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        基于RS的礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

        2021-11-02 08:34:18郭德嶺
        中國金屬通報 2021年10期
        關(guān)鍵詞:預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警礦山

        郭德嶺

        (安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局324地質(zhì)隊,安徽 池州 247000)

        在市場經(jīng)濟工業(yè)化發(fā)展的帶動下,礦山地質(zhì)資源正逐步被大量開發(fā),尤其在1980年后,市場發(fā)展對于礦山資源的需求量急劇增多,為了滿足市場建設(shè)與社會發(fā)展的需求,礦山開發(fā)單位加大了對地質(zhì)的勘查與開采。盡管在此過程中實現(xiàn)了對工業(yè)發(fā)展的滿足,但由于開發(fā)單位一味地強調(diào)經(jīng)濟效益與開發(fā)量,導(dǎo)致礦山地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)一種顯著的惡化趨勢[1]。產(chǎn)生此種問題的主要原因在于開發(fā)單位安全管理能力差、礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)落后等。提出的不規(guī)范行為,在某種程度上造成了礦山環(huán)境惡化,致使近年來礦山地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。包括洪水、區(qū)域地表坍塌、地裂縫、泥石流等,一些礦產(chǎn)資源過度開發(fā)的地區(qū)甚至出現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害難以控制的嚴(yán)重問題。倘若針對提出的問題,不對其加以控制,或無法做到對災(zāi)害發(fā)生的早期預(yù)警,不僅會對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與群體生命安全造成某種程度的威脅,甚至也會在一定程度上對生活在區(qū)域的群眾或礦山地質(zhì)開采人員造成生命安全威脅。綜合目前市場對此方面的研究進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)我國截至目前仍沒有針對此方面提出有效的研究成果,因此,本文將引進(jìn)RS技術(shù),針對礦山地質(zhì)開發(fā)現(xiàn)狀,設(shè)計一種可實現(xiàn)對災(zāi)害早期預(yù)警的系統(tǒng)。希望通過此次研究,降低由于礦山地質(zhì)災(zāi)害對地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的影響,保障礦山地質(zhì)勘查相關(guān)工作的安全實施。

        1 硬件設(shè)計

        為了確保系統(tǒng)在運行過程中對預(yù)警信息的有效傳遞,本文選擇預(yù)警信息通信設(shè)備作為系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備??紤]到系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行終端傳輸?shù)?,為了確保對預(yù)警信息通信的效率化與協(xié)調(diào)化,可采用在系統(tǒng)運行電路中搭建W5500數(shù)據(jù)傳輸平臺的方式,進(jìn)行STM23.0數(shù)據(jù)與W5500之間進(jìn)行信息交換。

        系統(tǒng)在運行過程中,主控制器端口與預(yù)警信息通信設(shè)備端口連接后,可進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送,此時兩者之間將在互聯(lián)網(wǎng)的支撐下存在某種必然關(guān)系[2]。當(dāng)W5500與物聯(lián)串口之間通過控制芯片連接時,預(yù)警信息通過無線互聯(lián)網(wǎng)與yelink平臺連接,此時終端便可以實現(xiàn)與信息之間的交互。其中預(yù)警信息通信設(shè)備與系統(tǒng)主控器連接可用如下圖1表示。

        圖1 預(yù)警信息通信設(shè)備與系統(tǒng)主控器連接示意圖

        按照上述圖1所示連接方式,連接系統(tǒng)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu),同時,選擇2.5GHz的無線接收裝置連接NRF模塊與系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。傳感器采用獲取數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)的方式,感知礦山地質(zhì)信息中是否存在危險因素。通過此種方式,滿足對礦山地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警需求。

