北京礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息系統(tǒng)建設展望

北京礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息系統(tǒng)建設展Ll作者：王文文付博張詩檬趙云峰韓征李敏劉釗來源：《城市地質(zhì)》2020年第03期礦山由se礦山由se吹gw北市10煎aw瞬中*HU雌環(huán)tffifiSW腥&檔命?以蛔蚯盅機礎町EgWEt￡llMSMLi2命?以蛔蚯盅機礎町EgWEt￡llMSMLi2圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.lOverallsystemarclntecwre北京市礦山增質(zhì)環(huán)境監(jiān)測出警信息系統(tǒng)拒享展示分析評愉I土賓\|己簾3決策分所—IL1分析—可秘化llttr環(huán)境■wouM0>HLMrwa”圖2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2Systemfiinctionalstructurediagram摘要：為加強北京礦山地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測、評估和應急決策處置能力，本文基于小型無人機、一體化三維模型、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，提出建設具有監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理、決策分析、應急管理和共享展示功能的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在以信息技術(shù)為手段，充分挖掘礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)價值，并通過智慧化的應用，達到輔助分析、指導決策的目的。主要包括建設礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、展示、更新及共享交換，并借助云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的挖掘分析，進而服務決策分析;并考慮礦山地質(zhì)環(huán)境的特點，應用無人機傾斜攝影測量技術(shù)輔助應急管理并借助地上地下一體化建模技術(shù)實現(xiàn)一體化三維模型建設及多專題的三維展示分析。關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì)環(huán)境;小型無人機;大數(shù)據(jù);三維建模Abstract:Inordertostrengthenthemonitoring，evaluationandemergencydecision-makinglevelofthegeologicalenvironmentofthemineinBeijing,thispaperproposestheconstructionofminegeologicalenvironmentmonitoringandearlywarninginformationsystemwithmonitoringdatamanagement，decisionanalysis，emergencymanagementandshareddisplayfunctions，basedonkeytechnologiessuchasUAV，integrated3Dmodeling，artificialintelligenceandcloudcomputing，bigdata，andtheInternetofThings.Thesystemaimstouseinformationtechnologyasameanstofullyminethedatavalueofminegeologicalenvironmentmonitoring，andthroughintelligentapplication，toachievethepurposeofassistinganalysisandguidingdecision-making.Itmainlyincludestheconstructionofaminegeologicalenvironmentmonitoringdatabasetorealizedatastorage，display，update，andsharingexchange，andtheuseofcloudcomputingandbigdatatechnologytorealizedatamininganalysisandthenservicedecisionanalysis;andtakingintoaccountthecharacteristicsoftheminegeologicalenvironment，applicationsUAVtiltphotogrammetrytechnologyassistsemergencymanagement;andtheuseofintegratedgroundandundergroundmodelingtechnologytoachieveintegrated3Dmodelconstructionandmulti-thematic3Ddisplayanalysis.Keywords:Minegeologicalenvironment;UAV;Bigdata;3Dmodeling0引言北京山區(qū)的礦山開采已有數(shù)百年歷史，由于早期礦山開采單位生態(tài)環(huán)境保護意識淡漠，造成了礦山環(huán)境的持續(xù)惡化，同時出現(xiàn)了一系列地質(zhì)安全問題，具體表現(xiàn)在3個方面：地質(zhì)災害、資源毀損和環(huán)境污染（秦沛，2017）。為此，北京市相繼出臺了有關(guān)生態(tài)建設的規(guī)劃和政策，強化了行政執(zhí)法力度，啟動了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測和防治工作（甘柯等，2020;李巖等，2016;張濤等，2019），以達到緩解礦山地質(zhì)環(huán)境問題，逐步恢復礦山環(huán)境的目的。傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查及監(jiān)測數(shù)據(jù)多以紙質(zhì)方式、光盤方式為介質(zhì)，通常以Excel、Word等格式進行存儲，成果僅限于報告編制和簡單的數(shù)據(jù)分析，大量數(shù)據(jù)應用率較低或處于閑置狀態(tài)，數(shù)據(jù)價值未得到充分利用與有效挖掘，預警預報難以實現(xiàn)。因此，在當前的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測過程中，亟需開展信息化建設，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的融合、集成、存儲和管理，并充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用，為生態(tài)環(huán)境保護決策和管理提供數(shù)據(jù)支撐。1系統(tǒng)建設的總體思路1.1系統(tǒng)的總體設計北京礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息系統(tǒng)將基于現(xiàn)有的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡及監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，形成具有監(jiān)測數(shù)據(jù)管理能力、決策分析能力、應急管理能力和共享展示能力的專業(yè)監(jiān)測預警信息系統(tǒng)，并將作舄八大監(jiān)測預警系統(tǒng)之一，為未來首都地質(zhì)資源環(huán)境承載力監(jiān)測預警平臺提供礦山地質(zhì)環(huán)境的專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預警分析功能，全面保障北京市的礦山地質(zhì)安全，促進礦山地質(zhì)環(huán)境保護及礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復重建協(xié)調(diào)發(fā)展（圖1）。1.2系統(tǒng)的建設目標系統(tǒng)基于礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的前期建設成果及信息化的工作要求，依賴新一代的信息技術(shù)，建設成為銜接數(shù)據(jù)采集、存儲、挖掘分析、共享展示及智能化應用于一體的綜合業(yè)務系統(tǒng)。其服務對象包括數(shù)據(jù)處室、機關(guān)領導、應急中心及地勘院院屬單位，作為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的工作平臺，將重點實現(xiàn)以下功能：實現(xiàn)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理、展示及共享實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的挖掘分析，以信息成果支撐決策;實現(xiàn)對礦山地質(zhì)災害應急的信息化管理;實現(xiàn)對礦山地質(zhì)成果的三維模型展示。1.3系統(tǒng)的實施步驟系統(tǒng)近期將重點實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理類的功能，包括礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點數(shù)據(jù)展示、成果圖件展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)更新維護和數(shù)據(jù)交換共享四大模塊。重點實現(xiàn)以直觀的圖形展示全市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)點分布情況，以及實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的導入、錄入、管理、查詢和統(tǒng)計分析，并實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與首都地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警平臺中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享交換。系統(tǒng)未來將逐漸實現(xiàn)決策分析、應急管理和共享展示等三大塊內(nèi)容。其中決策分析是通過構(gòu)建可視化的大數(shù)據(jù)挖掘分析應用中心，并對礦山地質(zhì)環(huán)境建立多維度的分析評價模型，從而根據(jù)模型結(jié)果提供分析評價服務，達到輔助決策的目的;應急管理將實現(xiàn)對應急信息管理和應急事件服務等功能，并實現(xiàn)應用小型無人機進行快速三維建模和災情評估的應急服務共享展示將實現(xiàn)礦區(qū)地上地下一體化三維模型建設、展示與應用。2系統(tǒng)建設中的關(guān)鍵技術(shù)無人機（unmannedaerialvehicle,UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行（Adametal.，2012）。小型無人機遙感則是將無人機作為飛行平臺，其上搭載航攝鏡頭，對地面進行航拍以獲取高分辨率影像的技術(shù)。其具有體積小、成本低、機動靈活、成像分辨率高、快速響應等特點（李德仁等，2014），在惡劣環(huán)境、危險性高的礦山區(qū)域開展工作有其獨特優(yōu)勢。小型無人機傾斜攝影測量技術(shù)是在小型無人機上搭載多個不同角度的鏡頭，最為典型的就是五鏡頭傾斜攝影平臺，中間相機光軸垂直于水平面，4個方向上分別分布一個光軸與水平面成45°角的相機。便可以同時獲得同一位置多個不同角度的高分辨率的影像，以及豐富的地面紋理信息。