大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取中的應用研究

于琳琳，胡英男

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊 資源地質(zhì)勘查院，黑龍江 哈爾濱 150043；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊 地質(zhì)環(huán)境院，黑龍江 哈爾濱 150040)

露天礦開采是以礦區(qū)為中心點，沿礦區(qū)逐步向下開采。由于采煤工程作業(yè)安排的差異，使得邊坡類型也存在差異，露天礦開采引起的邊坡問題經(jīng)常發(fā)生。由于露天礦使用時間較長，對安全性的需求也較高，一旦發(fā)生塌方或滑坡，就會導致重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。隨著環(huán)保意識的增強，露天礦礦山開采對資源的破壞日益受到重視，礦山地質(zhì)環(huán)境保護和安全生產(chǎn)已成為礦山企業(yè)在實際生產(chǎn)過程中面臨的重要課題[1]，也是當今社會、政府主管部門和礦山企業(yè)關(guān)注的熱點問題，露天礦地質(zhì)環(huán)境研究對預防地質(zhì)問題、經(jīng)濟以及人們生命財產(chǎn)安全存在重要意義[2-3]。

相關(guān)學者對此展開研究，文獻[4]提出高密度地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)面向?qū)ο笮畔⑻崛⊙芯浚民詈隙喑叨确指詈椭С窒蛄繖C模型識別研究區(qū)內(nèi)的環(huán)境體分布，建立環(huán)境特征數(shù)據(jù)集與環(huán)境體物理信息相關(guān)聯(lián)機制。除可用來描述對象的光譜信息和幾何信息外，坡度、粗糙度、植被覆蓋帶、溝谷、水系、礦區(qū)、斷層等都可以很好地解釋實際地形地貌特征，而且與環(huán)境信息具有高度相關(guān)性。文獻[5]提出基于多源遙感時空譜特征融合的環(huán)境災害檢測方法，對多波段遙感圖像進行了光譜空間和尺度配準，構(gòu)造了融合時序變化特征、光譜特征和空間形狀特征遙感影像數(shù)據(jù)集，將多維多譜變化信息轉(zhuǎn)換成光譜表征模型，并利用SVM模型識別環(huán)境目標和背景地物，在此基礎(chǔ)上根據(jù)環(huán)境基礎(chǔ)形狀模型的軸向長寬比、面積參數(shù)和不變矩等典型形狀指標對環(huán)境區(qū)域進行目標精確分類和識別。雖然上述研究取得一定進展，但是對露天礦山地質(zhì)保護工作存在一定干擾。為此提出大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應用流程，可以實現(xiàn)高精度的露天礦特征提取。

1 露天礦面臨的大數(shù)據(jù)問題

露天礦開發(fā)是一個復雜的系統(tǒng)工程過程，產(chǎn)生了大量的信息，信息來源可以分為內(nèi)部和外部信息來源。內(nèi)部數(shù)據(jù)來源包括露天礦每天生產(chǎn)和銷售煤炭的活動，主要是用于數(shù)據(jù)開發(fā)的煤礦以及安全與調(diào)度、設施與耗材、通風、運輸?shù)壬a(chǎn)數(shù)據(jù)，還包括財務、勞動與人事、原材料消耗等運營數(shù)據(jù)；外部信息來源包括對國家政策規(guī)范以上部門的指示、原材料市場、礦產(chǎn)市場等地質(zhì)信息，主要集中在煤礦的特殊空間系統(tǒng)上，該系統(tǒng)包括煤層等地質(zhì)設施。在信息表示形式中，可以概括為2種類型，其中一種可以以圖的形式記錄、分析和傳輸；另一個類別被記錄、以電子表格等書面信息的形式傳輸。露天礦對地質(zhì)數(shù)據(jù)的描述是一個從隱藏到可見的過程，露天礦煤田的形成和分布是由許多因素控制的，例如降水和構(gòu)造性質(zhì)，以及通過地理學方法(如磁石、地震等)獲取地質(zhì)層(山和煤)分布數(shù)據(jù)，巖石的物理特征可以通過鉆探、測井和其他方法獲得。

