基于GPS和GIS的大冶鐵礦高陡邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

邱丹丹， 盧新海， 李 沛

(1. 武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074;2. 武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司大冶鐵礦，湖北 黃石 435000)

0 引 言

隨著監(jiān)測(cè)邊坡高度的增加,監(jiān)測(cè)范圍的擴(kuò)大及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的增多,邊坡監(jiān)測(cè)人員的作業(yè)環(huán)境越來(lái)越差,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在邊坡變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中做了大量研究.例如，智利學(xué)者利用Leika APA-Win邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和GPS對(duì)露天礦坑外圍的區(qū)域等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；加拿大專家布設(shè)GPS和時(shí)域反射儀(TDR)等設(shè)備在監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性方面做了研究；澳大利亞CSIRO研制出一種新的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等[1].我國(guó)在邊坡監(jiān)測(cè)方面與國(guó)外礦山相比起步較晚，目前已在金川露天礦[2]，山東某煤礦[3]，磁海鐵礦[4]等礦山中利用GPS系統(tǒng)和全站儀技術(shù)在邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)方面的嘗試.

湖北大冶鐵礦東露天采場(chǎng)位于武漢市東南部，經(jīng)過(guò)50余年的開采，已經(jīng)在燕山期花崗閃長(zhǎng)巖與大冶群灰?guī)r接觸帶形成東西長(zhǎng)2 400 m，南北寬1 000 m，深度230～444 m，最終坡角41～45°的橢圓形礦坑[5-7].該礦坑存在嚴(yán)重的高陡邊坡隱患，需進(jìn)行坡體變形監(jiān)測(cè).GPS與GIS結(jié)合的方式可構(gòu)建礦山邊坡變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，利用GPS采集和GIS分析相結(jié)合是經(jīng)濟(jì)、迅速的手段.

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的主要任務(wù)是：建立邊坡GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完成坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)預(yù)警.因此，大冶鐵礦高陡邊坡預(yù)警系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)兩個(gè)部分.其中，監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)可分為三個(gè)功能：監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理，預(yù)警閾值管理，它們都由數(shù)據(jù)子系統(tǒng)統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)(見圖1).

圖1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能圖

1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)是礦山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，它主要包括GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、GIS地理數(shù)據(jù)、預(yù)警預(yù)案數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)四大塊數(shù)據(jù)類型.GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含監(jiān)測(cè)所得GPS數(shù)據(jù)及在此基礎(chǔ)上的各項(xiàng)分析參數(shù)；GIS地理數(shù)據(jù)包括礦區(qū)地形圖、礦區(qū)基本高程信息等；預(yù)警預(yù)案數(shù)據(jù)主要指應(yīng)急預(yù)案相關(guān)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)則指系統(tǒng)參數(shù)和用戶的基本數(shù)據(jù).

1.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)是礦山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是利用GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和GIS相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大冶高陡邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并滑坡預(yù)警.因此，它包含三個(gè)主要功能：監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理，將GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)和GIS信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，提高了GPS儀器的布點(diǎn)分析能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可視化效果；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理，對(duì)GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變形分析，以便于準(zhǔn)確、可靠的提供滑坡監(jiān)測(cè)工作基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形狀況；預(yù)警閾值管理，在理論分析的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建變形分析的重要參數(shù)，并分析各參數(shù)的變化情況，可設(shè)定和調(diào)整相應(yīng)的滑坡報(bào)警閾值.

2 系統(tǒng)主要技術(shù)

2.1 GPS數(shù)據(jù)接收

GPS數(shù)據(jù)接收是該系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一.本系統(tǒng)采用單頻靜態(tài)GPS接收機(jī)與數(shù)傳電臺(tái)相結(jié)合的方法來(lái)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的.該方法不僅提高了效率，也降低了成本，其數(shù)據(jù)經(jīng)歷的主要設(shè)備如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)經(jīng)歷設(shè)備的關(guān)系圖

通過(guò)靜態(tài)GPS接收機(jī)獲取到最原始的歷元數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS傳輸模塊發(fā)送到中心控制站，經(jīng)中心控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到坐標(biāo)值，坐標(biāo)值再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜胤?wù)器，形成本系統(tǒng)所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).本系統(tǒng)通過(guò)購(gòu)買南方公司自主生產(chǎn)研發(fā)的一整套設(shè)備可獲得解算坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即從解算服務(wù)器獲得的坐標(biāo)值，因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)介紹任務(wù)主要是解決如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸將服務(wù)器上的數(shù)據(jù)傳送到本地服務(wù)器.

該部分的主要問(wèn)題有兩點(diǎn)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)通訊；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù).程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖3所示.

圖3 GPS數(shù)據(jù)接收流程圖

2.2 GPS數(shù)據(jù)和GIS關(guān)聯(lián)

數(shù)據(jù)顯示是中間處理過(guò)程和最終結(jié)果的屏幕顯示，包括圖形數(shù)據(jù)的數(shù)字化與編輯以及操作分析過(guò)程的顯示.GIS平臺(tái)可顯示空間數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)作為GIS空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，將GPS數(shù)據(jù)顯示在GIS圖層中，使的數(shù)據(jù)顯示更直觀、立體.系統(tǒng)采用人機(jī)對(duì)話的方式來(lái)進(jìn)行，其程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖4所示.

圖4 GPS數(shù)據(jù)顯示流程圖

3 應(yīng)用中的數(shù)據(jù)處理改進(jìn)

系統(tǒng)主要操作界面如圖5所示，該界面主要由三個(gè)區(qū)域構(gòu)成：監(jiān)測(cè)設(shè)備區(qū)、視圖區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū).

圖5 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要操作界面

a. GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大.在正常情況下，每隔幾秒即可產(chǎn)生一條數(shù)據(jù).實(shí)際應(yīng)用中，較大的數(shù)據(jù)量會(huì)影響軟件系統(tǒng)的運(yùn)行速度.本系統(tǒng)對(duì)每小時(shí)、每天、每月統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：①提高軟件運(yùn)行速度；②方便用戶觀測(cè)和掌握數(shù)據(jù)的變化.

b. 礦山GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)易受周圍環(huán)境的影響，尤其是放炮震動(dòng)在一定程度上影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常波動(dòng)，當(dāng)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)則會(huì)引發(fā)虛假報(bào)警.

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，放炮震動(dòng)表現(xiàn)出正負(fù)位移變化特點(diǎn).而當(dāng)發(fā)生滑坡危險(xiǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位移變化通常為單向變化.在具體實(shí)現(xiàn)中，本文將三維坐標(biāo)x、y、z三個(gè)變量的差值進(jìn)行正負(fù)值標(biāo)識(shí)，用來(lái)判斷位移的變化方向.系統(tǒng)通過(guò)操作界面(如圖5)中數(shù)據(jù)區(qū)的“x、y、z累計(jì)位移過(guò)程圖”可觀察到位移的變化方向.

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)研究了目前在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較為廣泛的GPS技術(shù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合GIS具有的處理屬性數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，開發(fā)了基于GPS和GIS的大冶鐵礦高陡邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作起來(lái)簡(jiǎn)單、直觀，可及時(shí)反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，出現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)可提前報(bào)警.目前該系統(tǒng)已正常運(yùn)行一年，結(jié)果表明具有較好的可靠性和實(shí)用性.

致謝：本文得到了武漢工程大學(xué)大冶鐵礦邊坡研究課題組的大力支持和武鋼礦業(yè)公司大冶鐵礦相關(guān)同志的指導(dǎo)和幫助，屬集體科研成果，在此一并致謝！

參考文獻(xiàn)：

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