CN109682425A - 一种尾矿库风险空天地一体化测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了矿山安全风险监测技术领域的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，步骤包括：1、获取遥感卫星对矿山区域不同时间段的照片，筛选出正常库和疑似异常库，对疑似异常库找出差异点区域；2、依据无人机启动阈值条件，启动无人机对疑似异常库进行低空航测，获取二维空间数据信息；3、依据三维激光启动阈值条件，启动三维激光对疑似异常库进行测量，获取三维空间数据信息，建立三维空间模型；4、三维空间数据信息中的参数指标达到阈值范围时，启动实时监控；5、实时监控异常指标，发出预警。本发明实现了大范围内的尾矿库分层级监控，并及时、定量、低成本地获取尾矿库参数数据，对风险进行预警。

Description

一种尾矿库风险空天地一体化测控方法

技术领域

本发明涉及一种矿山安全风险监测技术领域，特别涉及一种尾矿库风险空天地一体化测控方法。

背景技术

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。对于尾矿库环境风险评估和监测，我国正处于逐步推进趋于成熟的阶段。

现有技术中，对尾矿库采用监测的手段常见的有：遥感卫星、三维激光等。遥感卫星影像具有大范围、时空连续、周期性、易获取及低成本的优点，但是只能得到影像数据，分辨率有限，缺少用于分析的详细数据；三维激光能收集存在风险的滑坡体的详细数据，便于定量分析，但是当监测范围较广时成本高，耗时长，某些地方不易到达探测地点，难以全面掌握重大***风险。

发明内容

本发明的目的在于综合了多种监测手段的优势，提供一种尾矿库风险空天地一体化测控方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，步骤包括：

S1：获取遥感卫星对矿山区域不同时间段的影像，对比不同时间段的图像信息，筛选出正常库和疑似异常库，对所述疑似异常库找出差异点区域；

S2：依据无人机启动阈值条件，启动无人机对疑似异常库进行低空航测，在高分图上进行无人机航迹规划，无人机与风向夹角小于阈值，低空航测完毕后，对数据进行处理，获取二维空间数据信息；

S3：依据三维激光启动阈值条件，启动三维激光对疑似异常库进行测量，获取三维空间数据信息，建立三维空间模型；

S4：三维空间数据信息中的参数指标达到阈值范围时，判定为异常指标，启动实时监控；

S5：实时监控异常指标，发出预警。

启动三维激光对疑似异常库进行测量的方式为采用无人机搭载三维激光设备进行测量或者采用地面三维激光设备进行测量。

实时监控包括以下一种或几种方式：北斗定位监测、水位计监测、摄像机监测。

筛选出正常库和疑似异常库的方法是，对比不同时间段的图像信息，图像信息显示无差异区域或者存在差异区域面积小于等于面积差异阈值，认为是正常库，当差异区域面积大于面积差异阈值，认定为疑似异常库，对疑似异常库找出差异点区域，差异点的区域包括：尾矿库区范围、汇水区域和下游可能影响区域，在尾矿库区范围内查看周边山体是否有滑坡、塌方和泥石流；检查坝体是否有滑坡、变形；检查坝体是否有位移；在汇水区域内，测量汇水区域的轮廓和汇水面积、测量滩顶高程，在下游可能影响区域内查看是否有违章建筑。

无人机启动阈值条件是以下情况之一：周边山体有滑坡、塌方或泥石流；坝体出现滑坡、变形；坝体出现异常；汇水区域或者下游有新增工程活动；干滩长度小于设计干滩长度；需要获取尾矿库及周边环境的数据。

三维激光启动阈值条件是以下情况之一：滑坡体、塌方体或泥石流体积超出阈值范围；坝体变形超出阈值范围；干滩长度达到阈值范围；需要获取坝体准确三维尺寸时。

三维空间数据信息中的参数指标包括：初期坝脚标高、初期坝总外坡比、堆积坝总外坡比、干滩长度、堆积标高、总坝高、干滩反坡度。

在建立三维空间模型后，根据地探雷达启动阈值条件，启动地探雷达测量，收集地探雷达数据，地探雷达启动阈值条件是以下情况之一：坝体有纵向或横向裂缝；坝体有渗漏出逸点；周边有地质灾害隐患点。