露天礦具有自動化、信息化特征，且能夠深度融合，大型露天礦擁有眾多的信息系統(tǒng)，這些信息系統(tǒng)每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)除用于基本的日常統(tǒng)計分析之外，還缺乏集中管理和深入挖掘數(shù)據(jù)的問題，具體問題表現(xiàn)為：①數(shù)據(jù)量巨大。露天礦每天人工記錄和自動生成的數(shù)據(jù)超過萬條，每年信息部門要收集、復制、分析上百萬條數(shù)據(jù)，需要耗費大量的人力和時間。②數(shù)據(jù)量分散。露天礦往往地理位置分散，信息系統(tǒng)按照業(yè)務需求分散建設，不同時期建立的信息系統(tǒng)之間缺乏有效聯(lián)系，信息系統(tǒng)間“信息孤島”問題十分突出。每個信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是相互獨立的，所以整個露天礦的數(shù)據(jù)都是一個分散的存儲狀態(tài)，并且很少相互關(guān)聯(lián)。③數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。因為信息系統(tǒng)在開發(fā)設計過程中沒有遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，導致露天礦目前各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，使得內(nèi)部系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析較為困難。

2 大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取流程

2.1 大數(shù)據(jù)預處理

在露天礦特征提取圖像中，人類行為、提取系統(tǒng)、運行機器等多種因素的作用，導致了露天礦特征提取圖像的存在誤差。為了確保大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應用的準確性，需要對大數(shù)據(jù)進行預處理。露天礦特征提取圖像是通過幾何校正和地圖投影而形成的，圖像中有少量的云層和積雪，但不會對研究區(qū)域造成任何影響，所以不需要進行云處理。在不同的條件下，露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息的正常數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)不同，所選用的預處理方法也不盡相同，綜合了露天礦面臨的大數(shù)據(jù)問題，大數(shù)據(jù)預處理對正常數(shù)據(jù)采用正射校正方式，對異常數(shù)據(jù)采用圖像裁剪方式。

(1)正射校正。通過對地面接收站進行常規(guī)處理，分析露天礦的遙感圖像，幾何修正由系統(tǒng)和非系統(tǒng)因素造成的圖像失真問題。為了滿足要求，必須對露天礦特征提取圖像進行正射校正，利用數(shù)字高程模型校正因地形起伏造成的圖像失真，并提供了高程信息，從而產(chǎn)生大數(shù)據(jù)預處理下正射校正的處理步驟，具體為：①在不進行地理編碼的情況下，2個圖像數(shù)據(jù)的坐標是嚴格統(tǒng)一的。僅通過控制點來進行地理上的參考。修正模式的選取，修正的參數(shù)設定。利用GPS技術(shù)采集地面控制點信息，對全域圖像進行修正。②對修正模型進行選取，并設定修正參數(shù)。在多波段影像與正射校正的全域圖像中，選取8個清晰的畫面，并以修正后的全域圖像為參考進行配準；③重新取樣圖像，在進行圖像正射校正時，圖像像素的位置因重新定位而造成圖像像素的不均勻分布，所以需要對圖像進行再抽樣，并對其進行再定位。

(2)圖像裁剪。為了降低露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息的異常數(shù)據(jù)圖像的冗余信息，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，需要對露天礦的遙感圖像之外的部分進行裁剪。利用圖像處理技術(shù)，對所涉及的區(qū)域進行了分割，具體過程：①選取原圖像中需要向量網(wǎng)格化的區(qū)域，將平面矢量圖轉(zhuǎn)換成二值網(wǎng)格，像素尺寸不變；②在向量柵格基礎(chǔ)上建立一個區(qū)域；③將圖像內(nèi)部像素值設為1，其余區(qū)域像素值為0，再進行交叉操作，從而獲得分割后的圖像，完成圖像裁剪。

2.2 露天礦主體設備結(jié)構(gòu)配置

設置以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的露天礦特征提取流程，實現(xiàn)露天礦數(shù)據(jù)的全面集成與統(tǒng)一管理，充分挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在價值，一級指標測度矩陣具有預警能力、應急能力、管理能力以及重建能力。大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應用流程具體如下：露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列里周期分量的特征提取就是為了判斷露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列周期，通常情況下周期判斷方法有小波變換[6]。按照露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列周期屬性，融合新的方法設定周期，對露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列實施差分運算，為了保障露天礦主體設備正常運行效果，增加主體設備系統(tǒng)內(nèi)部的處理器，對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控管理；通過設置監(jiān)控主體設備提高控制精度和預警精確性[7]。露天礦主體設備系統(tǒng)中還建立了數(shù)據(jù)庫[8]，以便在運行過程中有效地對屬性特征進行提取。在露天礦特征提取過程中，進一步優(yōu)化調(diào)峰單元結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對專用露天礦主體設備的有效管理。在此基礎(chǔ)上，對露天礦主體設備結(jié)構(gòu)配置進行了整體設計，具體如圖1所示。

