绿色矿山建设中的地质灾害监测数字化技术应用

陈蒙 ，林锦富 ，段昌盛

(1.桂林理工大学地球科学学院，桂林 541004；2.广东省有色金属地质局九三八队，惠州 516023；3.广东省矿产资源储量评审中心，广州 510080)

近年来，从部、省、市各个层面，国家对于绿色矿山的建设重视程度逐年提高。国土资源部2017年发布《关于加快建设绿色矿山的实施意见》(国土资规〔2017〕4号)，各个省也积极推进相关规程文件制定工作。以广东省为例，省国土资源厅于2017年12月发布《广东省绿色矿山建设工作方案》(粤国土资规字〔2017〕5号)(下称〔2017〕5号文)和《关于加快建设绿色矿山的通知》(粤国土资规字〔2017〕6号)(下称〔2017〕6号文)等文件，提出了建设一批试点矿山，其中对于绿色矿山的建设，提出了现代数字化要求，特别对于金属矿山，要求建立地质灾害安全监测系统平台。本文主要讨论绿色矿山建设中的地质灾害监测数字化技术手段。

1 广东省绿色矿山建设现状

2012年以来，广东陆续已经建设了一批国家级试点绿色矿山，如大宝山矿、大顶铁矿、瑶岭钨矿、梅子窝矿等。大顶铁矿资源综合利用，使用废石筑坝，提高废石的综合利用；综合回收低品位矿，提高采矿回采率；以自动控制、集中控制取代传统分散的人工控制，改善现场作业人员的工作环境。瑶岭钨矿创新利用井下采矿的坑道水净化后用于发电，选矿尾水净化后用于选矿，最终三废达标，达到环保目的。

广东省国土资源厅2017年印发〔2017〕5号文和6号文后，于2018年03月公示了第一批50个绿色矿山名单，包括5家金属矿山，19家采石场，2家非金属矿山(石灰石、萤石)，24家矿泉水地热矿山。这两份文件对于金属类绿色矿山要求建设“现代数字化矿山”，除了要求对工艺、设备和管理进行自动化、机械化和信息化[1]，还着重要求对尾矿库、废渣土堆场、边坡等可能引发次生地质灾害的地段进行安全监测，对废气、废水污染控制系统展开线上监测(图1)。

图1 绿色矿山的灾害在线监测

通过对比广东省国土资源厅〔2017〕5号文和6号文印发后公布的50个绿色矿山，本文认为前期试点的一些国家级绿色矿山，特别是中大型金属矿山，对于建设“现代化数字矿山”的理解执行略有欠缺，主要体现在地质灾害监测方面未充分利用现代化数字手段。

2 数字矿山的地质灾害监测技术

数字矿山在绿色矿山的建设中具有必要的作用。数字化、信息化、自动化技术可以有效的变革矿山企业的生产工艺、管理模式，提供全面的信息资源，进而提高生产效率和水平。已经有学者提出了数字矿山是一种可视化平台[2]。除“数字矿山”之外，有的学者还提出了“智慧矿山”的概念，卢新明等(2010)[3]认为，智慧矿山是一套完整的数字化智慧体，针对矿山全部信息进行自动收集、传播、整合、展示；霍中刚等(2016)[4]认为智慧矿山是采矿技术伴随着计算机科学、信息传输、AI技术和RS、GPS、GIS技术发展融合的结果。

“数字矿山”与“智慧矿山”建设都包括对于矿山开采状况及次生地质环境变化的监测。传统的监测依赖于一线调查，受限于天气、地形等因素，特别是针对突发性的地质灾害，人工往往难以第一时间到达现场，不能满足实际需要。近年来三维激光扫描、合成孔径雷达干涉(InSAR)、全球导航卫星系统(GNSS)、遥感卫星、无人机及物联网、云计算、大数据、AI技术蓬勃发展，为监测预测矿山地质环境提供了有效手段[5]。本文主要探索遥感卫星、无人机、大数据、云计算和AI技术等数字化手段的应用。

2.1 遥感卫星技术

遥感卫星结合GIS技术进行地质灾害监测，已经受到人们的重视。遥感技术探测范围广，受约束条件小，技术手段先进，获取有效信息量大[6]，可在室内轻松开展监测工作。

传统的遥感数据主要来源于国外的卫星拍摄，近年来随着我国航天技术的发展，国产的遥感卫星也层出不穷，比如高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)和资源一号02C(ZY1-02C)等，均可满足工作需要。薛庆、吴蔚等(2017)[7]在鞍本辽铁矿山遥感监测工作中采用了高分一号的遥感数据，认为其能很好的应用于矿山开发状况、占地、地质灾害等工作。马秀强、彭令等(2017)[8]在大冶地区矿山地质环境调查中应用了高分二号的遥感数据。梅军军、徐素宁(2017)[9]综合对比了高分一号、高分二号和资源一号02C遥感数据，认为三者能有效识别矿区大中型地面塌陷。三者的数据应用之间具有一定区别，ZY1-02C、GF-1能满足1∶50 000比例尺制图要求，GF-2能满足1∶25 000比例尺制图要求，在不同程度上满足了我国的矿山地灾遥感监测工作需要。

同时遥感影像是定源(卫星源)、定点(拍摄位置)、定时(单个时间)的，而矿山开发利用是动态的，地质环境也是实时变化的。要想做到变化监测，就要以多源、多时相的高分辨率的数据作为基础(图2)。对于不同时期的数据，前人多采用GIS手段，如主成分比值变化检测方法，提取地表变化信息，进而结合DEM高程数据，认定地质灾害体的变化[10]。

