劉 偉

（云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600）

0 引 言

露天開采是國內(nèi)外礦山開采的普遍形式，其中露天礦采掘剝離廢石排棄的堆積體被稱為排土場，它由承納廢石的基底和排棄的散體廢石兩部分組成.由于一些礦山的剝采比越來越大，導(dǎo)致排土量十分巨大，一些大型排土場的最大垂高達(dá)到了400m左右，最大容量達(dá)10×108m3［1］.露天礦排土場的失穩(wěn)在我國露天礦山，特別是多雨的南方礦山非常普遍.排土場失穩(wěn)將導(dǎo)致礦山土場災(zāi)害和重大工程事故，不僅影響到礦山的正常生產(chǎn)，也將使礦山蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失［2］.

根據(jù)1991年對我國的12個(gè)大型露天礦的排土場及維護(hù)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果表明，露天礦排土場潛在著嚴(yán)重的不穩(wěn)定因素［3－4］，所以對排土場進(jìn)行監(jiān)測以及搭建對應(yīng)的監(jiān)測平臺十分必要.本文充分利用遙感影像能夠高清度的顯示排土場分布的特征，將遙感影像和排土場的監(jiān)測結(jié)合起來，形成基于遙感的排土場監(jiān)測系統(tǒng)平臺，并在云南磷化集團(tuán)得到了應(yīng)用.

1 遙感監(jiān)測系統(tǒng)平臺構(gòu)架

1.1 設(shè)計(jì)理念

平臺在建設(shè)中采用有效溝通、獨(dú)立建設(shè)、有效集成的理念，通過制定一套遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的遙感數(shù)據(jù)共享服務(wù)接口，結(jié)合各類專業(yè)監(jiān)測的設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Web Service）的方式發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，保證在新增加的監(jiān)測數(shù)據(jù)集成行和數(shù)據(jù)的發(fā)布上能有較高的擴(kuò)展性.

1.2 平臺總體架構(gòu)

排土場遙感監(jiān)測平臺運(yùn)行在單位的局域網(wǎng)環(huán)境中，依據(jù)數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)軟件層、服務(wù)層、應(yīng)用層的多層體系架構(gòu)進(jìn)行搭建，采用服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)（Service－Oriented Architecture，以下簡稱：SOA）的思想進(jìn)行各類應(yīng)用間的聚合［5］，總體構(gòu)架如圖1所示.在數(shù)據(jù)上，最主要的是將遙感影像數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)氐牡V山坐標(biāo)系進(jìn)行結(jié)合，保證能在系統(tǒng)中進(jìn)行距離量測、監(jiān)測點(diǎn)布置等相關(guān)工作.在平臺上，針對數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，為了能夠快速瀏覽數(shù)據(jù)，需要在網(wǎng)格數(shù)據(jù)發(fā)布的時(shí)候采用瓦片技術(shù)，從而使瀏覽的時(shí)候只需要調(diào)度可視區(qū)域的數(shù)據(jù)，使瀏覽的速度大幅提升.在監(jiān)測數(shù)據(jù)集成方面，通過坐標(biāo)系統(tǒng)與監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，監(jiān)測點(diǎn)再與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而在遙感平臺上面可以直接查看監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù).

圖1 基于遙感影像的監(jiān)測平臺總體構(gòu)架Fig.1 Overall framework based on remote sensing images monitoring platform

2 關(guān)鍵性技術(shù)研究

2.1 遙感數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與鑲嵌

由于高精度衛(wèi)星影像每幅數(shù)據(jù)的范圍是一定的，而露天礦山的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于影像的圖幅范圍，所以在制作整個(gè)礦山區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)時(shí)就需要將多幅影像進(jìn)行配準(zhǔn)與鑲嵌.

