天空地一體化技術在尾礦庫監測預警中的應用

高小盼 張志學 宋金蕊 張紅霞 趙生輝 李彩虹

（1.萬橋信息技術有限公司，甘肅蘭州730000；2.蘭州大學信息科學與工程學院，甘肅蘭州730000）

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的、用以貯存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或工業廢渣的場所［1］。尾礦庫是一座重大危險源，在國際災害事故排名中位列第18位，對下游居民及設施的安全構成嚴重威脅［2］。我國是尾礦庫大國，有尾礦庫12 655座，其中有4 910座危庫、險庫和病庫，占38.8%。近年來，各個國家對尾礦庫的管理水平不斷提高，運用的監測技術豐富多樣。對尾礦庫主要的監測內容包括位移、滲流、干灘、庫水位、降水量等［3］。

隨著高分辨率衛星和無人機技術的不斷進步，運用衛星遙感技術、傾斜攝影和地面傳感器相結合的方式對尾礦庫進行天空地全方位、立體化的監測方法越來越受到研究者青睞和重視。本項目利用衛星遙感技術對尾礦庫所在地理位置區域進行宏觀觀測，觀測結果形成衛星底圖；利用無人機航拍技術生成尾礦庫空間三維數字模型，對尾礦庫進行細粒度的直觀監管和動態三維模型制作；利用傳感器技術對尾礦庫表面位移、內部位移、浸潤性、庫水位等進行實時在線監測，能夠細致微觀地對影響尾礦庫安全的關鍵因素進行實時監測。基于本文提出的衛星遙感技術、無人機航拍技術和在線監測技術相結合的天空地一體化技術，將會使尾礦庫的安全性能大幅度提升，更好地實現安全預警，減少安全事故。該方法在國內某市150多座尾礦庫監測平臺中實際應用，截止發稿日期系統已穩定運行2 a以上，實現安全預警事件30余次，尾礦庫安全事故發生0起，做到了及時有效的安全預警。

1 研究現狀概述

1.1 尾礦庫穩定性研究

國內外研究學者在尾礦庫穩定性方面具有諸多研究成果。文獻［4］提出壩體穩定性強烈取決于毛細現象，對毛細管水在尾礦壩穩定性中所起的作用進行了研究，同時給出尾礦壩標準監測方案中應增加毛細水測量的建議；文獻［5-6］基于分形幾何對尾礦脫水絮凝結構變化進行研究，對尾礦庫內排放細尾礦的固結過程和沉積密度進行了優化。文獻［7］通過地下水滲流場的計算，對滲流場的變化規律進行了模擬和預測；文獻［8］分析了尾礦庫堆積到一定設計總壩高時，在洪水工況和正常工況下壩體浸潤線的變化規律；文獻［9］分析了尾礦壩穩定性的影響因素，主要包括堆積體過高、坡度過陡、堆積體下面有昔格達組軟層、不平衡力隨時間變化等；文獻［10］通過對某尾礦庫在地震作用下的整體穩定性的分析，得出在大烈度地震作用下局部有發生液化垮壩的危險，位移及速度最活躍的區域出現在尾礦庫的壩底和壩頂邊緣；文獻［11］以某礦山生產的粗尾砂和細尾砂為堆壩材料，對粗、細尾砂在堆壩過程中滲流規律進行對比研究。

1.2 尾礦庫安全監測研究現狀

尾礦庫安全監測主要使用GPRS、GIS、ZigBee、GPS、總線技術等對尾礦庫表面位移、內部位移、浸潤性、庫水位等進行實時監測，最終將數據加載到GIS上供管理者決策和使用，部分研究學者也使用了三維模型、無人機技術等對尾礦庫進行安全監測，但都使用較為片面。黃湘俊、許同樂等［12］提出一種基于CAN總線的尾礦庫在線監測預警系統，解決了基于RS-485總線的數據通信效率低、可靠性低、應用不靈活等問題；張飛燕［13］設計了GPRS與GSM相結合的無線監測系統監控尾礦壩；黃青青等［14］基于Unity3D平臺實現了對某尾礦庫的三維可視化，較為直觀地對尾礦庫礦巖位置和構造產狀關系等進行展示；李忠奎和廖國禮［15］以浸潤線、防洪能力、壩體位移和降雨量作為尾礦庫安全的主要監測指標，設計了尾礦庫潰壩監測預警系統；謝旭陽等［16］在建立尾礦庫區域性預警指標體系的基礎上，利用支持向量機的方法，建立了尾礦庫區域預警模型；曾群偉等［17］提出將浸潤線、防洪容量等作為尾礦庫在線自動監測的指標；呂金輝和郭忠林［18］設計了一種基于B/S模式下分布式尾礦庫安全監測系統；汪金花和李富平［19］以河北省唐山地區為例，開發基于GIS尾礦資源管理系統；孟曉麗［20］完成了基于無線傳感網絡的尾礦庫壩體形變監測預警系統；何學文等［21］設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡和LabVIEW的監測預警系統對鎢礦尾礦庫安全進行在線監測；許同樂等［22］為保證傳輸系統的穩定性和可靠性，提出利用光纖和GPRS技術傳輸尾礦庫監測數據；雷霆等［23］采用網絡編程技術，以SQLServer2005為數據庫平臺，開發了集“感、傳、知、用”于一體的尾礦庫監測信息數據管理與分析預警軟件。