        2 軟件設(shè)計

        2.1 選擇礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點

        為了確保本文系統(tǒng)對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性,需要在設(shè)計系統(tǒng)前,選擇礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點。觀測節(jié)點需要由監(jiān)測中心與觀測中心構(gòu)成,其中前者負(fù)責(zé)收集制定區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù),并深度分析數(shù)據(jù)的變化趨勢與播報,后者負(fù)責(zé)傳遞數(shù)據(jù)與連接網(wǎng)絡(luò)。對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點的規(guī)劃如下圖2所示。

        圖2 礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點

        在觀測節(jié)點中,需要準(zhǔn)備12.0V~15.0V的蓄電池作為電源供應(yīng)裝置,將其與地區(qū)地質(zhì)變化監(jiān)測設(shè)備與通信設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)處理。同時,在節(jié)點區(qū)域內(nèi)布設(shè)DCDC/LDO裝置,由此裝置為電極片提供5.0V或3.0V的電壓。在此基礎(chǔ)上,插入SIM芯片,負(fù)責(zé)存儲獲取的多種類型礦山地質(zhì)災(zāi)害信息。在此過程中,由超聲波探頭負(fù)責(zé)接收與發(fā)射地質(zhì)災(zāi)害信號。通過此種方式,完成對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點的選擇。

        2.2 基于RS技術(shù)獲取并處理MODIS數(shù)據(jù)

        在完成對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點的選擇后,引進(jìn)RS遙感技術(shù),進(jìn)行中分辨率成像數(shù)據(jù)的獲取。區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù),使用RS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一種多源信息趨勢,即信息的結(jié)構(gòu)是處于一種多元化結(jié)構(gòu)的,包括多光譜數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)。

        在圈定的地質(zhì)災(zāi)害勘查區(qū)域內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離地質(zhì)探測,通常情況下,可選擇遙感器對選擇探測的物體發(fā)射電磁波,通過電磁波的輻射與反射特性,對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性空間獲取。由于遙感技術(shù)不需要直接接觸物體,勘查人員也無需到現(xiàn)場實地勘查,因此此項技術(shù)在使用中相對安全。

        在完成對MODIS數(shù)據(jù)的初步獲取后,考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為多元化,因此,需要同步對數(shù)據(jù)進(jìn)行至少2000.0次掃描,將ID2.0格式的MODIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為HDF格式的MODIS數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,將完成格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行輸入,并按照如下所示流程對RS圖像進(jìn)行處理:切割圖像—RS圖像集合校正—形成信號波段(MODIS通道:1(R);2(G);I(B))—圖像信號增強(將MODIS數(shù)據(jù)的差異值在DN通信區(qū)間內(nèi)進(jìn)行上限制的設(shè)定,并調(diào)整RS圖像的對比度,使圖像整體肉眼可見度更為顯著)—提取RS圖像中有效區(qū)域(利用計算機提供的多邊形工具,將遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理,經(jīng)過量化處理后的RS數(shù)據(jù)中有效范圍將呈現(xiàn)一種集成趨勢,此時統(tǒng)計有效范圍的面積)—繪制礦山地質(zhì)災(zāi)害專題制圖。在完成上述相關(guān)操作后,在計算機終端輸出地質(zhì)災(zāi)害專題制圖,以此完成對MODIS數(shù)據(jù)的獲取與處理。

        2.3 發(fā)布礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警信息

        在完成對MODIS數(shù)據(jù)的獲取與處理后,需要將數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一格式存儲在計算機終端災(zāi)害信息庫內(nèi)。在生成專題圖像的基礎(chǔ)上,對災(zāi)害發(fā)生的影響因素、地質(zhì)災(zāi)害成因、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機理等相關(guān)要素進(jìn)行重組與信息優(yōu)化,從而生成與區(qū)域地形地勢相適配的災(zāi)害早期預(yù)警圖。

        結(jié)合非線性動力學(xué)原理,在現(xiàn)代化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的支撐下,對繪制的地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警圖進(jìn)行VC、VB軟件識別,以此種方式識別礦山地質(zhì)災(zāi)害的類型。并在終端人機交互界面將識別與評估的結(jié)果呈現(xiàn)在顯示屏上,發(fā)布礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警信息,以此完成對礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。

