礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)研究

雷兵，甘宇航，李蘭，吳鵬天昊

（1.國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京 101300；2.撫順市規(guī)劃局，遼寧 撫順 113006）

1 引 言

礦產(chǎn)資源作為重要的自然資源，是社會生產(chǎn)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，礦產(chǎn)的開采為中國經(jīng)濟發(fā)展與建設(shè)做出了巨大貢獻。然而，由于礦山開采過程中的亂采亂挖等行為，不僅造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的污染破壞，且誘發(fā)了地表沉降、塌陷等多種地質(zhì)災(zāi)害，也因此成為地理國情監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。

礦區(qū)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測需要實時掌握礦區(qū)地表覆蓋、礦區(qū)高程變化和礦區(qū)塌陷狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，采用常規(guī)的技術(shù)手段卻難以獲取。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，各種資源、環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的發(fā)射和運行，遙感技術(shù)提供了多時相、大范圍的實時信息，已成為研究地表資源環(huán)境最有利的手段之一［1］。衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅速發(fā)展為礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測創(chuàng)造了有力條件。

隨著“3S”技術(shù)的迅速發(fā)展，利用遙感和地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)對土地利用進行動態(tài)監(jiān)測也日益完善，取得了顯著成效［2］。遙感作為一種監(jiān)測手段，與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，對于準確及時地從宏觀上研究礦區(qū)環(huán)境的動態(tài)演變非常有效［3］?；谶@一背景，應(yīng)用遙感與地理信息技術(shù)集成建立礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對礦區(qū)環(huán)境演變情況進行監(jiān)測，不僅可以為礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害治理與生態(tài)重建提供依據(jù)，而且可以為地理國情監(jiān)測提供示范和技術(shù)支撐。

2 礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是建立在礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，以多時相遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、經(jīng)濟人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)等為主要數(shù)據(jù)源，以遙感與地理信息技術(shù)為支撐，對礦區(qū)環(huán)境的演變開展動態(tài)監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化信息，準確獲取變化信息的數(shù)量、特征，生成礦區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀信息數(shù)據(jù)，并生成數(shù)字化圖件、成果的系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標

設(shè)計本系統(tǒng)旨在利用當前快速發(fā)展的遙感與地理信息技術(shù)，建立礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為礦區(qū)環(huán)境本底數(shù)據(jù)及各項專題數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)管理，并對礦區(qū)環(huán)境的變化狀況實施動態(tài)監(jiān)測，直接為有關(guān)部門提供礦區(qū)環(huán)境本底數(shù)據(jù)的查詢并反映礦區(qū)環(huán)境的變化趨勢和變化規(guī)律。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以龍圖動態(tài)三維可視化平臺為基礎(chǔ)。龍圖動態(tài)三維可視化平臺是為了滿足用戶對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的三維可視化管理和查詢的需要而設(shè)計開發(fā)的。該軟件系統(tǒng)提供海量地表數(shù)據(jù)的三維實時漫游，多時態(tài)動態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)三維顯示，快速重現(xiàn)地形、地貌，真實再現(xiàn)地面景觀，能夠進行視圖的縮放、平移、視點變換、角度旋轉(zhuǎn)、實時3D大范圍飛行瀏覽；全方位的場景要素控制；三維物體表面貼圖；光源設(shè)置、色彩調(diào)配、明暗變換等功能，還提供了對動態(tài)物體（如GPS實時數(shù)據(jù)）實時3D場景跟蹤、外部資源無縫集成接入、信息查詢、用戶標圖、基于三維場景的空間分析等功能。

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在龍圖動態(tài)三維可視化平臺的基礎(chǔ)上，以國產(chǎn)衛(wèi)星正射影像DOM數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)為礦區(qū)環(huán)境本底數(shù)據(jù)，采集錄入礦山環(huán)境現(xiàn)狀相關(guān)專題信息，并在應(yīng)用編程工具建立用戶界面，實現(xiàn)對礦區(qū)信息動態(tài)監(jiān)測、沉降區(qū)域動態(tài)監(jiān)測、影響區(qū)域分析等服務(wù)。

依照系統(tǒng)應(yīng)用需求，綜合考慮數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣等特點，礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用客戶／服務(wù)器（Client／Server）模式，由數(shù)據(jù)層、服務(wù)器端和應(yīng)用端組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

①數(shù)據(jù)層：用以存儲管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括XML和DBMS，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括圖形圖像文件等文件型的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

②服務(wù)器端：礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)動態(tài)渲染、數(shù)據(jù)可視化表達提供支持。