遙感影像配準(zhǔn)鑲嵌流程一般可分為遙感影像預(yù)處理、影像配準(zhǔn)和影像鑲嵌三個(gè)步驟，如圖2所示.在完成處理的過程中，圖像配準(zhǔn)技術(shù)、圖像鑲嵌技術(shù)是圖像拼接的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).

圖2 遙感影像處理流程圖Fig.2 Remote sensing image processing flow chart

a.影像的預(yù)處理主要解決兩幅影像間的色差或者圖像增強(qiáng)、平滑等基礎(chǔ)圖像處理，使得圖像的色彩更加能表達(dá)關(guān)注物體的特征.

b.影像配準(zhǔn)主要解決傳感器通過的光路不同或者拍攝時(shí)間和成像體制不一樣，各幅影像間可能出現(xiàn)相對的平移、旋轉(zhuǎn)、比例縮放等，影像的鑲嵌或融合不能直接處理進(jìn)行的相關(guān)問題.影像配準(zhǔn)是指依據(jù)一些相似度量決定影像間的變換參數(shù)使從不同傳感器不同視角不同時(shí)間獲取的同一場景的兩幅或多幅影像變換到同一坐標(biāo)系下的像素層上得到最佳匹配過程，待配準(zhǔn)圖像相對于參考圖像的配準(zhǔn)可以定義為兩幅圖像在空間和亮度上的映射，兩幅圖像可以分別用兩個(gè)二維數(shù)組I1（x，y）和I2（x，y）表示，他們分別表達(dá)了兩幅圖像的亮度值（或其他度量值），則兩幅圖像間的映射可以定義為：

式中：f為二維空間坐標(biāo)變換，g為一維亮度（或其他度量值）變換.最佳空間變換是影像配準(zhǔn)的關(guān)鍵，當(dāng)需要配準(zhǔn)多幅影像時(shí)，選取其中某一幅影像作為參考影像，其余影像分別相對參考影像進(jìn)行配準(zhǔn).

c.影像鑲嵌是指將兩幅或多幅影像（有可能在不同攝影條件下獲得）拼在一起，構(gòu)成一幅整體圖像的技術(shù)過程.鑲嵌時(shí)一個(gè)很重要的問題就是在待鑲嵌影像的重疊區(qū)選取曲線，利用這條曲線將圖像拼接起來，待鑲嵌的影像按照這條曲線拼接后曲線兩側(cè)的亮度變化不顯著或最小時(shí)，就認(rèn)為找到該拼接線.

2.2 遙感數(shù)據(jù)的糾正

對于拼接后遙感影像糾正到對應(yīng)的礦山坐標(biāo)系中，一般通過在影像上選取控制點(diǎn)與礦山坐標(biāo)系中的對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)對應(yīng)的關(guān)系求得轉(zhuǎn)換參數(shù)，并根據(jù)這些轉(zhuǎn)換參數(shù)來求取影像上其他點(diǎn)的新坐標(biāo)，以達(dá)到坐標(biāo)糾正的目的.常用的遙感影像幾何糾正的數(shù)據(jù)方法很多，主要包括相似變換法、仿射變換法以及多項(xiàng)式擬合法等.在此采用的是仿射變換法.

仿射變換主要是對圖形作繞原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、比例縮放以及平移等變換.定義二維歐氏空間中的仿射變換為ω：R2→R2f（ξk，ηk）為變換前二維空間中的一點(diǎn)，其仿射變換后影像上的點(diǎn)為（xk，yk），寫成矩陣形式［6］為：

式中a0，b0為平移參數(shù)，u1，u2為尺度參數(shù)，α 為旋轉(zhuǎn)參數(shù).