利用多角度的高分影像，通過數(shù)據(jù)預處理、自動空三計算、三維模型構(gòu)建和紋理映射等流程，可快速建立三維實景模型。針對礦山地質(zhì)環(huán)境的特點，建立適用于現(xiàn)場應急調(diào)查的技術(shù)路線，包括航線規(guī)劃、現(xiàn)場無人機航拍、相片實時回傳、像片預處理和現(xiàn)場快速實景三維模型建立等技術(shù)流程。通過在應急事件前后的多個時段對研究區(qū)進行無人機航拍，并對實時傳輸后的影像進行快速三維實景建模，對比分析多個時段的三維影像，可對已發(fā)的顯著地質(zhì)災害進行判讀，以輔助現(xiàn)場快速決策。2.2礦區(qū)地上地下一體化三維建模技術(shù)隨著地質(zhì)勘查的開發(fā)利用向大規(guī)模、大深度、綜合化、網(wǎng)絡化、立體化發(fā)展，迫切需要利用多種空間模型的整合，以實現(xiàn)對區(qū)域性地形的地上、地下一體化可視化分析。通過對地上模型和地下模型進行集成，建立礦區(qū)一體化三維模型，由此實現(xiàn)地上地下模型的無縫一體化集成，實現(xiàn)地上、地下的無縫漫游和深度應用（李敏等，2018;戴華，2013）。由于地上模型和地下模型的相接面理論上為地形模型，因此以地上模型的地形為參照，與地下模型的最頂層面進行相交裁剪，將地上和地下模型根據(jù)地形和鉆孔坐標等數(shù)據(jù)進行空間配準，重點解決地上建筑信息模型、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)和地下地質(zhì)模型、管線模型會存在相交、重疊、縫隙、穿插等問題。2.3人工智能分析技術(shù)北京市經(jīng)過多年的礦山開采積累了大量的礦物實體樣本與圖片資料，這些豐富的成果將為礦山識別、開采和保護工作提供豐富的知識儲備，包括應用人工智能（AI）技術(shù)輔助礦物識別，推進礦業(yè)領域的技術(shù)革新。對礦物的識別學習目的是建立一個預測準確率較高的預測模型，其主要工作是通過機器學習技術(shù)對已有的礦物建立豐富的樣本庫。機器學習是一個源于數(shù)據(jù)模型的訓練過程，最終給出一個面向某種性能度量的決策，訓練過程將針對礦物樣本庫運用深度卷積網(wǎng)絡方法，建立相應的自動識別與分類模型，通過添加相同模式圖像進行再訓練深度學習，以提升模型識別能力，實現(xiàn)礦物類別及特征識別。云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用為礦山地質(zhì)環(huán)境信息化的跨越式發(fā)展提供了重要的機遇。首先物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其現(xiàn)在5G網(wǎng)絡的日趨成熟，將為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的布設帶來了技術(shù)性的革新。可通過各類傳感器、RFID、GPS、小型無人機、手持式一體機等技術(shù)設備實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集和智能識別可通過各類有線、無線通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速、安全的傳輸和處理，并可對物聯(lián)網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)進行集成、存儲和智能分析，進而實現(xiàn)更高層次的智能化應用（韓征等，2017;李敏等，2019）。這其中也將融合應用大數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，礦山地質(zhì)環(huán)境的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)集合具有明顯的大數(shù)據(jù)特征，可采用大數(shù)據(jù)混合存儲架構(gòu)，實現(xiàn)這些異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)快速、高效的整合、集成、存儲和處理，并借助于數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)進行及時、準確的決策分析（張瑛等，2007;鮑玉鵬等，2019）。而在進行數(shù)據(jù)計算、分析時，云計算技術(shù)的應用則可滿足礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息系統(tǒng)對于資源的彈性需求，主要由于礦山區(qū)域的地質(zhì)災害多在汛期發(fā)生，因此汛期時對于監(jiān)測數(shù)據(jù)以及模型處理的計算需求較大，非汛期僅處理常規(guī)監(jiān)測則需求較小，這就需要監(jiān)測預警系統(tǒng)適應計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源的彈性需求，而云計算技術(shù)便可滿足這類信息資源按需分配的需求。3系統(tǒng)功能3.1總體功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)未來作為北京市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警、分析評價和決策支持的工作窗口，應具有監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、決策分析、應急管理和共享展示功能（圖2）。3.2監(jiān)測數(shù)據(jù)管理功能礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息系統(tǒng)建成后，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學管理，以實現(xiàn)對監(jiān)測點位信息的綜合展示和監(jiān)測數(shù)據(jù)多維度的統(tǒng)計分析。