天空地一体化技术在尾矿库监测预警中的应用

高小盼 张志学 宋金蕊 张红霞 赵生辉 李彩虹

（1.万桥信息技术有限公司，甘肃兰州730000；2.兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰州730000）

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或工业废渣的场所［1］。尾矿库是一座重大危险源，在国际灾害事故排名中位列第18位，对下游居民及设施的安全构成严重威胁［2］。我国是尾矿库大国，有尾矿库12 655座，其中有4 910座危库、险库和病库，占38.8%。近年来，各个国家对尾矿库的管理水平不断提高，运用的监测技术丰富多样。对尾矿库主要的监测内容包括位移、渗流、干滩、库水位、降水量等［3］。

随着高分辨率卫星和无人机技术的不断进步，运用卫星遥感技术、倾斜摄影和地面传感器相结合的方式对尾矿库进行天空地全方位、立体化的监测方法越来越受到研究者青睐和重视。本项目利用卫星遥感技术对尾矿库所在地理位置区域进行宏观观测，观测结果形成卫星底图；利用无人机航拍技术生成尾矿库空间三维数字模型，对尾矿库进行细粒度的直观监管和动态三维模型制作；利用传感器技术对尾矿库表面位移、内部位移、浸润性、库水位等进行实时在线监测，能够细致微观地对影响尾矿库安全的关键因素进行实时监测。基于本文提出的卫星遥感技术、无人机航拍技术和在线监测技术相结合的天空地一体化技术，将会使尾矿库的安全性能大幅度提升，更好地实现安全预警，减少安全事故。该方法在国内某市150多座尾矿库监测平台中实际应用，截止发稿日期系统已稳定运行2 a以上，实现安全预警事件30余次，尾矿库安全事故发生0起，做到了及时有效的安全预警。

1 研究现状概述

1.1 尾矿库稳定性研究

国内外研究学者在尾矿库稳定性方面具有诸多研究成果。文献［4］提出坝体稳定性强烈取决于毛细现象，对毛细管水在尾矿坝稳定性中所起的作用进行了研究，同时给出尾矿坝标准监测方案中应增加毛细水测量的建议；文献［5-6］基于分形几何对尾矿脱水絮凝结构变化进行研究，对尾矿库内排放细尾矿的固结过程和沉积密度进行了优化。文献［7］通过地下水渗流场的计算，对渗流场的变化规律进行了模拟和预测；文献［8］分析了尾矿库堆积到一定设计总坝高时，在洪水工况和正常工况下坝体浸润线的变化规律；文献［9］分析了尾矿坝稳定性的影响因素，主要包括堆积体过高、坡度过陡、堆积体下面有昔格达组软层、不平衡力随时间变化等；文献［10］通过对某尾矿库在地震作用下的整体稳定性的分析，得出在大烈度地震作用下局部有发生液化垮坝的危险，位移及速度最活跃的区域出现在尾矿库的坝底和坝顶边缘；文献［11］以某矿山生产的粗尾砂和细尾砂为堆坝材料，对粗、细尾砂在堆坝过程中渗流规律进行对比研究。

1.2 尾矿库安全监测研究现状

尾矿库安全监测主要使用GPRS、GIS、ZigBee、GPS、总线技术等对尾矿库表面位移、内部位移、浸润性、库水位等进行实时监测，最终将数据加载到GIS上供管理者决策和使用，部分研究学者也使用了三维模型、无人机技术等对尾矿库进行安全监测，但都使用较为片面。黄湘俊、许同乐等［12］提出一种基于CAN总线的尾矿库在线监测预警系统，解决了基于RS-485总线的数据通信效率低、可靠性低、应用不灵活等问题；张飞燕［13］设计了GPRS与GSM相结合的无线监测系统监控尾矿坝；黄青青等［14］基于Unity3D平台实现了对某尾矿库的三维可视化，较为直观地对尾矿库矿岩位置和构造产状关系等进行展示；李忠奎和廖国礼［15］以浸润线、防洪能力、坝体位移和降雨量作为尾矿库安全的主要监测指标，设计了尾矿库溃坝监测预警系统；谢旭阳等［16］在建立尾矿库区域性预警指标体系的基础上，利用支持向量机的方法，建立了尾矿库区域预警模型；曾群伟等［17］提出将浸润线、防洪容量等作为尾矿库在线自动监测的指标；吕金辉和郭忠林［18］设计了一种基于B/S模式下分布式尾矿库安全监测系统；汪金花和李富平［19］以河北省唐山地区为例，开发基于GIS尾矿资源管理系统；孟晓丽［20］完成了基于无线传感网络的尾矿库坝体形变监测预警系统；何学文等［21］设计了一种基于ZigBee无线传感器网络和LabVIEW的监测预警系统对钨矿尾矿库安全进行在线监测；许同乐等［22］为保证传输系统的稳定性和可靠性，提出利用光纤和GPRS技术传输尾矿库监测数据；雷霆等［23］采用网络编程技术，以SQLServer2005为数据库平台，开发了集“感、传、知、用”于一体的尾矿库监测信息数据管理与分析预警软件。