控制點(diǎn)的選取對遙感影像的糾正精度有著決定性的影響，高精度控制點(diǎn)的獲取至關(guān)重要，因此像控制點(diǎn)的采用方式為內(nèi)業(yè)選點(diǎn)后結(jié)合外業(yè)實(shí)地采集的方法.選點(diǎn)依據(jù)為影像上房屋、小路夾角、田埂邊角或者邊界清晰的明顯地物點(diǎn)，同時(shí)要兼顧實(shí)地采集的可能性，盡量選擇交通相對便利、儀器架設(shè)方便的地方，一般情況下由于影像拍攝時(shí)間和控制點(diǎn)布控時(shí)間有一定時(shí)間差，導(dǎo)致影像地形與實(shí)際地形有出入，因此盡可能選擇一些大型房屋的角點(diǎn)作為控制點(diǎn).

2.3 基于瓦片的遙感數(shù)據(jù)分塊

由于礦山區(qū)域的影像數(shù)據(jù)量十分巨大，如果直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，則打開影像的時(shí)間會十分漫長，為了解決數(shù)據(jù)瀏覽的快速性，采用瓦片技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊管理.

2.3.1 基于哈希格網(wǎng)的改進(jìn)橢球四叉樹 基于哈希格網(wǎng)的改進(jìn)橢球四叉樹（Hash Table based Ellipsoidal Quadtrees，以下簡稱：HEQT）空間索引修訂了傳統(tǒng)橢球四叉樹索引方法中切片的剖分方法，采用了等邊長（度為單位）的切片剖分方式，使切片的索引可以通過簡單的哈希函數(shù)計(jì)算得到，如圖3所示.

圖3 基于哈希格網(wǎng)的改進(jìn)橢球四叉樹（HEQT）示意圖Fig.3 Schematic diagram of hash table based ellipsoidal quadtrees

2.3.2 HEQT 的空間索引 a.切片大?。涸O(shè)S（L＝0，1，2，…，n）為橢球四叉樹各個(gè)級別節(jié)點(diǎn)切片的大小，以度為單位，L為級別，0代表根切片，依此類推，則不同級別的S（i）之間存在如下關(guān)系：Si＝S0／（2i）（以度為單位）.

b.切片索引（key）：每個(gè)切片都可以通過參數(shù)L，Row，Col（四叉樹切片的級別，列和行，其中L＝0，1，2，…，n）唯一確定，任意切片的key可以確定為如下的字符處：

key＝L ＆ “－”＆Row ＆ “－”＆Col，也可以通過參數(shù)L，Row，Col的移位運(yùn)算求得唯一的整數(shù)值作為key.

切片可以保存在計(jì)算機(jī)硬盤、網(wǎng)絡(luò)硬盤或者關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)切片的索引值即可構(gòu)造保存位置與切片的對應(yīng)關(guān)系.

c.根據(jù)地理位置計(jì)算切片索引：經(jīng)緯度longitude，latitude所在切片的行和列（Row，Col）為：

其中Si為當(dāng)前級別切片的大小.這樣即可根據(jù)地理位置獲得切片索引，并定位到具體的物理記錄.

d.切片地理坐標(biāo)和范圍的計(jì)算：如果已知L，Row，Col，則切片左下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)為longitude，latitude，有：

其中Si為當(dāng)前級別切片的大小.

通過以上關(guān)系即可建立基于哈希的格網(wǎng)索引.

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合

在遙感數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的前提下，需要將遙感數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)與監(jiān)測布置的相關(guān)位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后通過監(jiān)測位置查詢相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料.

針對排土場的監(jiān)測，根據(jù)排土場的生產(chǎn)要求以及變形、破壞幾何因素確定排土場的監(jiān)測內(nèi)容［1］如下：監(jiān)測排土場的沉降壓縮變形以及它與時(shí)間的相關(guān)性；對基底和排土場內(nèi)部孔隙水壓力和降雨量、地表徑流量等進(jìn)行觀測；監(jiān)測排土場某點(diǎn)在三維坐標(biāo)上的變形與位移量，以及它的影響因素；監(jiān)測排土場內(nèi)部不同深度的變形特征和位移；雨量監(jiān)測，降雨量對排土場失穩(wěn)、泥石流發(fā)生有著重要的誘發(fā)作用.研究排土場產(chǎn)生滑坡和泥石流的邊界條件并對排土場滑坡和泥石流進(jìn)行預(yù)報(bào)，這些數(shù)據(jù)通過監(jiān)測錄入到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，然后通過儀器埋設(shè)位置與遙感影像的坐標(biāo)位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成可以基于遙感影像查詢的監(jiān)測數(shù)據(jù).