圖1 露天礦主體設備結(jié)構(gòu)配置Fig.1 Structural configuration of main equipment in open-pit mine

由圖1可知，通過露天礦系統(tǒng)控制層和數(shù)據(jù)傳輸層處理海量大數(shù)據(jù)，利用信息采集層實現(xiàn)對海量大數(shù)據(jù)的有效采集和處理，結(jié)合數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)管理，獲取露天礦主體設備運行的狀態(tài)信息，結(jié)合監(jiān)控主體設備，對露天礦主體設備結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

當露天礦主體設備結(jié)構(gòu)配置中存在多個露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]，將露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)全部序列依次進行提取，其過程如下所示：①若露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列里具有異常特征，那么把異常特征空值去除，序列長度變短。②將處理后的數(shù)據(jù)實行聚類，離群點導進露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值點。

2.3 大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡特征提取流程

針對露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列中全部點，它的本質(zhì)是露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列里全部周期中同一位置點集，去除突發(fā)分量與隨機誤差干擾，理論中存在一樣的分布特征[10]。如果露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列趨勢分量是固定值，那么全部點屬于相同水平直線中，此直線之外的全部點都看作數(shù)值點；如果序列的趨勢分量根據(jù)固定的規(guī)律分布，則若沒有按這個規(guī)律分布的點就視為數(shù)值點；若序列趨勢分量是隨機分布的，那么必須獲取隨機分布區(qū)間，基于此區(qū)間之外的點都屬于露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值點。大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡特征提取流程如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡特征提取流程Fig.2 Flow chart of big data network feature extraction in open-pit area

由圖2可知，大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡特征提取的基本流程為：首先獲取并劃分露天礦區(qū)域網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)礦區(qū)相關(guān)性進行數(shù)據(jù)挖掘，然后進行大數(shù)據(jù)下露天礦特征提取，若特征提取量≥1時，直接進行輸出特征操作；若特征提取量<1，則需重復大數(shù)據(jù)下露天礦特征提取操作，特征提取量≥1時可進行下一步操作，直到完成大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡特征提取。

3 實例分析

為了驗證提出的大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應用流程的有效性和可行性，選取某露天礦作為實驗對象進行分析，該區(qū)域占地面積為100 hm2，礦區(qū)內(nèi)有煤炭、銅、琥珀、重晶石、鏡鐵礦、石膏等礦產(chǎn)資源，以煤礦為主。礦床富集區(qū)在地表淺部，其上部煤層以煤灰為主，下部煤層以焦煤為主，地形較為平坦，采取了露天開采的方法。該露天礦山地質(zhì)環(huán)境作業(yè)現(xiàn)場如圖3所示。

根據(jù)圖3提出實驗所需數(shù)據(jù)，具體參數(shù)內(nèi)容見表1。

3.1 地物信息特征提取

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提取該露天礦的地物信息特征，所提取的露天礦地物特征包括采礦場、排土場、道路、河流、建筑、植被等類型。地物信息特征提取結(jié)果如圖4所示。

圖3 露天礦山地質(zhì)環(huán)境作業(yè)現(xiàn)場Fig.3 Geological environment operation site map of open pit mine

表1 實驗參數(shù)配置Tab.1 Experimental parameter configuration

由圖4提取出的地物信息特征可以看出，該露天礦區(qū)的采礦場面積較大，河流顏色特征明顯，且該露天礦下提取的地物信息紋理特征明顯，建筑物密集排列以及植被覆蓋面積較大，說明該露天礦的地質(zhì)環(huán)境較為良好，且生態(tài)環(huán)境相對較好。

