基于RS的礦山地質災害早期預警系統設計與應用

郭德嶺

（安徽省地質礦產勘查局324地質隊，安徽 池州 247000）

在市場經濟工業化發展的帶動下，礦山地質資源正逐步被大量開發，尤其在1980年后，市場發展對于礦山資源的需求量急劇增多，為了滿足市場建設與社會發展的需求，礦山開發單位加大了對地質的勘查與開采。盡管在此過程中實現了對工業發展的滿足，但由于開發單位一味地強調經濟效益與開發量，導致礦山地質環境呈現一種顯著的惡化趨勢[1]。產生此種問題的主要原因在于開發單位安全管理能力差、礦產資源開發技術落后等。提出的不規范行為，在某種程度上造成了礦山環境惡化，致使近年來礦山地質災害頻繁發生。包括洪水、區域地表坍塌、地裂縫、泥石流等，一些礦產資源過度開發的地區甚至出現了地質災害難以控制的嚴重問題。倘若針對提出的問題，不對其加以控制，或無法做到對災害發生的早期預警，不僅會對地區經濟發展與群體生命安全造成某種程度的威脅，甚至也會在一定程度上對生活在區域的群眾或礦山地質開采人員造成生命安全威脅。綜合目前市場對此方面的研究進展，發現我國截至目前仍沒有針對此方面提出有效的研究成果，因此，本文將引進RS技術，針對礦山地質開發現狀，設計一種可實現對災害早期預警的系統。希望通過此次研究，降低由于礦山地質災害對地區經濟可持續發展的影響，保障礦山地質勘查相關工作的安全實施。

1 硬件設計

為了確保系統在運行過程中對預警信息的有效傳遞，本文選擇預警信息通信設備作為系統的核心硬件設備?？紤]到系統獲取的數據是通過無線網絡進行終端傳輸的，為了確保對預警信息通信的效率化與協調化，可采用在系統運行電路中搭建W5500數據傳輸平臺的方式，進行STM23.0數據與W5500之間進行信息交換。

系統在運行過程中，主控制器端口與預警信息通信設備端口連接后，可進行數據的接收與發送，此時兩者之間將在互聯網的支撐下存在某種必然關系[2]。當W5500與物聯串口之間通過控制芯片連接時，預警信息通過無線互聯網與yelink平臺連接，此時終端便可以實現與信息之間的交互。其中預警信息通信設備與系統主控器連接可用如下圖1表示。

圖1 預警信息通信設備與系統主控器連接示意圖

按照上述圖1所示連接方式，連接系統內部硬件結構，同時，選擇2.5GHz的無線接收裝置連接NRF模塊與系統硬件結構。傳感器采用獲取數據實時數據的方式，感知礦山地質信息中是否存在危險因素。通過此種方式，滿足對礦山地質災害的早期預警需求。

2 軟件設計

2.1 選擇礦山地質災害預警觀測節點

為了確保本文系統對礦山地質災害預警的準確性，需要在設計系統前，選擇礦山地質災害預警觀測節點。觀測節點需要由監測中心與觀測中心構成，其中前者負責收集制定區域內的地質災害數據，并深度分析數據的變化趨勢與播報，后者負責傳遞數據與連接網絡。對礦山地質災害預警觀測節點的規劃如下圖2所示。

圖2 礦山地質災害預警觀測節點

在觀測節點中，需要準備12.0V～15.0V的蓄電池作為電源供應裝置，將其與地區地質變化監測設備與通信設備進行互聯處理。同時，在節點區域內布設DCDC/LDO裝置，由此裝置為電極片提供5.0V或3.0V的電壓。在此基礎上，插入SIM芯片，負責存儲獲取的多種類型礦山地質災害信息。在此過程中，由超聲波探頭負責接收與發射地質災害信號。通過此種方式，完成對礦山地質災害預警觀測節點的選擇。

2.2 基于RS技術獲取并處理MODIS數據

在完成對礦山地質災害預警觀測節點的選擇后，引進RS遙感技術，進行中分辨率成像數據的獲取。區別于傳統技術，使用RS技術獲取的數據呈現一種多源信息趨勢，即信息的結構是處于一種多元化結構的，包括多光譜數據、高光譜數據、高分辨率數據與雷達數據。

在圈定的地質災害勘查區域內進行遠距離地質探測，通常情況下，可選擇遙感器對選擇探測的物體發射電磁波，通過電磁波的輻射與反射特性，對MODIS數據進行針對性空間獲取。由于遙感技術不需要直接接觸物體，勘查人員也無需到現場實地勘查，因此此項技術在使用中相對安全。