收集地探雷达数据包括：地下结构数据、节理裂隙数据、裂缝发育数据。

一种尾矿库综合风险定量预警装置，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行以上所有关于一种尾矿库风险空天地一体化测控的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、实现了大范围内的尾矿库分层级监控，在宏观上，实现了周期性的排查，在微观上，又针对可疑区域，进行了高精度的数据收集和定量分析，提高了监控的效率。

2、本发明采用多种监测手段收集的数据，实现了及时、定量、低成本地获取尾矿库参数数据。

附图说明：

图1为本发明一种尾矿库风险空天地一体化测控方法流程图；

图2为实施例1某尾矿库2014年3月、2015年2月、2016年2月高分影像数据；

图3为实施例1某尾矿库遥感卫星图以及疑似库区滑坡隐患放大图；

图4为实施例1某尾矿库周边变化筛查图像；

图5为实施例1高分自动筛查与无人机数据核实隐患对比图像；

图6为实施例1无人机详查发干滩长度图像；

图7为实施例1坝体关键参数信息提取剖面布置；

图8为实施例1某尾矿库坝体深部结构安全检测分析图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本实施例以某尾矿库为例，对本发明方法进行说明。

第一步，获取遥感卫星对矿山区域不同时间段的照片，对比不同时间段的图像信息，筛选出正常库和疑似异常库，对所述疑似异常库找出差异点区域。

遥感卫星遥感能周期性地对地面目标进行持续观测，空间分辨率优于1m，针对矿山尾矿库，第一次建立尾矿库数据时，根据尾矿库的位置坐标在遥感卫星影像图片上找到尾矿库的位置，建立首次图像信息档案，根据尾矿库的设计方案，划定尾矿库观测区域，包括：尾矿库区范围、汇水区域和下游可能影响区域。

之后，周期性拍照获取影像数据，拍摄周期可设定为1年或半年，也可根据暴雨、地震等地质灾害发生情况，减小拍摄影像数据的周期。

图2为某尾矿库2014年3月、2015年2月、2016年2月高分影像，对比相邻三期影像数据，进行自动或者人工筛查，找出影像中发生变化的区域，筛选出正常库和疑似异常库，图像信息显示无差异点或者存在差异区域面积小于等于差异区域面积阈值，例如差异区域面积小于等于图像信息显示面积的2％，认为是正常库，当差异区域面积大于差异区域面积阈值，例如差异区域面积大于图像信息显示面积的2％，认定为疑似异常库。某尾矿库周边变化筛查图像如图4所示。对于正常库，仍然以一年或半年为周期拍摄遥感卫星影像图片，针对疑似异常库，对变化区域，获取更高分辨率的影像，放大疑似异常点，进行安全隐患分析，并确定是否采用无人机进行详查。分析的内容主要有：在尾矿库区范围内周边山体是否有滑坡、塌方和泥石流；坝体是否有滑坡、变形；坝体是否有位移；在汇水区域内，测量汇水区域的轮廓和汇水面积、测量滩顶高程，在所述下游可能影响区域内是否有违章建筑。某尾矿库遥感卫星图以及疑似库区滑坡隐患放大图如图3所示。

第二步，依据无人机启动阈值条件，启动无人机对疑似异常库进行低空航测，在高分图上进行无人机航迹规划，低空航测完毕后，对数据进行处理，获取二维空间数据信息。

通过高分影像图，可以完成大范围的排查，筛选出疑似异常库，在对疑似异常库进行分析时，受限于影像的分辨率，并不能对异常情况作出准确的判断，就需要出动无人机，进行现场的勘察，为进一步的分析获取更详细的数据。高分影像自动筛查与无人机数据核实隐患对比图像如图5所示，通过对比，能对隐患进行准确的核实。

疑似异常库变化区域有以下情况发生时，启动无人机进行详查：

1、尾矿库周边山体有滑坡、塌方或泥石流。因为塌方体落入汇水区域，极易造成库容减小，水位上升，当遭遇大暴雨的恶劣天气时极易引起溃坝决堤，给汇水区域下游的生命财产安全带来极大的损坏。

