基于3S技术集成的矿区生态监测研究

刘春和，龙 柱

（湖南省有色地质勘查局二总队，湖南 湘潭 411102）

随着金属矿区开发规模不断扩大，矿区地质灾害发生率逐渐上升，不仅影响了区域地质结构的稳定性，也对安全生产及效益增收造成不利[1]。矿山开采不仅破坏生态环境和地貌景观，更易引起地质灾害[2-4]，由此对于矿山生态环境的监测、质量评价和治理就显得尤为重要[5]。以3S技术为核心的空间信息技术在科技与经济加速发展的带动下发展快速，使得矿山测量的难题得到有效解决[6]。为基本掌握矿山采空区地面变形影响范围区的剩余移动特征，预测未来变化发展趋势，对采空区地面变形影响范围区进行地面变形监测。通过定期重复观测，积累准确、可靠的监测数据，为后续控制或防治地面变形提供规划和决策依据，为后续治理工程设计与施工提供工程参考数据。地面变形监测对象有地表水平位移、地表垂直位移以及地表裂缝等。具体来说，就是按照采空区地面变形影响范围区分布情况、开采深度、地质条件变化、地表变形异常、监测目的等情况布设。

对地下水环境进行动态监测的目的在于，查明水文地质条件，如地下水径流、补给以及排泄条件等。当明确矿区所处地下水动态规律，就可为地下水资源科学管理提供可靠的科学数据。具体检测工作，需在地下水动态检测过程安装自动监测仪进行监测，以监测地下水水位变化趋势为主，记录日内最高水位、最低水位及其发生时间。

为了明确2019年度～2022年度生态系统恢复现状，采用无人机对全区进行航拍摄影，对矿区生态格局和社会环境进行空中（航拍）监测，明确生态系统恢复现状。生态宏观监测以无人机对全区进行航拍摄影，制作DLG（数字线划图）的方式进行。工程监测使用无人机对全区进行航摄，制作DOM（数字正射影像图），并对分项分部工程进行录像与摄影。

1 作业区自然地理概况

1.1 矿区地理位置

谭家山镇处在湘潭县中南部，与县城距离约15km。107国道由北往南穿境而过，将该镇划分为东西两个区域。群山环绕簇拥，山、路、水、林、田相互交错，属典型的丘陵地区。如图1所示，为谭家山镇区域的行政地图。

图1 区域行政地图

谭家山矿区地处印支与燕山山脉的褶皱带，且湘东裂谷新生代株洲盆地与湘潭盆地间的断隆区。地质构造为东西方向发育。矿区内的气候环境温和，全年湿润多雨，无严寒酷暑等恶劣情况，属温热带气候条件。年均降雨量在1700mm～2000mm之间，是地下水补给的主要来源。由于矿区内部无河流，所以地表水系发育较差。据勘察，矿区内部以矿区中心的士地庙区水文地质条件最为复杂。

1.2 矿区采空区

成立于1958年的谭家山矿，位于湘潭县谭家山镇境内，经过数十年大规模、高强度的开采，形成的采空区具有面积大特点。再加上，土地资源的浪费问题严重，出现了水土流失与环境污染问题。矿区开采过程的人居安全问题频发，已经被列为省内重点救灾项目。谭家山矿区累计开采量达到1500万吨以上，谭家山矿区资源不仅已经临近枯竭，而且在采空区形成了大面积的沉陷。采空区上覆岩层土体受到重力问题影响出现了剥离、弯曲甚至是冒落现象。此地质背景下，土体与建筑物出现了大面积变形，在降低耕地质量的同时，还对生态环境造成严重影响。据勘测，在7.88平方公里矿区，沉陷区面积高达6.8平方公里，其中采空区面积达3.08平方公里。

2 监测实施原理

2.1 地面监测系统基准网

在工程区域外稳定可靠的位置，布置的检测基准点有4个。结合实际情况，将布设在金泉村的基准点，作为监测工作基点。同时在老关-谭家山公路附近布设一个基准点，在铁炉村布设一个基准点，在谭家山村以东位置布设一个基准点。由此，就形成了四边形网，用作水平与垂直位移方向的检测基准网络。基准点前冠以JD1、JD2、JD3、JD4标示，基准点埋设需按照规格进行，生态修复工程监测部署图如图2所示。

图2 生态修复工程监测部署图

本次项目采用GPS单点定位方法获得基准站点位三维坐标。基准点坐标值以现场人力采集数据为主，使用四台GPS接收机安置在基准点上，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，以获得点位坐标值。同时测站点（监测站）点位的布设应能保证与基准点之间的通视，通视可观测到测站点，如图3所示，测站点坐标值同样采用GPS单点定位方法。

图3 测站点布设示意图

2.2 地表位移监测

位移监测剖面布设（水平位移、垂直位移）在采空区地面主变形区（DB01-DB04）及潜在变形区布设方格控制网监测剖面，控制主变形区及潜在变形区水平、沉降变化情况。方格网监测剖面与等高线近似垂直，自南向北跨过变形区及潜在变形区。监测点位选择应根据变形体的几何特征、变形特征等确定监测点。若测区观测条件困难，应尽量将观测点布设在能反映变形体稳定性状态监测断面上。布设地表水平与垂直位移监测点66个，点间距150m～200m不等，如图4所示。

图4 地表水平与垂直位移监测点

监测点一般布设变形区域上能代表变形体位移变化的监测断面上，用于全站仪观测之用。采空区地表建筑物监测点位选择应根据变形体的几何特征、变形特征等确定监测点，布设建（构）物垂直位移监测点364个，每座重点建（构）物房柱布设2个～3个点。监测方法如下：