2 天空地一体化监测预警体系

2.1 天—卫星遥感技术

（1）卫星底图。尾矿库的监管工作，从管理角度最重要的就是要摸清底数，尾矿库的具体位置，周边是否有敏感区域，尾矿库的类型、大小等信息都可以通过高分辨率遥感技术来提供。按照行政区域、流域分布图，每个尾矿库的具体信息都被详细地标注。从抽象的理论数据、表格到直观具体的彩色图片，高分辨率遥感的应用为尾矿库的监管，特别是重点库的管理提供了更多样的形式。根据地面监测的信息，结合高分辨率遥感数据对重点库进行有针对性的排查，尾矿库防护措施和环保设施能够直观地反映在卫星底图上。图1所示国内某地区尾矿库分布图，可以在卫星地图上通过尾矿库类别进行直观的标绘，点击某标绘点时可对该尾矿库的基本信息进行查看。

（2）尾矿库坝体演变。以高分辨率遥感卫星影像作为尾矿库监测预警底图，能直观反映地貌现状变化，可以帮助尾矿库监管部门在重点区域定时进行有针对的排查，及时地开展监管与执法行为。通过一定时间段的卫星影像积累可以直观地反映出尾矿库在一定时间段范围内尾矿库周界与坝体发生的宏观变化。如图2所示，可以直观反映出某尾矿库2016年6月9日至2016年10月24日，近半年以来坝体的宏观变化情况，可以供尾矿库管理人员进行宏观监管。

（3）尾矿库专题影像图。利用卫星遥感技术获得尾矿库DEM（数字高程模型）数据和DOM（数字正射影像图）数据，可以将生产的模型数据叠加到三维模型上，对尾矿库进行基于DEM和DOM的三维可视化和分析，如图3所示。

2.2 空—无人机倾斜摄影与三维建模

基于无人机倾斜摄影技术进行三维模型建立已经在矿山［24］，校园三维模型构建［25］，道路工程建设［26］中积累了大量丰富的案例和技术经验，但在尾矿库安全监测领域应用的案例或研究仍未被广泛尝试。本项目利用无人机倾斜摄影技术对尾矿库进行三维模型构建，如图4所示。通过三维建模与演示，可以在尾矿库监测预警的虚拟现实环境中，查看三维仿真模型，具备缩放、旋转、漫游等功能。

三维模型制作完成后，将尾矿库三维模型叠加到三维WebGIS系统中，能够更加直观地在地图上查看尾矿库三维模型，包括安装在坝体上每个传感器监测点位的位置信息和详细信息。图5所示基于WebGIS的尾矿库在线监测点位分布图。

2.3 地—基于传感实时在线监测预警

在遥感卫星数据和无人机航拍三维模型的基础上，按照国家相关标准可以对尾矿库在线安全监测系统相关数据进行基于地图和三维模型的展示，更加精细化地实现尾矿库的监测和预警。尾矿库安全监测项目应根据设计等别、尾矿坝筑坝方式按照表1确定。

在尾矿库在线监测系统的基础上，通过与系统对接实现对各个关键数据的实时传输和采集。图6分别表示通过接口采集到的某尾矿库在一段时间内的表面位移、库水位、雨量和浸润线的实时监测数据。

尾矿库数据采集完成后，在国家规范的指导下对尾矿库的各类监测数据预警阈值进行集中设置。当所监测的数据超过预警阈值时能够对监测项进行自动报警，并通过短信、邮件的方式通知相关人员进行紧急的事件处理和风险防范。如图7所示，某尾矿库有浸润线监测点位6个，根据国标相关规定和该尾矿库所在的实际地理位置，对初期坝坝顶的2个浸润线三级预警阈值分别设定为4.5 m、3.5 m、3 m，对马道排水沟和现状坝坝顶的浸润线预警阈值设定为8 m、7 m、6 m。图8表示该尾矿库在2019年8月13日14∶10时采集的传感器数据，所有的监测数据皆在阈值范围内。

3 结论

（1）利用卫星遥感技术、无人机技术和传感器技术实现天空地一体化的尾矿库实时监测预警，实现了以往尾矿库监测仅注重尾矿库微观监测而缺少对整体监测和宏观把控的问题。

（2）在卫星监测数据与传感器监测数据的基础上，利用WebGIS技术对数据进行加载和呈现，使得尾矿库监管更加直接和便利。

（3）本研究提出的尾矿库监测预警方法仅考虑了技术手段，在与人工辅助监测手段结合实现尾矿库“群测群防，一库一策”方面，没有进行深入细致的研究和论述，某些情况下仅凭技术进行尾矿库监管会导致监管不全面的问题。应该采用一些互联网技术手段，将尾矿库管理人员和日常巡坝结果结合起来，更好地实现尾矿库全面管理。