系統(tǒng)將主要實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點的展示、監(jiān)測成果圖件展示、數(shù)據(jù)的更新維護和數(shù)據(jù)交換共享的功能。（1）礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點數(shù)據(jù)展示。實現(xiàn)封礦山監(jiān)測點位分布情況的瀏覽操作、對監(jiān)測點位列表的地圖聯(lián)動過濾展示，以及每個監(jiān)測點位的展示和主要監(jiān)測指標的統(tǒng)計分析（圖3）。1.3系統(tǒng)的實施步驟系統(tǒng)近期將重點實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理類的功能，包括礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點數(shù)據(jù)展示、成果圖件展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)更新維護和數(shù)據(jù)交換共享四大模塊。重點實現(xiàn)以直觀的圖形展示全市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)點分布情況，以及實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的導入、錄入、管理、查詢和統(tǒng)計分析，并實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與首都地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警平臺中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享交換。系統(tǒng)未來將逐漸實現(xiàn)決策分析、應急管理和共享展示等三大塊內(nèi)容。其中決策分析是通過構(gòu)建可視化的大數(shù)據(jù)挖掘分析應用中心，并對礦山地質(zhì)環(huán)境建立多維度的分析評價模型，從而根據(jù)模型結(jié)果提供分析評價服務，達到輔助決策的目的;應急管理將實現(xiàn)對應急信息管理和應急事件服務等功能，并實現(xiàn)應用小型無人機進行快速三維建模和災情評估的應急服務共享展示將實現(xiàn)礦區(qū)地上地下一體化三維模型建設、展示與應用。2系統(tǒng)建設中的關(guān)鍵技術(shù)2.1小型無人機傾斜攝影技術(shù)無人機（unmannedaerialvehicle，UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行（Adametal.，2012）。小型無人機遙感則是將無人機作為飛行平臺，其上搭載航攝鏡頭，對地面進行航拍以獲取高分辨率影像的技術(shù)。其具有體積小、成本低、機動靈活、成像分辨率高、快速響應等特點（李德仁等，2014），在惡劣環(huán)境、危險性高的礦山區(qū)域開展工作有其獨特優(yōu)勢。小型無人機傾斜攝影測量技術(shù)是在小型無人機上搭載多個不同角度的鏡頭，最為典型的就是五鏡頭傾斜攝影平臺，中間相機光軸垂直于水平面，4個方向上分別分布一個光軸與水平面成45°角的相機。便可以同時獲得同一位置多個不同角度的高分辨率的影像，以及豐富的地面紋理信息。利用多角度的高分影像，通過數(shù)據(jù)預處理、自動空三計算、三維模型構(gòu)建和紋理映射等流程，可快速建立三維實景模型。針對礦山地質(zhì)環(huán)境的特點，建立適用于現(xiàn)場應急調(diào)查的技術(shù)路線，包括航線規(guī)劃、現(xiàn)場無人機航拍、相片實時回傳、像片預處理和現(xiàn)場快速實景三維模型建立等技術(shù)流程。通過在應急事件前后的多個時段對研究區(qū)進行無人機航拍，并對實時傳輸后的影像進行快速三維實景建模，對比分析多個時段的三維影像，可對已發(fā)的顯著地質(zhì)災害進行判讀，以輔助現(xiàn)場快速決策。2.2礦區(qū)地上地下一體化三維建模技術(shù)隨著地質(zhì)勘查的開發(fā)利用向大規(guī)模、大深度、綜合化、網(wǎng)絡化、立體化發(fā)展，迫切需要利用多種空間模型的整合，以實現(xiàn)對區(qū)域性地形的地上、地下一體化可視化分析。通過對地上模型和地下模型進行集成，建立礦區(qū)一體化三維模型，由此實現(xiàn)地上地下模型的無縫一體化集成，實現(xiàn)地上、地下的無縫漫游和深度應用（李敏等，2018;戴華，2013）。由于地上模型和地下模型的相接面理論上為地形模型，因此以地上模型的地形為參照，與地下模型的最頂層面進行相交裁剪，將地上和地下模型根據(jù)地形和鉆孔坐標等數(shù)據(jù)進行空間配準，重點解決地上建筑信息模型、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)和地下地質(zhì)模型、管線模型會存在相交、重疊、縫隙、穿插等問題。北京市經(jīng)過多年的礦山開采積累了大量的礦物實體樣本與圖片資料，這些豐富的成果將為礦山識別、開采和保護工作提供豐富的知識儲備，包括應用人工智能（AI）技術(shù)輔助礦物識別，推進礦業(yè)領域的技術(shù)革新。對礦物的識別學習目的是建立一個預測準確率較高的預測模型，其主要工作是通遏機器學習技術(shù)對已有的礦物建立豐富的樣本庫。機器學習是一個源于數(shù)據(jù)模型的訓練過程，最終給出一個面向某種性能度量的決策，訓練過程將針對礦物樣本庫運用深度卷積網(wǎng)絡方法，建立相應的自動識別與分類模型，通過添加相同模式圖像進行再訓練深度學習，以提升模型識別能力，實現(xiàn)礦物類別及特征識別。2.4通用的新一代信息化技術(shù)云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用為礦山地質(zhì)環(huán)境信息化的跨越式發(fā)展提供了重要的機遇。首先物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其現(xiàn)在5G網(wǎng)絡的日趨成熟，將為