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)測邊坡高度的增加,監(jiān)測范圍的擴大及監(jiān)測點數(shù)量的增多,邊坡監(jiān)測人員的作業(yè)環(huán)境越來越差,國內(nèi)外學(xué)者在邊坡變形自動化監(jiān)測中做了大量研究.例如，智利學(xué)者利用Leika APA-Win邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)和GPS對露天礦坑外圍的區(qū)域等進行監(jiān)測；加拿大專家布設(shè)GPS和時域反射儀(TDR)等設(shè)備在監(jiān)測邊坡穩(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)測系統(tǒng)等等[1].我國在邊坡監(jiān)測方面與國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)在邊坡進行監(jiān)測方面的嘗試.

湖北大冶鐵礦東露天采場位于武漢市東南部，經(jīng)過50余年的開采，已經(jīng)在燕山期花崗閃長巖與大冶群灰?guī)r接觸帶形成東西長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].該礦坑存在嚴重的高陡邊坡隱患，需進行坡體變形監(jiān)測.GPS與GIS結(jié)合的方式可構(gòu)建礦山邊坡變形的實時監(jiān)測數(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、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)測網(wǎng)絡(luò)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)完成坐標及相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，并在此基礎(chǔ)上實現(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)庫管理子系統(tǒng)和監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)兩個部分.其中，監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)可分為三個功能：監(jiān)測點管理、監(jiān)測數(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)測預(yù)警系統(tǒng)功能圖

1.1 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)是礦山監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，它主要包括GPS監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)包含監(jiān)測所得GPS數(shù)據(jù)及在此基礎(chǔ)上的各項分析參數(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)測預(yù)警子系統(tǒng)

監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)是礦山監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是利用GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)和GIS相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對大冶高陡邊坡的實時監(jiān)測并滑坡預(yù)警.因此，它包含三個主要功能：監(jiān)測點管理，將GPS監(jiān)測點和GIS信息關(guān)聯(lián)起來，提高了GPS儀器的布點分析能力，增強了系統(tǒng)的可視化效果；監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形分析，以便于準確、可靠的提供滑坡監(jiān)測工作基準的穩(wěn)定性和監(jiān)測點的變形狀況；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接收機與數(shù)傳電臺相結(jié)合的方法來獲取監(jiān)測數(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

通過靜態(tài)GPS接收機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)中心控制站進行數(shù)據(jù)解算，得到坐標值，坐標值再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜胤?wù)器，形成本系統(tǒng)所需的監(jiān)測數(shù)據(jù).本系統(tǒng)通過購買南方公司自主生產(chǎn)研發(fā)的一整套設(shè)備可獲得解算坐標數(shù)據(jù)，即從解算服務(wù)器獲得的坐標值，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.

該部分的主要問題有兩點：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)通訊；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫.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程的顯示.GIS平臺可顯示空間數(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)采用人機對話的方式來進行，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

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

圖5 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要操作界面

a. GPS實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點是數(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).實際應(yīng)用中，較大的數(shù)據(jù)量會影響軟件系統(tǒng)的運行速度.本系統(tǒng)對每小時、每天、每月統(tǒng)計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計平均，該方法的主要優(yōu)點有：①提高軟件運行速度；②方便用戶觀測和掌握數(shù)據(jù)的變化.

b. 礦山GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)易受周圍環(huán)境的影響，尤其是放炮震動在一定程度上影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常波動，當超過報警閾值時則會引發(fā)虛假報警.

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，放炮震動表現(xiàn)出正負位移變化特點.而當發(fā)生滑坡危險時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的坐標位移變化通常為單向變化.在具體實現(xiàn)中，本文將三維坐標x、y、z三個變量的差值進行正負值標識，用來判斷位移的變化方向.系統(tǒng)通過操作界面(如圖5)中數(shù)據(jù)區(qū)的“x、y、z累計位移過程圖”可觀察到位移的變化方向.

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)研究了目前在變形監(jiān)測中應(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，開發(fā)了基于GPS和GIS的大冶鐵礦高陡邊坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作起來簡單、直觀，可及時反映監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，出現(xiàn)危險信號時可提前報警.目前該系統(tǒng)已正常運行一年，結(jié)果表明具有較好的可靠性和實用性.

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：

[1]李海蒙,李軍財.國內(nèi)外礦山邊坡監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的最新進展[J].中國礦業(yè),2006,15(4):46-47.

[2]鄭國忠,徐嘉謨,馬鳳山,等.GPS技術(shù)在金川露天礦邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報,1998,6(3):282-288.

[3]欒元重,班訓(xùn)海.礦區(qū)GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的建立與變形值計算方法[J].礦山測量,2000,6(2):33-34.

[4]王艷飛.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)在磁海鐵礦邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].新疆鋼鐵.2008(4):42-46.

[5]盧新海,何保國,趙榮俊.大冶鐵礦高陡邊坡災(zāi)害信息處理系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)[J].地理空間信息,2006,4(4):11-12.

[6]肖云，周春梅，吳燕玲，等.露天采場高陡巖質(zhì)典型地段穩(wěn)定性分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報.2009,31(3):34-37.

[7]李先福.大冶東露天采場高陡邊坡自動監(jiān)測與應(yīng)急系統(tǒng)[R].武漢：武漢工程大學(xué)，2007.