露天煤礦生態(tài)監(jiān)測(cè)方法及智能化解決方案

吳君飛，盛世博

（1.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

目前大多數(shù)露天礦山進(jìn)行了大規(guī)模的礦山生態(tài)修復(fù)工作，部分礦山每年投入資金上億元，如何保障生態(tài)修復(fù)成果，抵御生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)成為一項(xiàng)重要的研究課題，而生態(tài)監(jiān)測(cè)是該問(wèn)題的重要解決手段。我國(guó)礦山生態(tài)修復(fù)目前已經(jīng)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)的發(fā)展方向，生態(tài)系統(tǒng)的有效管護(hù)更能幫助煤礦高效的提升環(huán)保軟實(shí)力，因此目前在環(huán)保領(lǐng)域的智能化監(jiān)管技術(shù)也得到了廣大學(xué)者的研究[1-2]。對(duì)于露天煤礦來(lái)說(shuō)，生態(tài)的修復(fù)效果與環(huán)保的保護(hù)效果同樣重要，因此在當(dāng)下的生態(tài)文明背景下更需要重視生態(tài)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)露天煤礦生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，提出建立智能化生態(tài)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，基于平臺(tái)數(shù)據(jù)匯總，構(gòu)建核心算法，最終形成智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)[3-4]。

1 露天煤礦生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

露天煤礦基于自身占地范圍較大、排土場(chǎng)分布較分散的特點(diǎn)，生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)應(yīng)包含土壤參數(shù)、氣象參數(shù)、水文參數(shù)以及植被參數(shù)，土壤參數(shù)、氣象參數(shù)、水文參數(shù)均對(duì)植物的長(zhǎng)勢(shì)存在直接或間接影響，因此礦山生態(tài)監(jiān)測(cè)的核心是維護(hù)植物健康生長(zhǎng)，指標(biāo)的選取應(yīng)圍繞對(duì)植物具有顯著影響的重要指標(biāo)。

1.1 土壤參數(shù)

土壤參數(shù)是指對(duì)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)存在正向（或負(fù)向）影響的一些指標(biāo)，其中部分土壤指標(biāo)適宜進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，部分指標(biāo)適宜進(jìn)行定期采樣監(jiān)測(cè)。土壤參數(shù)適宜進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主要包括土壤墑情、土壤鹽分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分，適宜定期監(jiān)測(cè)的指標(biāo)包括土壤密度、土壤持水能力、土壤機(jī)械組成、土壤團(tuán)聚體、土壤重金屬組成等指標(biāo)。

土壤墑情、土壤鹽分、土壤溫度屬于土壤常規(guī)的3 參數(shù)，可以通過(guò)布設(shè)土壤3 參數(shù)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以采用便攜式土壤3 參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行人工定期監(jiān)測(cè)，相對(duì)檢測(cè)手段成熟。土壤養(yǎng)分的監(jiān)測(cè)較復(fù)雜，盡管可以采用傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，由于速效態(tài)的養(yǎng)分監(jiān)測(cè)傳感器受外界影響較大，可以定期委托具備測(cè)試能力的單位對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)[5]。

土壤密度和土壤田間持水量主要基于環(huán)刀法，目前市面上存在相關(guān)的便攜式土壤密度測(cè)定儀，但測(cè)定原理也同樣基于環(huán)刀法的測(cè)定原理，適用性較低。土壤機(jī)械組成主要采用比重法測(cè)定，土壤團(tuán)聚體組成主要采用干篩和濕篩相結(jié)合的方式測(cè)定，土壤重金屬速測(cè)可以采用手持XRF 進(jìn)行測(cè)定，但是需要進(jìn)行儀器校準(zhǔn)并且檢出限較低，屬于定性半定量的檢測(cè)方法，精準(zhǔn)測(cè)定需要利用原子吸收、元素分析儀等儀器進(jìn)行測(cè)定，以上因素最終實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)的可能性不大，只能定期進(jìn)行巡查。