（1）监测控制网建立。先对各个基准点进行确定，并把测站点的高程与平面坐标，作为动态检测的参照。

（2）监测点学习。由于监测处在软件控制环境下，因此，需要逐点进行监测点角度与距离的测量学习，即通过录入数据库系统，来为后续的监测提供自动定位数据信息。

（3）日常监测。运用AutoMos Monitor及CDMA以及通讯模块。并设置差分基准点形成联测方案。对于每台仪器监测的变形监测点，应根据既定观测数据遵循再散点观测原则来开展检测现场学习。学习完成后，来确定检测时间间隔与各点的观测顺序。由此，再经上述软件模块，来完成自动化的常规监测控制。

2.3 地表裂缝监测

根据地裂缝的长度、宽度、走向等情况，布设地表巨型裂缝LF01监测点11处，另地质断裂带可能高发处布设3个监测点，如图5所示。

图5 地表裂缝监测部署图

观测过程中应用固定钢尺或卷尺对简易裂缝监测点进行量测。每次采集数据时应采用多次量测的方法，最后取其平均值作为本次测量的最后结果进行记录计算。巨型裂缝监测点采用高智能型测缝计进行自动观测，自动存储每次所测量的数据，循环记录。

2.4 地下水自动监测

地下水动态监测网点的密度，需按照水文地质情况、地下水资源供水条件以及动态监测结果，区域地下水位变化情况合理地选定。对于主要监测线，应设置专门的监测机构。具体来说，就是在监测线外，设置由勘探孔、探采、民井结合孔以及机井构成的自动监测系统。本次共设置11个监测孔，并安装自记水位采集仪，如图6所示。

图6 水位监测部署图

对11个水文勘察钻孔安装地下水自动监测装置，监控矿区地下水位变化趋势，施工期和竣工后一年监测，监测频率20min一次，监测周期48个月。静水位测量，两次测量最大误差不大于±1cm/10m。

2.5 生态恢复监测

为了明确2019年度～2022年度生态系统恢复现状，采用无人机对治理范围全区进行航拍摄影。地面像元分辨率一般不得低于0.08m。航向重叠一般应在60%～80%之间，旁向重叠在40%～60%之间。通过生态宏观监测对矿区生态格局和社会环境进行空中（航拍）监测，每年度全域一次。

在测区四周各布设一个像控点，中间布设一个像控点，共布设5个像控点。如精度达不到要求时，需合理增加像控点，以保证精度。像控点布设主要在Google Earth上进行，采用KMZ模式，得到最终的像控点分布图。使用网络CORS对像控点进行量测，测量过程中将像控点的点位编号、坐标值和拍摄控制点的远景与近景照片进行汇总。设置无人机航线并进行航拍，使用软件进行数据处理，将无人机航拍正射影像图和外业采集的像控点数据进行处理，生成数字线划图（DLG）。之后对野外得到的原始影像进行预处理，制作快拼图。进行空三加密，控制点选择了整个区域的四周控制点以及中心点5个，导入控制点数据。随即进行DEM生产密集匹配，点云处理，一键式生产数字高程模型DEM。然后进行DOM生产，经过正射拼接，正射编辑等操作得到DOM（正射影像图）。根据以上DOM和DEM成果利用软件进行数字线划图DLG。在预处理好原始数据之后，主要处理步骤有确定监测点、测量空中三角、形成正射影像和重建三维模型。

3 监测数据整理与分析

3.1 变形和水位监测数据整理

为给变形监测成果提供便利的条件，需把变形值设置成各种图表形式。具体就是将变形监测成果绘制成变形监测位移增量表与变形过程线，来进行分析。这里的变形监测，要处于相对变形状态。在整理观测数据信息过程中，初始值，应确定为各个观测点的零周期值。并对每次观测值获取后的数据进行初始值差的计算，以获取观测点从零周期开始积累变形量与观测点情况。此外，观测点相邻周期的变形量，可通过形成位移增量成果表，并绘制出变形过程线图。这一线图，要把时间作为横坐标，累积变形值为纵坐标，以反映出变形的趋势、幅度和规律。此外，监测数据整理人员还可根据变形过程线图来判断变形体的稳定性状态。

3.2 变形分析

按照实际监测获得的变形值，经整编得出的图形与表格，能够明确反映出变形的规律、幅度和趋势。通过长期观测，能够对变形的规律进行掌握，进而确定观测点变形的范围示意图。对于异常情况，如坡底违规临空开采、违规加载开挖等问题出现，就可从变形值超出变化范围进行判断。换句话说，就是根据变化范围示意图来确定变形体是否处于正常状态。当实际分析缺乏理论根据时，就可根据此情况进行变形分析。在变形进行几何分析的过程中，应对变形体的大小与形状进行描述，以确定变形发生所处的空间状态与时间特征，进而更好的确定监测目标的作用状态。具体分析数据有：参考点的稳定性情况、观测值的质量情况以及变形模型参数的估计情况。值得注意的是，变形的几何分析只能对变形体的体积与大小变化进行描述，无法对变形原因做出解释。要想掌握变形体与变形原因间的关系，需从物理角度，对变形体与变形因素之间的函数关系进行分析确定。这样一来，就可对变形的发生原因作出解释，并对变形的发展趋势进行预报。本文采用的是统计分析法中的回归分析法来进行物理解释。因变形原因的物理解释需要多学科知识的汇总，无法由测量人员完成。因而，在动态监测过程中，如出现异常变形情况，应交由岩土工程技术人员或是工程地质技术人员，协同分析变形出现与加剧的原因。

4 结语

本文基于3S集成技术对矿区的采空区域进行地面、地下水以及生态修复监测，分析变形情况并预判采空区的变形趋势，3S技术的融合在矿山生态环境修复的预测和防治中发挥关键作用，为相关部门提供险情预警。