③應(yīng)用端：包括礦區(qū)信息動態(tài)監(jiān)測、沉降區(qū)域動態(tài)監(jiān)測、影響區(qū)域分析等應(yīng)用服務(wù)，以WEB為最終表現(xiàn)形式。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)層設(shè)計

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)資料分為基礎(chǔ)圖層與地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)兩大類。

基礎(chǔ)圖層包括影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)。其中，影像數(shù)據(jù)包括國產(chǎn)衛(wèi)星正射影像DOM數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃、各地區(qū)主要道路河流等矢量數(shù)據(jù)，地名數(shù)據(jù)包括各省、省會、市、縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村以及自然村的名稱信息。

地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)包括礦區(qū)基本概況、礦區(qū)信息動態(tài)監(jiān)測、沉降區(qū)域動態(tài)監(jiān)測、影響區(qū)域分析、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害典型事件、趨勢預(yù)測與防護措施等相關(guān)專題數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)樹狀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)圖層樹狀結(jié)構(gòu)圖

為了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)良好、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)界面友好、交互性能好、層次清晰，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，以方便用戶操作。數(shù)據(jù)管理方式采用主題分層、空間分片的數(shù)據(jù)組織方式，允許用戶對空間數(shù)據(jù)塊和主體信息層進行操作?？臻g分片是指大型空間數(shù)據(jù)集被劃分為通過空間索引相聯(lián)系的各部分來存儲；主題分層是指同一空間范圍內(nèi)可以存貯多種專題屬性的空間數(shù)據(jù)。每一個專題屬性空間數(shù)據(jù)集為一個層；空間分片按照國際分幅進行數(shù)據(jù)塊的劃分，主題分層根據(jù)空間數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)種類和圖形元素種類進行數(shù)據(jù)層的設(shè)定，圖像數(shù)據(jù)采用TIFF文件格式。

2.4 系統(tǒng)功能設(shè)計

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能主要包括基礎(chǔ)操作功能、三維顯示功能和圖層管理功能。

①基礎(chǔ)操作功能：礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)操作功能主要實現(xiàn)對地圖的基本操作，包括縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游、全圖顯示等圖形瀏覽，鷹眼導(dǎo)航、多類型圖層控制。

②三維顯示功能：礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用礦區(qū)的遙感影像與數(shù)字地面模型疊加顯示，真實再現(xiàn)礦區(qū)地形地貌，可以使用戶從多方位、多角度監(jiān)測礦區(qū)信息。

③圖層管理功能：礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可按樹狀目錄對各專題圖層進行檢索及管理。系統(tǒng)在功能列表中設(shè)置了地名查詢功能，可以根據(jù)地域名稱對目標地區(qū)進行地名查詢，使用者可以在功能列表的樹狀目錄中直接點擊來顯示查詢結(jié)果，目標圖層將在系統(tǒng)顯示界面上顯示。

3 礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實例

3.1 實驗示范區(qū)域

本示范選取位于遼寧省撫順市渾河南岸的撫順礦區(qū)作為監(jiān)測對象。撫順礦區(qū)，長18km，寬2km，面積為36km2。礦區(qū)在構(gòu)造上處于新華夏系撫順－密山斷陷帶與沈陽東西向隆起帶的復(fù)合部位。煤田為一近東西向的不完整向斜，北翼大部分被逆斷層切割，僅保存了接近向斜軸部地段；南翼受擠壓抬起，使煤層接近地表，傾角25°～45°。含煤地層為古新統(tǒng)—始新統(tǒng)撫順群，總厚度為880m～1050m。撫順礦區(qū)不僅具有良好的生氣與儲氣條件，且煤層滲透率較高，利于煤層氣產(chǎn)出，是中國最早開發(fā)煤層氣的礦區(qū)。

圖3 撫順礦區(qū)地理位置

3.2 撫順礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

以撫順礦區(qū)為對象，利用三維動態(tài)可視化技術(shù)，搭建撫順礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提供包括地表覆蓋、采煤沉陷區(qū)地表形變、露天采坑邊坡變化情況、地質(zhì)災(zāi)害、礦山廢棄地等礦區(qū)環(huán)境信息服務(wù)，并利用面積、坡度、高程、邊坡形變等一系列可量算指標開展統(tǒng)計分析，全面、準確、及時地掌握礦區(qū)現(xiàn)狀、動態(tài)變化和發(fā)展趨勢。監(jiān)測內(nèi)容包括礦區(qū)基本概況、礦區(qū)信息動態(tài)監(jiān)測、沉降區(qū)域動態(tài)監(jiān)測、影響區(qū)域分析、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害典型事件、趨勢預(yù)測與防護措施共6個部分。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