1.2 氣象參數(shù)與水文參數(shù)

氣象參數(shù)是最容易實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)定的，目前小型氣象站技術(shù)較為成熟，一般小型氣象站都可以開(kāi)通多通道同時(shí)測(cè)定多項(xiàng)指標(biāo)，主要測(cè)定指標(biāo)包括溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量、降雨強(qiáng)度等。根據(jù)生態(tài)監(jiān)測(cè)的目的性可以增加其他指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，例如關(guān)注水土保持方面可以調(diào)整氣象站的數(shù)據(jù)讀取頻率，計(jì)算I10、I60等降雨強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)可以構(gòu)建雨滴譜計(jì)算降雨動(dòng)能，預(yù)測(cè)礦山水土流失量，或采用多普勒雷達(dá)與地面雨量站相結(jié)合的方式對(duì)地面降水進(jìn)行估測(cè)和預(yù)判[6]。

水文參數(shù)主要包括地表水分布、面積、水質(zhì)和地下水水位、水質(zhì)等，該項(xiàng)參數(shù)是環(huán)境行業(yè)和國(guó)土行業(yè)要求必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，以上指標(biāo)需要專業(yè)機(jī)構(gòu)定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備也有，但是結(jié)果精度一般較差，難以取得信任。

1.3 植被參數(shù)

植被參數(shù)主要包括植被種類、分布、面積和植被成活率、覆蓋度、多樣性和病蟲(chóng)害等指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)植被的監(jiān)測(cè)需要采用宏觀和微觀相結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，宏觀監(jiān)測(cè)主要利用無(wú)人機(jī)多光譜進(jìn)行植被蓋度、病蟲(chóng)害、植被恢復(fù)面積等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。而植物成活率、植物多樣性和植物種類便需要人工進(jìn)行樣方法監(jiān)測(cè)。露天煤礦一般占地面積較大，排土場(chǎng)分散，因此數(shù)據(jù)量較大，難以整理和分析，這樣的問(wèn)題在植物監(jiān)測(cè)方面存在較大影響，應(yīng)該加強(qiáng)突破。

2 露天煤礦智能化生態(tài)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

露天煤礦智能化生態(tài)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的總體架構(gòu)一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和決策支持4 個(gè)模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集土壤參數(shù)、氣象參數(shù)與水文參數(shù)以及植被參數(shù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取有用的信息。決策支持模塊負(fù)責(zé)根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，提供決策支持和資源調(diào)配建議。生態(tài)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)主要用于整理生態(tài)修復(fù)過(guò)程中工作底圖數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、評(píng)估數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、過(guò)程分析數(shù)據(jù)、照片、音頻及視頻等資料。對(duì)各階段生態(tài)修復(fù)工作產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)分類整理、編目、存檔，進(jìn)行電子化存儲(chǔ)。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采用多種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，如氣象站、水文站、土壤傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。通過(guò)設(shè)定采集的頻次、頻率、臨界值等為指標(biāo)選取及計(jì)算提供豐富合理的數(shù)據(jù)源。除了固定端自動(dòng)采集也可以增加移動(dòng)終端和固定端相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。移動(dòng)端主要為檢測(cè)人員的手持設(shè)備或者無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行及時(shí)錄入，不斷更新上傳。數(shù)據(jù)采集可以通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，可以使用Zigbee、LoRa、NBIoT 等無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。同時(shí)，可以使用衛(wèi)星通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用云存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、去重、分類和格式化處理，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作。云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通常采用多重備份技術(shù)，確保數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)橛布收?、電力故障等原因而丟失。云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用了許多安全措施，如數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制等，確保用戶數(shù)據(jù)安全[8]。云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以隨時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，礦山可以隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整存儲(chǔ)空間。