2、坝体出现滑坡、变形。需要进一步测量滑坡体的体积，以及坝体变形的具体尺寸，并排查造成坝体滑坡和变形的原因，以便及时采取补救措施。

3、坝体出现异常，如漏水、排水设施损坏或几何尺寸有突变等。需要现场更详细的数据收集，对异常情况进行确认，找出产生异常情况的原因，并估计异常影响的范围和程度。

4、汇水区域或者下游有新增工程活动；《尾矿库安全技术规程(AQ2006-2005)》对尾矿库下游的建筑施工有明确的规定，当出现新增工程活动时，需要进行现场勘查，收集数据，以数据和尾矿库设计标准作为通知相关部分对新增工程活动做出干涉的依据。

5、干滩长度小于设计干滩长度。干滩长度是尾矿库相关设计标准中的主要参考数据之一，干滩长度小于设计要求，极易引起尾矿库的溃坝决堤，给汇水区域下游的生命财产安全带来极大的损坏。无人机详查发现尾矿库干滩长度不满足要求图像如图6所示。

6、需要获取尾矿库及周边环境的数据时，如尾矿库坝体及重要设施是否完好、尾矿库与下游建筑设施的位置关系等。

由于已经获得疑似异常库的遥感卫星影像数据，可以直接在遥感卫星影像图上进行无人机航测航线规划，使得航迹规划便利，准确，在进行规划时，确定无人机的起飞点，降落点，航线方法和航线间距，特别的，在航迹规划时要考虑无人机飞行时与侧向风的夹角，以保证飞行时无人机侧向风影响最小，若无人机与风向夹角偏大，航拍照片重叠度即会增大，使得拍摄结果不满足要求，与遥感卫星图进行比对时，误差较大。

第三步，依据三维激光启动阈值条件，启动三维激光对疑似异常库进行测量，对数据进行处理，获取三维空间数据信息，建立三维空间模型。

当无人机航测获得的详查信息，对异常点进行了确认，但对于异常点的各项参数指标无法做出准确测量时，需要获得异常点的三维空间数据信息，启动三维激光进行测量和建模。启动三维激光对疑似异常库进行测量的方式为无人机搭载三维激光设备进行测量或者地面三维激光设备进行测量。当监控区域面积较广时，采用无人机搭载三维激光设备，获取三维空间数据信息，建立三维空间模型。当监控区域地势复杂，有遮挡区域不便于无人机采集数据时，采用地面三维激光设备进行测量。

三维激光启动阈值条件是以下情况之一：

1、滑坡体、塌方体或泥石流体积超出阈值范围，2、坝体变形超出阈值范围；3、干滩长度达到阈值范围；4、需要获取坝体准确三维尺寸时，如计算尾矿库坝高、容量、或者判断现状与设计是否相符等。以上所述阈值范围，可根据相关标准或者尾矿库设计资料进行设定。

对三维空间数据信息进行信息提取，提取内容包括：初期坝脚标高、初期坝总外坡比、堆积坝总外坡比、干滩长度、堆积标高、总坝高、干滩反坡度。某尾矿库三维激光数据信息如表1所示，通过对比现状的参数值和设计时的标准参考值，就可以对疑似异常库进行定量计算和定性分析。

表1三维激光数据信息

类别	现状	标准(设计)
			初期坝脚标高	1551.6	1565
初期坝总外坡比	1:2.17	1:2
			堆积坝总外坡比	1:5.05	1:5
干滩长度(m)	140.58	100
			堆积标高(m)	1705.58	1725
总坝高(m)	135.00	160
			干滩反坡度	1.20％	1.0％
总库容(万m<sup>3</sup>)	-	2991

第四步，三维空间数据信息中的参数指标达到阈值范围时，启动实时监控。

三维空间数据信息中的参数指标包括：初期坝脚标高、初期坝总外坡比、堆积坝总外坡比、干滩长度、堆积标高、总坝高、干滩反坡度。当参数指标超过阈值时，启动实时监控，实时监控包括以下一种或几种方式：北斗定位监测、水位计监测、摄像机监测。

以上步骤都是根据尾矿库的外表信息作出的分析和判断，不能排除，外表信息正常，而实际上，地下出现异常情况和安全隐患，及时排查出地下的地质隐患，检测出各地下结构参数，对风险和异常可以进行准确的预估，作为优选方案，当实时监控区域判定参数满足地下探测启动阈值条件，启动地下探测，在三维空间模型上进行地下探测规划，划定地下探测的区域，探测的起点、终点、探测的路线，进行实地勘察，收集地下探测数据，并进行检测分析。图8为某尾矿库坝体深部结构安全检测分析图。

