2，分別使用本文設計的基于RS的礦山地質災害早期預警系統(tǒng)與傳統(tǒng)預警系統(tǒng)，對圈定區(qū)域進行地質災害的早期預警。通過系統(tǒng)獲取區(qū)域災害中心位置的波普，并以1.0km為直徑，逐步向外延伸檢測，掌握地區(qū)災害中心區(qū)域3.0km2×3.0km2區(qū)域內的波譜。通過波譜強度，感應礦山地質災害發(fā)生情況。并以此作為評價本文系統(tǒng)性能的依據(jù)，執(zhí)行此次對比實驗，整理實驗數(shù)據(jù)后，將其統(tǒng)計成表格，如下表1所示。

表1 地質災害預警波譜對比結果

現(xiàn)已知在常規(guī)情況下，預警波譜的有效閾值范圍為400.0nm～450.0nm之間，而通過本次對比實驗結果可知，本文系統(tǒng)在進行地質災害中心位置早期預警的過程中，在周邊3.0km內獲取的波普信息均為有效信息，即證明預警的結果具備一定有效性。而傳統(tǒng)的預警系統(tǒng)在距離中心位置2.5km位置處進行礦山地質災害預警時，所得到的波譜信息已超出其有效閾值，證明傳統(tǒng)系統(tǒng)在進行礦山地質災害早期預警時，系統(tǒng)可預警的范圍有限，無法做到對礦山區(qū)域整體的有效預警。綜合上述分析，得出此次對比實驗的最終結論：相比傳統(tǒng)預警系統(tǒng)，本文設計的基于RS的礦山地質災害早期預警系統(tǒng)，可預警的范圍更廣。

4 結語

中國礦產資源賦存量較大，且逐年產出的礦產資源正呈現(xiàn)一種相對遞增趨勢。為了避免礦山過度開采造成的地質災害頻發(fā)現(xiàn)象，應及時對礦山災害進行早期預警。為此，本文引進RS遙感技術，對礦山地質災害早期預警系統(tǒng)展開設計與研究。在硬件結構的支撐下，分別從選擇礦山地質災害預警觀測節(jié)點、基于RS技術獲取并處理MODIS數(shù)據(jù)礦山地質災害早期預警信息發(fā)布三個方面，對系統(tǒng)軟件進行設計，完成本文系統(tǒng)的整體設計后，采用設計對比實驗的方式，同步對本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能進行檢測，經對比實驗檢測，本文系統(tǒng)在進行地質災害預警時，可實現(xiàn)的有效預警范圍覆蓋更廣。