3 工程實(shí)例

云南磷化集團(tuán)有限公司是中國最大的現(xiàn)代化露天磷礦采選企業(yè)，建設(shè)有昆陽磷礦、?？诹椎V、尖山磷礦、晉寧磷礦四座大型露天礦山，原礦的生產(chǎn)能力每年達(dá)到1300×104t.擁有10多座排土場，所以排土場的監(jiān)測有著重要的意義.

工程通過利用快鳥衛(wèi)星遙感影像（QuickBird）對整個(gè)礦區(qū)排土場進(jìn)行了管理，對重點(diǎn)的排土場進(jìn)行了監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入和分析，形成了一套基于遙感影像為基礎(chǔ)的監(jiān)測系統(tǒng)平臺.

通過對遙感影像的配置鑲嵌與糾正，獲得對應(yīng)的遙感圖像，并將遙感影像分割為256×256大小的圖片，作為數(shù)據(jù)發(fā)布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，如圖4所示.

利用排土場監(jiān)測平臺，將數(shù)據(jù)錄入到平臺中，并通過坐標(biāo)關(guān)系將數(shù)據(jù)與遙感影像結(jié)合，再結(jié)合監(jiān)測的數(shù)據(jù)值以及排土場的基礎(chǔ)信息，形成基于遙感數(shù)據(jù)的排土場監(jiān)測系統(tǒng)平臺如圖5所示，通過平臺能對排土場基礎(chǔ)信息和排土場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、對排土場面積進(jìn)行量算等基礎(chǔ)操作.

圖4 糾正后的遙感影像與瓦片數(shù)據(jù)Fig.4 Corrected remote sensing image and tile data

圖5 基于遙感的排土場監(jiān)測系統(tǒng)界面Fig.5 System interface based on remote sensing monitoring system of the waste dump

4 結(jié) 語

本文利用遙感數(shù)據(jù)，用仿射變換對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成正射的遙感影像數(shù)據(jù)，將遙感數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，形成了統(tǒng)一的監(jiān)測系統(tǒng)平臺，基于該平臺可以監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，排土場量測等工作，使得排土場的監(jiān)測展示更加直觀.作為一個(gè)監(jiān)測平臺，還有以下部分需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)：

a.將地質(zhì)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，地形與地質(zhì)對排土場的穩(wěn)定性有一定影響，將地質(zhì)數(shù)據(jù)套合在遙感影像數(shù)據(jù)中，對工程技術(shù)人員研究排土場的穩(wěn)定有積極意義.

b.考慮在數(shù)據(jù)錄入的時(shí)候能夠接收全自動的監(jiān)測儀器的錄入，對不同類型的自動化監(jiān)測儀器形成接收數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，保證系統(tǒng)平臺的擴(kuò)展性.

［1］賀躍光.露天礦山排土場的變形破壞及其監(jiān)測［J］.中國錳業(yè)，2002，20（2）：11－14.

［2］廖國華.邊坡穩(wěn)定［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

［3］蔡美峰.金屬礦山當(dāng)前面臨的主要問題及對策［J］.礦業(yè)工程，2003，1（1）：40－43.

［4］中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會地面巖石工程專業(yè)委員會，中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會.中國典型滑坡［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［5］尹海燕，魏振華，王曉輝，等.基于 WebGIS的輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電力，2009，26（5）：66－70.

［6］李富平，蔡秀云.基于迭代函數(shù)的圖象生成方法的實(shí)踐與認(rèn)識［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，1999，11（1）：82－84.