地下探测启动阈值条件为：

1、坝体有纵向或横向裂缝；2、坝体有渗漏出逸点；3、周边有地质灾害隐患点。裂缝、渗漏出逸点、地质灾害隐患点都是表征地下存在裂变，极易引起滑坡、泥石流、坍塌等地质灾害的重要现象，启动地下探测，才能准确分析出地表下的地质构造以及发生地质灾害的诱因，判断出发生地质灾害的条件，制度实时监测方法和预警判据，为抢险和人员财产的转移，争取更多时间。

第五步，实时监控异常指标，发出预警。

预警包括安全系数、安全等级及相应的区域，以及重要参考指标：初期坝脚标高、初期坝总外坡比、堆积坝总外坡比、干滩长度、堆积标高、总坝高、干滩反坡度、总库容、坝***移、振动波形。图7为坝体关键参数信息提取剖面布置，可根据关键参数计算出调洪干滩线、警戒干滩线、危险干滩线，通过实时监控，发出不同的预警信号。

一种尾矿库综合风险定量预警装置，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述的方法。

Claims (10)

1.一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，步骤包括：

S1：获取遥感卫星对矿山区域不同时间段的影像，对比所述不同时间段的照片，筛选出正常库和疑似异常库，对所述疑似异常库找出差异点区域；

S2：依据无人机启动阈值条件，启动无人机对所述疑似异常库进行低空航测，在高分图上进行无人机航迹规划，无人机与风向夹角小于阈值，低空航测完毕后，对数据进行处理，获取二维空间数据信息；

S3：依据三维激光启动阈值条件，启动三维激光对所述疑似异常库进行测量，获取三维空间数据信息，建立三维空间模型；

S4：所述三维空间数据信息中的参数指标达到阈值范围时，判定为异常指标，启动实时监控；

S5：实时监控所述异常指标，发出预警。

2.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述启动三维激光对疑似异常库进行测量的方式为采用无人机搭载三维激光设备进行测量或者采用地面三维激光设备进行测量。

3.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述实时监控包括以下一种或几种方式：北斗定位监测、水位计监测、摄像机监测。

4.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述筛选出正常库和疑似异常库的方法是，对比所述不同时间段的照片，所述不同时间段的照片显示无差异区域或者存在差异区域面积小于等于面积差异阈值，认为是正常库，当差异区域面积大于面积差异阈值，认定为疑似异常库，对所述疑似异常库找出差异点区域，所述差异点的区域包括：尾矿库区范围、汇水区域和下游可能影响区域，在所述尾矿库区范围内查看周边山体是否有滑坡、塌方和泥石流；检查坝体是否有滑坡、变形；检查坝体是否有位移；在所述汇水区域内，测量汇水区域的轮廓和汇水面积、测量滩顶高程，在所述下游可能影响区域内查看是否有违章建筑。

5.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述无人机启动阈值条件是以下情况之一：周边山体有滑坡、塌方或泥石流；坝体出现滑坡、变形；坝体出现异常；汇水区域或者下游有新增工程活动；干滩长度小于设计干滩长度；需要获取尾矿库及周边环境的数据。

6.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述三维激光启动阈值条件是以下情况之一：滑坡体、塌方体或泥石流体积超出阈值范围；坝体变形超出阈值范围；干滩长度达到阈值范围；需要获取坝体准确三维尺寸时。

7.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述三维空间数据信息中的参数指标包括：初期坝脚标高、初期坝总外坡比、堆积坝总外坡比、干滩长度、堆积标高、总坝高、干滩反坡度。

8.如权利要求1所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，在所述建立三维空间模型后，根据地探雷达启动阈值条件，启动地探雷达测量，收集地探雷达数据，所述地探雷达启动阈值条件是以下情况之一：坝体有纵向或横向裂缝；坝体有渗漏出逸点；周边有地质灾害隐患点。

9.如权利要求8所述的一种尾矿库风险空天地一体化测控方法，其特征在于，所述收集地探雷达数据包括：地下结构数据、节理裂隙数据、裂缝发育数据。

10.一种尾矿库综合风险定量预警装置，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至9中任一项所述的方法。