3.2.1 礦區(qū)基本概況

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對現(xiàn)有資料的基本統(tǒng)計分析和綜合統(tǒng)計分析，包括不同覆蓋類型面積、所占比例、空間格局等，預(yù)測地表覆蓋變化趨勢，形成相應(yīng)專題圖，并以專題圖、統(tǒng)計分析圖表等形式，展示礦區(qū)煤礦采坑、舍場分布、采礦礦坑分布及尾礦分布等基本概況。

圖5 礦區(qū)基本概況

3.2.2 礦區(qū)信息動態(tài)監(jiān)測

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)利用長期滑坡變形的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，掌握礦區(qū)動態(tài)變化趨勢并以專題圖、動態(tài)標注、動態(tài)標圖等形式，展示礦區(qū)各個礦坑、礦渣堆以及舍場等信息的動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容。

3.2.3 沉陷區(qū)域動態(tài)監(jiān)測

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對現(xiàn)有資料的基本統(tǒng)計分析和綜合統(tǒng)計分析，根據(jù)采礦沉降點分布及沉降深度情況，以動態(tài)標注、動態(tài)標圖的形式展現(xiàn)不同年份礦區(qū)沉降狀況，并預(yù)測沉降趨勢，具體包括沉降點有無變化、沉降變化程度、礦區(qū)地形變化以及沉降影響范圍等專題信息。

圖6 礦區(qū)信息動態(tài)監(jiān)測

圖7 沉降區(qū)域動態(tài)監(jiān)測

3.2.4 影響區(qū)域分析

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對現(xiàn)有資料的整理分析，掌握礦區(qū)分布狀況、面積、開采年限以及使用情況和生態(tài)恢復(fù)情況，按不同年份、不同礦坑形成相應(yīng)的影響區(qū)域預(yù)測專題圖件，并以動態(tài)標注、動態(tài)標圖的方式顯示各個礦坑情況。

圖8 影響區(qū)域分析

3.2.5 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害典型事件

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測以專題圖及相應(yīng)文字介紹展示礦區(qū)滑坡、泥石流、地裂縫、采煤沉降以及礦震等地質(zhì)災(zāi)害事件信息。

圖9 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害典型事件

3.2.6 趨勢預(yù)測與防護措施

收集整理歷年礦區(qū)監(jiān)測信息，通過對現(xiàn)有的不同時相的信息資料進行對比分析，掌握煤田境界、全采全遷影響線、礦區(qū)沉降線等信息的變化規(guī)律，根據(jù)其變化規(guī)律合理預(yù)測各監(jiān)測信息的變化趨勢并以動態(tài)標注等形式展示監(jiān)測內(nèi)容。

圖10 趨勢預(yù)測與防護措施

3.2.7 礦區(qū)監(jiān)測結(jié)果

利用礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)演變模型，通過對現(xiàn)有的不同時相的信息資料進行對比分析得出，撫順西露天礦坑西北側(cè)由于采礦影響逐年下降，礦坑?xùn)|部由于尾礦廢料的堆積逐年上升，如圖11所示（紅框區(qū)域為采礦開挖下降區(qū)，黃框區(qū)域為尾礦回填堆積上升區(qū)）；礦區(qū)沉降影響范圍逐步向北部市區(qū)擴張。監(jiān)測結(jié)果與實地勘測結(jié)果相符合，礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具備實用價值，能夠很好地實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測。

圖11 礦坑變化示意圖

4 結(jié)束語

本文通過對礦區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀及面臨問題的分析，面向礦山環(huán)境的地理國情監(jiān)測，利用RS和GIS技術(shù)，研究開發(fā)了礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了其在遼寧撫順礦區(qū)環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測中的應(yīng)用。結(jié)果表明利用遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)，能夠很好地實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測。遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合是對礦區(qū)環(huán)境從更高層次上進行研究。礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有利于礦區(qū)環(huán)境長期、系統(tǒng)、動態(tài)的監(jiān)測，為國家和決策者提供科學(xué)的決策依據(jù)，為礦產(chǎn)資源的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)，為合理保護、規(guī)劃治理、恢復(fù)被破壞的土地資源提供重要依據(jù)，對維護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境有重要的意義。

礦區(qū)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應(yīng)用可以推進礦區(qū)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、建設(shè)、管理與服務(wù)的現(xiàn)代化，為決策部門及時采取應(yīng)急對策和防治措施提供先進手段。

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