图2 遥感手段用于地质体时空变化的监测方法

通过遥感技术，能从动态的角度观察总结地质灾害体的产生变化过程，进而监测其影响程度，总结其变化规律，最终实现地质灾害发生的预测。

2.2 无人机监测手段

遥感具有快速宏观高分辨率的特点，但是采用遥感方式成本高，时效性差。无人机由机器自动操作，配备有摄像头，可以进行实时监控和拍照，具有成本低廉、没有人身危险、机动性好、容易操作、悬停多角度拍照的优点，在地籍测量、地质调查、高压线路巡查、森林防火中具有良好的应用。目前使用较广的主要是四轴或者四轴以上的螺旋翼飞行器。无人机遥感系统对指定的范围进行快速精确监测，结构简单、成本低、风险小、实时性强、工作效率高、信息质量高、简便。

对比遥感卫星解译，无人机遥感能获取更加清晰的影像，通过三维建模，避免遥感卫星解译的多解性，并能找到平面图上易忽视的一些小型地灾隐患点，可以满足具体的地灾排查的要求[11](图3)。侯恩科、首召贵等[12](2017)利用无人机遥感技术在采煤地面塌陷开展监测，探索了数据处理方法：对地表裂缝采用计算机模型提取识别，对地表下沉采用无人机遥感的地表高程值拟合校正。

图3 无人机手段用于地质体时空变化的监测方法

2.3 人工智能、大数据和云计算手段

在人工智能方面，文海家博士[13]于2004年使用神经网络 ANN、模糊逻辑 FIS、遗传算法 GA预测分析滑坡灾变。中国地质环境监测院的刘传正博士于2007年提出了国家级地质灾害预警系统[14]。这种系统基于显式统计方法，将隐含在降雨参数中的地质环境因素作用显示出来，将地质灾害预警作为一个多种因素相互关联的统一体。在此其中体现了“人工智能”，去除了个人主观性占比较重的经验化模式。张申、丁恩杰(2011)[15]提出了物联网建设中的一种“感知矿山”概念，结合GPS和GIS技术，利用先进的各种传感器和无线组网技术，建立拟人化控制模型。通过人工智能技术，建立多种地灾预警模型，耦合多个可能造成影响的因素，最终实现数据自动上报，主动无人值守预警。

大数据和云计算方面，随着技术要求的提高，离线的单机模式的存储已经不能满足大数据和云计算的要求，GIS平台也已经由传统的单机版到web版然后发展到云环境版，比如知名的ESRI、SuperMap等公司的各种在线产品。在地质灾害监测中，也发展了基于WebGis、手机App和云计算的平台，将数据存储在网络中。蒋锐、宋焕斌等(2011)[16]提出一种基于SensorWeb的系统架构，联合多个矿山的局部监测网络，将监测信息汇集到管理部门，进行大数据的统一化管理。佘东、朱晓彦等(2013)[17]通过一种省级的云计算平台，提前或及时的预测地质灾害的发生，其本质上是一套WebGis+手机APP系统。

3 绿色矿山的地质灾害监测数字化手段综合应用

段昌盛、林锦富(2013)[18]提出一种基于WebGis技术的矿山地质环境监测与预警系统，本文在此基础上，针对绿色矿山，提出一种符合广东绿色矿山建设实际情况的地质环境监测与预警系统。系统中基础信息、监测、评估、预警4个模块基于WebGIS系统框架，其中前两个模块提供数据来源，使用计算机技术进行评估，最终对用户提供预警信息。在基础信息模块使用遥感技术,在监测模块使用无人机技术，评估模块使用人工智能技术，预警模块使用大数据、云计算和手机APP技术。

3.1 基础信息模块

首先利用遥感卫星观察范围广、分辨率可以满足1∶2.5万比例尺要求的特点，结合DEM高程数据，针对单个矿山，建立绿色矿山地质灾害遥感监测的基础数据平台。在此数据平台可以查看矿山的遥感影像、地形现状、地质条件、地表情况、高程数据等信息。这些基础数据是地灾预警的基础，也是整个系统数据库的核心。

3.2 信息监测模块

利用无人机机动性好、操作方便、成本低廉、无人员伤亡等特点，在暴雨或者山洪等极端气候条件下，派出无人机对矿山尾矿库、堆渣场、边坡等进行监测，在发生次生地质灾害的前期及时进行观测，发出预警信号。

3.3 评估模块

评估模块为整个系统的应用层，是核心技术。通过人工智能技术，完善评估模块，建立多种模型，耦合多个可能造成影响的因素，最终实现数据自动评估，主动上传，最后自动实现无人值守式的地灾预警。

由于引入了人工智能技术，系统能够自动对比已有的模型，综合评价地灾发生的几率，计算预警分数，最后对用户发出提醒，从而实现了自动化、智能化。

3.4 预警模块

预警模块通过现在的手机APP手段，负责对用户发布实时信息，并上传下达到有关管理部门和一线人员。

综上所述，通过遥感+无人机+人工智能+大数据+手机APP的数字化技术应用，形成了一套切实有效的绿色矿山地质灾害监测方法。

4 结语

本文通过对比以往的一些国家级试点绿色矿山建设情况和当前最新的广东省绿色矿山建设要求，认为以往的绿色矿山建设在地质灾害监测方面未充分利用现代化数字手段。本文讨论了遥感卫星、无人机、大数据、云计算和人工智能等数字化技术绿色矿山建设中的重要意义，提出一种符合广东绿色矿山建设实际情况的地质环境监测与预警系统，具体包括基础信息、监测、评估、预警4个模块。在基础信息模块使用遥感技术，在监测模块使用无人机技术，评估模块使用人工智能技术，预警模块使用大数据、云计算和手机APP技术。通过融合传统的地灾评估方法和最新的数字化技术，多个功能相互结合，可为监测和预测矿山地质灾害的发生提供一套可行的方法。