2 天空地一體化監測預警體系

2.1 天—衛星遙感技術

（1）衛星底圖。尾礦庫的監管工作，從管理角度最重要的就是要摸清底數，尾礦庫的具體位置，周邊是否有敏感區域，尾礦庫的類型、大小等信息都可以通過高分辨率遙感技術來提供。按照行政區域、流域分布圖，每個尾礦庫的具體信息都被詳細地標注。從抽象的理論數據、表格到直觀具體的彩色圖片，高分辨率遙感的應用為尾礦庫的監管，特別是重點庫的管理提供了更多樣的形式。根據地面監測的信息，結合高分辨率遙感數據對重點庫進行有針對性的排查，尾礦庫防護措施和環保設施能夠直觀地反映在衛星底圖上。圖1所示國內某地區尾礦庫分布圖，可以在衛星地圖上通過尾礦庫類別進行直觀的標繪，點擊某標繪點時可對該尾礦庫的基本信息進行查看。

（2）尾礦庫壩體演變。以高分辨率遙感衛星影像作為尾礦庫監測預警底圖，能直觀反映地貌現狀變化，可以幫助尾礦庫監管部門在重點區域定時進行有針對的排查，及時地開展監管與執法行為。通過一定時間段的衛星影像積累可以直觀地反映出尾礦庫在一定時間段范圍內尾礦庫周界與壩體發生的宏觀變化。如圖2所示，可以直觀反映出某尾礦庫2016年6月9日至2016年10月24日，近半年以來壩體的宏觀變化情況，可以供尾礦庫管理人員進行宏觀監管。

（3）尾礦庫專題影像圖。利用衛星遙感技術獲得尾礦庫DEM（數字高程模型）數據和DOM（數字正射影像圖）數據，可以將生產的模型數據疊加到三維模型上，對尾礦庫進行基于DEM和DOM的三維可視化和分析，如圖3所示。

2.2 空—無人機傾斜攝影與三維建模

基于無人機傾斜攝影技術進行三維模型建立已經在礦山［24］，校園三維模型構建［25］，道路工程建設［26］中積累了大量豐富的案例和技術經驗，但在尾礦庫安全監測領域應用的案例或研究仍未被廣泛嘗試。本項目利用無人機傾斜攝影技術對尾礦庫進行三維模型構建，如圖4所示。通過三維建模與演示，可以在尾礦庫監測預警的虛擬現實環境中，查看三維仿真模型，具備縮放、旋轉、漫游等功能。

三維模型制作完成后，將尾礦庫三維模型疊加到三維WebGIS系統中，能夠更加直觀地在地圖上查看尾礦庫三維模型，包括安裝在壩體上每個傳感器監測點位的位置信息和詳細信息。圖5所示基于WebGIS的尾礦庫在線監測點位分布圖。

2.3 地—基于傳感實時在線監測預警

在遙感衛星數據和無人機航拍三維模型的基礎上，按照國家相關標準可以對尾礦庫在線安全監測系統相關數據進行基于地圖和三維模型的展示，更加精細化地實現尾礦庫的監測和預警。尾礦庫安全監測項目應根據設計等別、尾礦壩筑壩方式按照表1確定。

在尾礦庫在線監測系統的基礎上，通過與系統對接實現對各個關鍵數據的實時傳輸和采集。圖6分別表示通過接口采集到的某尾礦庫在一段時間內的表面位移、庫水位、雨量和浸潤線的實時監測數據。

尾礦庫數據采集完成后，在國家規范的指導下對尾礦庫的各類監測數據預警閾值進行集中設置。當所監測的數據超過預警閾值時能夠對監測項進行自動報警，并通過短信、郵件的方式通知相關人員進行緊急的事件處理和風險防范。如圖7所示，某尾礦庫有浸潤線監測點位6個，根據國標相關規定和該尾礦庫所在的實際地理位置，對初期壩壩頂的2個浸潤線三級預警閾值分別設定為4.5 m、3.5 m、3 m，對馬道排水溝和現狀壩壩頂的浸潤線預警閾值設定為8 m、7 m、6 m。圖8表示該尾礦庫在2019年8月13日14∶10時采集的傳感器數據，所有的監測數據皆在閾值范圍內。

3 結論

（1）利用衛星遙感技術、無人機技術和傳感器技術實現天空地一體化的尾礦庫實時監測預警，實現了以往尾礦庫監測僅注重尾礦庫微觀監測而缺少對整體監測和宏觀把控的問題。

（2）在衛星監測數據與傳感器監測數據的基礎上，利用WebGIS技術對數據進行加載和呈現，使得尾礦庫監管更加直接和便利。

（3）本研究提出的尾礦庫監測預警方法僅考慮了技術手段，在與人工輔助監測手段結合實現尾礦庫“群測群防，一庫一策”方面，沒有進行深入細致的研究和論述，某些情況下僅憑技術進行尾礦庫監管會導致監管不全面的問題。應該采用一些互聯網技術手段，將尾礦庫管理人員和日常巡壩結果結合起來，更好地實現尾礦庫全面管理。