圖4 地物信息特征提取結(jié)果Fig.4 Feature extraction results of ground feature information

3.2 提取性能測試結(jié)果

根據(jù)表1實驗配置內(nèi)容，為深度分析本文方法的地質(zhì)環(huán)境特征信息提取性能，設定露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息正常數(shù)據(jù)(未產(chǎn)生不良結(jié)果)與異常數(shù)據(jù)(造成不良結(jié)果)，分析本文方法對正常數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)的提取精度，結(jié)果見表2。由表2可知，本文方法對2種露天礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中異常特征數(shù)據(jù)的整體提取精度為97%，提取性能顯著。

3.3 有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果

在該露天礦山邊坡設置一個數(shù)據(jù)采集器，選取采集到的近一個月數(shù)據(jù)作為地質(zhì)環(huán)境特征信息提取的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時根據(jù)下列環(huán)境保護原則進行實驗驗證。

(1)在露天礦山地質(zhì)環(huán)境中，公眾參與是發(fā)展過程中的一個重要環(huán)節(jié)，邀請公眾參與，同時向公眾傳授相關(guān)地質(zhì)環(huán)境保護特征信息知識，不僅能使公眾認識到露天礦山地質(zhì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的重要性，而且能在今后的管理和維護中發(fā)揮很強的優(yōu)勢，提高公眾的素質(zhì)，使人們更深刻地認識可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對露天礦山地質(zhì)環(huán)境發(fā)展的重要意義。

表2 提取性能測試結(jié)果Tab.2 Performance test results of this method

(2)遵循可持續(xù)性發(fā)展原則，該原則是遵循一種全新價值、道德以及倫理的觀念，在本質(zhì)上是充分利用現(xiàn)代科技手段，通過發(fā)展清潔生產(chǎn)、開發(fā)綠色資源，來改善以及優(yōu)化露天礦山地質(zhì)環(huán)境，從而促進人和自然的和諧發(fā)展，促進礦山地質(zhì)、環(huán)境、資源以及人口之間的相互協(xié)調(diào)性。

在上述原則基礎(chǔ)上，在研究區(qū)域設定10個監(jiān)測點，對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，提取開采后監(jiān)測點位移結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理的有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果見表3。

表3 有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果Tab.3 Effective data set extraction results

分析表3能夠看出，本文方法識別結(jié)果與實際測量結(jié)果較為接近，說明大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應用可以提升數(shù)據(jù)提取精度，本文方法具有較高的提取準確性，有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果的置信度較高。在該露天礦山中分別選取A、B、C以及D四個礦點作為評價指標，分別計算4個礦點的2020年的一級指標測度矩陣，測度矩陣結(jié)果見表4。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，表明該露天礦山2020年各方面能力有進一步的提高，預警能力和應對能力都達到良好以上級別，表明露天礦山地質(zhì)環(huán)境一直處于良性發(fā)展狀態(tài)中，隨著監(jiān)測預警和應對機制的完善，露天礦山的環(huán)境保護也相應得到保障。因此，將露天礦山的環(huán)境保護作為地質(zhì)環(huán)境治理工作的重點，具體內(nèi)容描述如下。

表4 2020年一級指標測度矩陣結(jié)果Tab.4 Primary index measurement matrix in 2020 year

(1)露天煤礦生態(tài)的設計應該將持續(xù)發(fā)展作為基礎(chǔ)，可以整體改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及持續(xù)利用，從而保障了露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

(2)在煤礦開采過程中，要加強邊坡監(jiān)測，及時清除陡坡，清理廢土石，防止崩塌，消除地質(zhì)災害隱患。在采煤后期進行削坡減載、綠化等措施。

(3)注意保護露天礦山內(nèi)的植被資源，防止破壞生態(tài)環(huán)境；在防治區(qū)附近和周圍設置警示牌，禁止越界和無序開采；對已停采或終采礦山，應及時進行恢復治理，以防止對環(huán)境造成破壞；對已停采地段或終采礦山，應及時進行修復。

4 結(jié)論

露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息提取實時性與準確性對預防災害、保護人們生命和財產(chǎn)安全意義重大。為了實現(xiàn)高精度的露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息提取，本文提出一種大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應用流程。將該方法應用于2020年某露天礦山地質(zhì)環(huán)境案例中進行有效性測試，經(jīng)測試結(jié)果顯示：本文方法對2種露天礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中異常特征數(shù)據(jù)的整體提取精度為97%；同時有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果的置信度高達97%，表明該露天礦山的部分區(qū)域存在較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，環(huán)境保護問題得到保障。