        3 對比實驗

        本文從硬件結(jié)構(gòu)與軟件功能,兩個方面,完成了對基于RS的礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)理論設(shè)計,但由于系統(tǒng)的運行需要后期借助軟件工具實現(xiàn),因此要驗證本文設(shè)計的預(yù)警系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具備一定有效性,還需要互聯(lián)網(wǎng)平臺,對系統(tǒng)功能進(jìn)行后期測試。對此,本文設(shè)計了如下所示的對比實驗。

        實驗前,需要選定已開采的礦山區(qū)域,并調(diào)派專業(yè)的地質(zhì)勘查人員進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境的前期勘查工作。在掌握區(qū)域地質(zhì)相關(guān)信息的基礎(chǔ)上,使用空間定位法與無人機勘查技術(shù),繪制礦山三維地質(zhì)圖像。在完成機械設(shè)備獲取礦山地質(zhì)信息的同時,同時還需要根據(jù)地區(qū)近三年地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況,進(jìn)行人工調(diào)查的方式進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害信息的獲取,以此種方式獲取區(qū)域地質(zhì)信息。

        在完成對地質(zhì)環(huán)境的勘查后,圈定地質(zhì)災(zāi)害常發(fā)區(qū)域,區(qū)域面積為10.0km2×10.0km2,分別使用本文設(shè)計的基于RS的礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng),對圈定區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警。通過系統(tǒng)獲取區(qū)域災(zāi)害中心位置的波普,并以1.0km為直徑,逐步向外延伸檢測,掌握地區(qū)災(zāi)害中心區(qū)域3.0km2×3.0km2區(qū)域內(nèi)的波譜。通過波譜強度,感應(yīng)礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況。并以此作為評價本文系統(tǒng)性能的依據(jù),執(zhí)行此次對比實驗,整理實驗數(shù)據(jù)后,將其統(tǒng)計成表格,如下表1所示。

        表1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警波譜對比結(jié)果

        現(xiàn)已知在常規(guī)情況下,預(yù)警波譜的有效閾值范圍為400.0nm~450.0nm之間,而通過本次對比實驗結(jié)果可知,本文系統(tǒng)在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害中心位置早期預(yù)警的過程中,在周邊3.0km內(nèi)獲取的波普信息均為有效信息,即證明預(yù)警的結(jié)果具備一定有效性。而傳統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)在距離中心位置2.5km位置處進(jìn)行礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警時,所得到的波譜信息已超出其有效閾值,證明傳統(tǒng)系統(tǒng)在進(jìn)行礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警時,系統(tǒng)可預(yù)警的范圍有限,無法做到對礦山區(qū)域整體的有效預(yù)警。綜合上述分析,得出此次對比實驗的最終結(jié)論:相比傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng),本文設(shè)計的基于RS的礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng),可預(yù)警的范圍更廣。

        4 結(jié)語

        中國礦產(chǎn)資源賦存量較大,且逐年產(chǎn)出的礦產(chǎn)資源正呈現(xiàn)一種相對遞增趨勢。為了避免礦山過度開采造成的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)現(xiàn)象,應(yīng)及時對礦山災(zāi)害進(jìn)行早期預(yù)警。為此,本文引進(jìn)RS遙感技術(shù),對礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)展開設(shè)計與研究。在硬件結(jié)構(gòu)的支撐下,分別從選擇礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警觀測節(jié)點、基于RS技術(shù)獲取并處理MODIS數(shù)據(jù)礦山地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警信息發(fā)布三個方面,對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計,完成本文系統(tǒng)的整體設(shè)計后,采用設(shè)計對比實驗的方式,同步對本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能進(jìn)行檢測,經(jīng)對比實驗檢測,本文系統(tǒng)在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警時,可實現(xiàn)的有效預(yù)警范圍覆蓋更廣。

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