在完成對MODIS數據的初步獲取后，考慮到數據結構較為多元化，因此，需要同步對數據進行至少2000.0次掃描，將ID2.0格式的MODIS數據轉換為HDF格式的MODIS數據。在此基礎上，將完成格式轉換后的數據在系統內進行輸入，并按照如下所示流程對RS圖像進行處理：切割圖像—RS圖像集合校正—形成信號波段（MODIS通道：1（R）；2（G）；I（B））—圖像信號增強（將MODIS數據的差異值在DN通信區間內進行上限制的設定，并調整RS圖像的對比度，使圖像整體肉眼可見度更為顯著）—提取RS圖像中有效區域（利用計算機提供的多邊形工具，將遙感數據進行量化處理，經過量化處理后的RS數據中有效范圍將呈現一種集成趨勢，此時統計有效范圍的面積）—繪制礦山地質災害專題制圖。在完成上述相關操作后，在計算機終端輸出地質災害專題制圖，以此完成對MODIS數據的獲取與處理。

2.3 發布礦山地質災害早期預警信息

在完成對MODIS數據的獲取與處理后，需要將數據信息統一格式存儲在計算機終端災害信息庫內。在生成專題圖像的基礎上，對災害發生的影響因素、地質災害成因、地質災害發生機理等相關要素進行重組與信息優化，從而生成與區域地形地勢相適配的災害早期預警圖。

結合非線性動力學原理，在現代化數據挖掘技術的支撐下，對繪制的地質災害早期預警圖進行VC、VB軟件識別，以此種方式識別礦山地質災害的類型。并在終端人機交互界面將識別與評估的結果呈現在顯示屏上，發布礦山地質災害早期預警信息，以此完成對礦山地質災害早期預警系統的設計。

3 對比實驗

本文從硬件結構與軟件功能，兩個方面，完成了對基于RS的礦山地質災害早期預警系統理論設計，但由于系統的運行需要后期借助軟件工具實現，因此要驗證本文設計的預警系統在實際應用中具備一定有效性，還需要互聯網平臺，對系統功能進行后期測試。對此，本文設計了如下所示的對比實驗。

實驗前，需要選定已開采的礦山區域，并調派專業的地質勘查人員進行礦山地質環境的前期勘查工作。在掌握區域地質相關信息的基礎上，使用空間定位法與無人機勘查技術，繪制礦山三維地質圖像。在完成機械設備獲取礦山地質信息的同時，同時還需要根據地區近三年地質災害的發生情況，進行人工調查的方式進行地質災害信息的獲取，以此種方式獲取區域地質信息。

在完成對地質環境的勘查后，圈定地質災害常發區域，區域面積為10.0km2×10.0km2，分別使用本文設計的基于RS的礦山地質災害早期預警系統與傳統預警系統，對圈定區域進行地質災害的早期預警。通過系統獲取區域災害中心位置的波普，并以1.0km為直徑，逐步向外延伸檢測，掌握地區災害中心區域3.0km2×3.0km2區域內的波譜。通過波譜強度，感應礦山地質災害發生情況。并以此作為評價本文系統性能的依據，執行此次對比實驗，整理實驗數據后，將其統計成表格，如下表1所示。

表1 地質災害預警波譜對比結果

現已知在常規情況下，預警波譜的有效閾值范圍為400.0nm～450.0nm之間，而通過本次對比實驗結果可知，本文系統在進行地質災害中心位置早期預警的過程中，在周邊3.0km內獲取的波普信息均為有效信息，即證明預警的結果具備一定有效性。而傳統的預警系統在距離中心位置2.5km位置處進行礦山地質災害預警時，所得到的波譜信息已超出其有效閾值，證明傳統系統在進行礦山地質災害早期預警時，系統可預警的范圍有限，無法做到對礦山區域整體的有效預警。綜合上述分析，得出此次對比實驗的最終結論：相比傳統預警系統，本文設計的基于RS的礦山地質災害早期預警系統，可預警的范圍更廣。

4 結語

中國礦產資源賦存量較大，且逐年產出的礦產資源正呈現一種相對遞增趨勢。為了避免礦山過度開采造成的地質災害頻發現象，應及時對礦山災害進行早期預警。為此，本文引進RS遙感技術，對礦山地質災害早期預警系統展開設計與研究。在硬件結構的支撐下，分別從選擇礦山地質災害預警觀測節點、基于RS技術獲取并處理MODIS數據礦山地質災害早期預警信息發布三個方面，對系統軟件進行設計，完成本文系統的整體設計后，采用設計對比實驗的方式，同步對本文系統與傳統系統的功能進行檢測，經對比實驗檢測，本文系統在進行地質災害預警時，可實現的有效預警范圍覆蓋更廣。