GPS和GIS在金堆城露天礦邊坡監測預警系統中的應用

李亞玲

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西華縣714102)

0 引言

金堆城鉬礦是一個露天開采且已經歷了50余年開采的老礦山。隨著國民經濟需求的不斷增長，礦山開采規模的不斷擴大，其露天采場已經由最初的山坡露天礦轉為深凹露天開采。目前，整個露天礦采場邊坡高度已達100～200 m，北幫、東幫發生了不同程度的垮塌失穩現象。隨著邊坡監測高度的增加，監測范圍的擴大及監測點數量的增多，邊坡監測人員的作業環境越來越差，以往的監測方法已經很難滿足對地質災害及時準確的預警。全球定位系統(GPS)具有速度快、全天候、自動化、可同時測定點的三維坐標及精度高等優點，結合GIS技術和網絡通信技術，實現對礦區地質災害數據的全天候無人采集、自動快速傳輸、實時結算處理、監測信息可視化以及短信群發式預警，達到對邊坡的全天候無人輔助的實時監測和預警。

1 系統總體設計

1.1 總體架構

系統采用硬、軟件集成的方式來構建，在需要重點監測的典型區域(包括北幫、東幫、北溝、南幫、馬路溝)分別布設了總計40個監測站點和3個基準點，這些監測點和基準點通過光纖將獲取的信息傳送回監控中心，通過架設在監控中心的軟件平臺進行數據處理、信息存儲、數據分析。

1.2 技術路線

采用GPS監測站和參考站連續、實時地獲取GPS觀測數據，通過光纖傳輸將數據傳到管理中心控制室，存儲在 SQL Server數據庫上，利用 ArcEngine開發平臺進行二次開發，在 Visual Studio.net框架平臺上進行集成，實現GPS監測數據的實時處理，礦區監測點變形量與變形趨勢的統計分析，信息的圖形顯示、預警預報、打印輸出等功能。

1.3 硬件功能設計

高精度GPS實時監測系統的硬件系統主要由兩部分組成:

(1)數據采集和監測終端。包括GPS數據采集系統和數據傳輸系統。數據采集系統由GPS接收機、GPS天線和電源組成，在非變形區建設3個連續觀測的GPS定位參考站，在變形區根據地質條件建立監測站;數據傳輸系統，采用光纖通訊技術將各監測點和參考站采集到的GPS原始觀測數據實時傳送到數據處理中心。

(2)監控中心。對發送回來的監測數據進行計算、分析、存儲、顯示、輸出，根據計算結果實時監控變形區域，并對特殊情況進行及時報警和響應。

1.4 軟件功能的設計

本監測系統的軟件部分主要是以接收到的GPS觀測數據為基礎，經過計算、分析，做出顯示和預測。因此從功能上將監測軟件分為通信管理設置模塊、數據處理模塊、數據管理模塊和可視化模塊4個部分。

1.5 用戶界面設計

本系統采用Windows的通用界面模式，利用下拉列表框供用戶選擇相關參數，減少用戶輸入參數的麻煩，使界面操作便捷，更加人性化。

2 系統功能模塊的設計

2.1 信息管理

信息管理功能包括了對系統內的GPS監測點和滑坡體的相關信息的編輯(包括增加、刪除、修改)，系統報警功能的相關人員設置，以及每天的天氣狀況設置。其中，對監測點和滑坡體的信息修改又包括了空間信息和屬性信息兩方面。天氣設置中，可以對輸入天氣對話框的提示時間進行設置，也可以對歷史時間進行查詢和修改。

2.2 視圖操作

視圖操作包括了對系統的二維和三維地圖進行操作，其中，二維地圖包括對平面地圖的放大、縮小、平移、全圖、點選的操作;三維地圖包括對遙感地圖和渲染地圖的瀏覽和飛行功能。

2.3 監測分析

主要是對礦區內布設的滑坡體和監測點進行監測，并對24小時的監測數據進行計算、處理和分析，提供對歷史數據和實時數據的曲線圖顯示，直觀地表明監測區域的位移情況。其中，對滑坡體的位移監測主要是對滑坡體內包含的所有監測點監測的綜合。

2.4 位移報警

主要是在日常的監測中通過對實時監測數據計算后對比預設的報警閥值，對超出閥值的情況以短信、郵件和客戶端界面通知的方式報備相關部門負責人，以便應急調度。

2.5 設備報警

通過監測設備傳回來的數據時間，判斷設備的運行狀態，如果一定時間內沒有數據進入數據庫，就會自動生成設備報警信息對指定用戶進行發送。

2.6 預測評價

包括點位移預測和滑坡體穩定性評價。點位移預測是根據選定最近的一個周期內的數據，通過灰度模型對下一時刻監測的的位移狀況進行預測。滑坡體穩定性評價是根據當前選定的滑坡體中所有監測點的最近一個周期的數據，結合天氣狀況，自動選擇不同的凝聚力參數和內摩擦角參數對當前滑坡體的穩定性進行評價。

2.7 監測報告

監測報告是整合監測數據圖表形成word格式的報告文檔，提供對歷史和實時數據的報告查看。

3 系統應用

圖1 報警監測點的地圖定位

在此點上點擊鼠標右鍵，彈出監測信息選項單:圖選“實時信息”，可以自動切換到實時曲線的界面，選擇“歷史曲線”會切換到歷史曲線的界面，如圖2為報警監測點2013年7～8月份的歷史曲線圖。

如果BB02頻繁發生報警，可以根據不同點的特殊情況來設置不同的閥值，選擇“位移報警”中的“位移報警等級”進行X、Y、Z閥值修改。同時，監測人員可以通過菜單“位移報警”中的“報警方式”選擇所需要的報警方式。

圖2 監測點的歷史曲線圖

系統的預測和評價功能，可以根據前期數據對未來監測點的位移方向進行預測，也可以對滑坡體的穩定性進行評價。通過菜單“預測評價”中“點位移預測”，選擇BB02監測點，根據歷史曲線，預測BB02下一時段的偏移方向。如下圖3所示。

圖3 監測點預測曲線圖

監測報告的生成，服務器會在每個月的月初對上個月的監測數據做出報告，用戶可以通過界面查看。同時，用戶也可以自定義報告，進行相關內容的查看，包括報警統計信息、歷史曲線信息、位移預警信息、滑坡體穩定性評價信息等。

4 結論

目前，隨著GPS測量技術的不斷完善和測量精度的不斷提高，以及GPS不受氣候及晝夜影響的優勢，GPS在變形監測中得到越來越廣泛的應用。經過一年多的研發，在金堆城露天礦建成了5個滑坡體、40個GPS監測點，3個GPS基準站的位移監測系統。通過近半年時間的實際應用，該軟件平臺具有實時性、準確性、易操作性。為露天礦的邊坡監測提供了可視化支持，并能實時對潛在的變形風險進行預報，為金堆城露天礦的邊坡變形的研究和治理提供輔助化決策支持。

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［2］俞得響 鄒雙朝.GPS技術在滑坡變形監測中的應用［J］.地理空間信息，2009，(1):55-58.

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