3）數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊采用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，通過(guò)編程和內(nèi)置算法對(duì)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、處理和預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和完整性。例如，可以通過(guò)時(shí)間序列分析、空間插值等方法，對(duì)氣象、水文等數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和預(yù)測(cè)，以便更好地了解生態(tài)修復(fù)的效果和趨勢(shì)。同時(shí)，該模塊還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，通過(guò)提前內(nèi)置圖表、地圖等展示模板，以可視化的方式展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果，直觀觀察數(shù)據(jù)趨勢(shì)。

4）決策支持模塊。決策支持模塊根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，提供決策支持和資源調(diào)配建議[9]。例如，可以根據(jù)氣象、水文等數(shù)據(jù)，制定生態(tài)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃和調(diào)度方案，或者提供決策支持和資源調(diào)配建議。利用病蟲(chóng)害等監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)目前礦山排土場(chǎng)的病蟲(chóng)害情況進(jìn)行提前預(yù)警，并給出解決方案。

3 露天煤礦智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)

露天煤礦智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)是將智能化技術(shù)應(yīng)用于煤礦生態(tài)養(yǎng)護(hù)保護(hù)中的一種解決方案。養(yǎng)護(hù)平臺(tái)可以將無(wú)人機(jī)、遙感技術(shù)、圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)應(yīng)用于煤礦生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)修復(fù)和生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生態(tài)環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)、評(píng)估、修復(fù)和保護(hù)。智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)是在智能化生態(tài)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)基礎(chǔ)上增加了邏輯判斷的功能，從宏觀角度來(lái)看，智能化養(yǎng)護(hù)平臺(tái)的主要功能包括煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)、煤礦生態(tài)修復(fù)、煤礦生態(tài)管理、煤礦安全監(jiān)測(cè)等。通過(guò)無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)，可以對(duì)煤礦的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行高效、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和評(píng)估；通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，可以對(duì)煤礦環(huán)境中的植被、水體、土地等進(jìn)行識(shí)別和分類；通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以對(duì)煤礦生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì)、影響因素等進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。從微觀角度來(lái)看，養(yǎng)護(hù)平臺(tái)包括智能噴淋系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)土壤與植被監(jiān)測(cè)及病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、墑情及病蟲(chóng)害自動(dòng)預(yù)警、水肥藥管理遠(yuǎn)程操控及智能化數(shù)據(jù)管理，通過(guò)開(kāi)發(fā)控制平臺(tái)可以遠(yuǎn)程對(duì)土壤墑情、土壤肥力、氣象數(shù)據(jù)、植物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害情況等進(jìn)行監(jiān)控及控制。通過(guò)不斷收集礦山生態(tài)信息建立基本的邏輯判斷體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析及基礎(chǔ)預(yù)測(cè)，從而智能化的指導(dǎo)露天煤礦生態(tài)養(yǎng)護(hù)。

智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)的發(fā)展首先應(yīng)需要對(duì)于礦山至少3～5 年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，建立可靠的數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)不斷的數(shù)據(jù)磨合確定最優(yōu)的參數(shù)算法，從而建立完善的智能決策體系。智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)以節(jié)約礦山生態(tài)養(yǎng)護(hù)成本為首要任務(wù)，合理化的確定水肥藥供給量，防止過(guò)度施用產(chǎn)生的浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

露天煤礦智能化生態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)以人工監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，建立露天煤礦智能化生態(tài)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，在數(shù)據(jù)積累的前提下，確定各項(xiàng)生態(tài)要素的閾值和適宜范圍，秉持著“1 礦1 策”的基本原則，逐漸形成適用于露天礦山的智能化生態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，應(yīng)建立健全的集中控制、移動(dòng)終端、移動(dòng)數(shù)據(jù)收集端和生態(tài)監(jiān)測(cè)邏輯體系，增加數(shù)據(jù)收集的簡(jiǎn)易型、數(shù)據(jù)管理的便捷性和邏輯分析的準(zhǔn)確性。