基于遙感技術的礦山水工環地質勘查信息評價系統設計

姚文靜

（山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014）

對于資源需求的不斷增加促使礦產資源的開發力度不斷提升，由此帶來的礦產勘查熱潮也促進了相關行業的技術發展[1]。在探測到礦產信息后，需要對礦區的水工環地質環境進行全面勘查，這樣做的目的一方面是為了幫助施工建設階段作出正確決策，提高項目布置的合理性，另一方面，也是保障礦產開采過程中人員、財產安全，為此，對勘查到的信息進行分析，作出客觀評價是十分重要的[2]。與其他類型的信息評價相比，地質信息評價涉及的因素更多，不僅是對現有地質數據結構的評價，還要結合礦區的實際環境條件，對未來長期內的地質數據發展趨勢作出分析，這就對評價工作提出了更高的要求。但隨著現代技術的發展，對數據的采集和計算能力逐漸提高，將其應用在地質信息的評價中將會大大提高評價結果可靠性[3]。基于此，本文提出基于遙感技術的礦山水工環地質勘查信息評價系統設計。分別在硬件和軟件兩個方面作出了具體設計，并通過實驗驗證了所提方法的有效性。通過本文，以期為提高礦山施工的安全性提供幫助。

1 硬件設計

1.1 數據傳輸器

遙感技術采集到的信息是以三維的形式存在，其可以最大限度實現對信息的準確采集，而由于地質環境是以極微弱的程度持續變化，因此，需要一個高效的信息傳輸設備完成對遙感數據的實時傳輸，這也是確保評級結果可靠性的關鍵因素。為此，本文選用四信集團的無線數據傳輸設備F2C16作為系統的信息傳輸設備。其具有全工業級芯片設計，運行條件允許寬溫寬壓，為惡劣無人值守現場穩定運行提供了基礎，同時超低功耗也方便其在取電困難的現場使用，已經有50萬終端遍布電力、工業等現場，驗證了其可靠無故障在線運行的性能。其次，其自帶的WDT看門狗設計也提高了對設備運行狀態的監測，當設備出現異常時，完備的防掉線機制也可維持數據終端持續在線；內嵌的Cat.1模組支持LTE和GSM三模通信，因此覆蓋范圍更廣、傳輸速率更高、運行功耗更低。

1.2 處理器

中央處理器是本文設計系統運行的主要設備，其是對地質數據計算和分析的核心部件。考慮到地質數據規模較大，需要處理器具有更高的運行內存，因此，本文選用STM32MP1通用微處理器作為系統的處理器。其是基于混合的雙Arm Cortex-A7核和Cortex-M4核架構產品，在充分滿足多種應用的靈活性需求的同時，具備最佳性能和低功耗特性。其中，Cortex-A7內核支持開源操 作 系統（Linux/Android），Cortex-M4內 核則沿用了STM32 MCU生態系統，開發者可以輕松實現各類開發的應用。除此之外，其還支持主流開源發行版操作系統Linux以及Android操作系統，對于Cortex-M4內核的STM32Cube固件庫和嵌入式軟件包同樣適用，也可選用高級的HMI開發提供3D圖形處理功能，在高集成度特性的加持下，其封裝的兼容性更高，可以滿足低成本PCB技術和專用電源管理IC的使用需求。內置的STM32Cube工具套件包括基于GCC的IDE、STM32CubeProgrammer和STM32CubeMX，為系統提供了更加簡便和快速的服務。

2 軟件設計

（1）構建評價體系。為了實現對地質信息的評價，首先建立了以水工環指標為基礎的評價體系，為此，需要對不同指標在地質安全中的影響作用大小作出分析，而指標本身又存在多樣化的體現形式，無法以統一的標準進行度量，本文為了解決該問題，對指標進行了統一的量化處理。以指標在各自體系中的分布位置為基礎，對其危險等級進行劃分，并以每平方千米范圍內地質數據為基礎制定了如表1所示的評價體系。

表1 地質信息指標評價等級標準

其中，巖性性質按照實際巖體的劃分類別為準。以此將表1作為礦山地質信息的評價標準，評價結果等級越高，表明其危險系數越高。

（2）地質信息評價。在上文制定評價標準的基礎上，當處理器接收到信息傳輸設備發送的遙感數據后，首先需要對數據進行計算，將其轉化為與評價體系統計形式一致的表現形式。考慮到地質環境數據并非定值，而是隨著外界環境以及氣球自身運動不斷變化的，僅以當前的遙感數據為評價依據會直接影響評價結果的可靠性。本文對周期T內的遙感數據變化程度進行計算，其表示為：

其中，σ表示周期T內遙感數據的變化值，ΔB表示遙感數據的差值。礦山開采周期雖然在初始階段有預期數值，但最終的周期主要取決于施工階段的實際情況，為了確保施工階段的安全，本文以考慮不確定因素的最長施工周期為評價目標，計算在完成開采活動后的時間水工環地質數據的安全性。此時的地質數據計算方式可以表示為：

其中，B’表示預計完成開采活動時的地質數據，ts表示預計施工周期。

以此為基礎，將該數據作為評價目標，對礦山的水工環勘查結果進行評價，處理器將地質數據與評價體系之間建立對應管理，輸出不同指標的評價結果，最后將其集成化處理：

其中，λ表示礦山的安全系數，D表示不同指標的等級對照結果，N表示評價體系。

通過這樣的方式得到最終的評價結果。

3 應用測試

為了測試本文設計的評價系統對礦山水工環地質勘查信息的評價成果是否能夠滿足使用需要，本文進行了試驗測試。

（1）測試環境。實驗數據來源于開發礦山，礦區覆蓋范圍為106.3km2，區域內有明顯的斷裂構造，在礦區以南向北展布的形式存在，最大深度為3m的不規則積水池在礦區內分布有6處，面積在70m2～110m2之間。地面表層的主要構成為全新統沖擊形成的粉質黏土和塊石土，深層地質構造的主要存在形式為侏羅系中統上沙溪廟組，類型以泥巖+砂巖為主，比例約為2.6：7.4，周圍巖體主要為硬質巖，抗壓強度可達到60MPa，部分軟質巖摻雜其中，抗壓強度在30MPa左右。除此之外，區域內巖溶發育程度呈現出明顯的極化特征，礦區南部巖溶個體密度為6個/km2，其與部分密度為1個/km2～2個/km2。本文以未來180天內的礦山水工環地質安全系數為評價目標，開展了測試。

（2）實驗結果。在上述實驗環境的基礎上，利用本文設計的評價系統對其進行評價，其評價結果如圖1所示。

圖1 系統評價結果

從圖1中可以看出，在初始階段和120天之后的時間段，礦山的安全性出現了明顯的下降，此時需要構建適當的加固措施以提高其安全性。

4 結語

對礦山水工環地質勘查信息的準確評價是關系到施工建設以及生產活動開展的重要環節。本質上，水工環地質數據是礦山整體環境的綜合體現，既包括水文地質條件，也包括基礎的地質構造狀態，因此，對其進行評價需要以更加全面的角度進行。本文提出基于遙感技術的礦山水工環地質勘查信息評價系統設計，實現了目標時間范圍內對礦山安全性的準確評價。通過本文的研究，以期為礦山的地質評價工作提供有價值的參考。