北京礦山地質環境監測預警信息系統建設展望

王文文 付博 張詩檬 趙云峰 韓征 李敏 劉釗

摘 要：為加強北京礦山地質環境的監測、評估和應急決策處置能力，本文基于小型無人機、一體化三維模型、人工智能、云計算、大數據和物聯網等新一代信息技術，提出建設具有監測數據動態管理、決策分析、應急管理和共享展示功能的礦山地質環境監測預警信息系統。系統旨在以信息技術為手段，充分挖掘礦山地質環境監測的數據價值，并通過智慧化的應用，達到輔助分析、指導決策的目的。主要包括建設礦山地質環境監測數據庫實現對數據的存儲、展示、更新及共享交換，并借助云計算、大數據技術實現對數據的挖掘分析，進而服務決策分析;并考慮礦山地質環境的特點，應用無人機傾斜攝影測量技術輔助應急管理;并借助地上地下一體化建模技術實現一體化三維模型建設及多專題的三維展示分析。

關鍵詞：礦山地質環境;小型無人機;大數據;三維建模

Abstract： In order to strengthen the monitoring， evaluation and emergency decision-making level of the geological environment of the mine in Beijing， this paper proposes the construction of mine geological environment monitoring and early warning information system with monitoring data management， decision analysis， emergency management and shared display functions， based on key technologies such as UAV， integrated 3D modeling， artificial intelligence and cloud computing， big data， and the Internet of Things. The system aims to use information technology as a means to fully mine the data value of mine geological environment monitoring， and through intelligent application， to achieve the purpose of assisting analysis and guiding decision-making. It mainly includes the construction of a mine geological environment monitoring database to realize data storage， display， update， and sharing exchange， and the use of cloud computing and big data technology to realize data mining analysis and then service decision analysis; and taking into account the characteristics of the mine geological environment， applications UAV tilt photogrammetry technology assists emergency management; and the use of integrated ground and underground modeling technology to achieve integrated 3D model construction and multi-thematic 3D display analysis.

Keywords： Mine geological environment; UAV; Big data; 3D modeling

0 引言

北京山區的礦山開采已有數百年歷史，由于早期礦山開采單位生態環境保護意識淡漠，造成了礦山環境的持續惡化，同時出現了一系列地質安全問題，具體表現在3個方面：地質災害、資源毀損和環境污染（秦沛，2017）。為此，北京市相繼出臺了有關生態建設的規劃和政策，強化了行政執法力度，啟動了礦山地質環境監測和防治工作（甘柯等，2020;李巖等，2016;張濤等，2019），以達到緩解礦山地質環境問題，逐步恢復礦山環境的目的。

傳統的礦山地質環境調查及監測數據多以紙質方式、光盤方式為介質，通常以Excel、Word等格式進行存儲，成果僅限于報告編制和簡單的數據分析，大量數據應用率較低或處于閑置狀態，數據價值未得到充分利用與有效挖掘，預警預報難以實現。

因此，在當前的礦山地質環境監測過程中，亟需開展信息化建設，實現各類數據的融合、集成、存儲和管理，并充分利用大數據技術，加強生態環境監測數據資源開發利用，為生態環境保護決策和管理提供數據支撐。

1 系統建設的總體思路

1.1 系統的總體設計

北京礦山地質環境監測預警信息系統將基于現有的礦山地質環境監測網絡及監測數據庫，形成具有監測數據管理能力、決策分析能力、應急管理能力和共享展示能力的專業監測預警信息系統，并將作為八大監測預警系統之一，為未來首都地質資源環境承載力監測預警平臺提供礦山地質環境的專業監測數據和預警分析功能，全面保障北京市的礦山地質安全，促進礦山地質環境保護及礦山生態系統恢復重建協調發展（圖1）。

1.2 系統的建設目標

系統基于礦山地質環境監測系統的前期建設成果及信息化的工作要求，依賴新一代的信息技術，建設成為銜接數據采集、存儲、挖掘分析、共享展示及智能化應用于一體的綜合業務系統。其服務對象包括數據處室、機關領導、應急中心及地勘院院屬單位，作為礦山地質環境監測的工作平臺，將重點實現以下功能：實現對海量監測數據的存儲、管理、展示及共享;實現對數據的挖掘分析，以信息成果支撐決策;實現對礦山地質災害應急的信息化管理;實現對礦山地質成果的三維模型展示。

（2）礦山地質環境監測成果圖件展示。將信息系統中的監測網點數據、環境監測數據進行關聯分析，按照數據采集年度、區劃等條件進行分類匯總，并以電子地圖、餅圖、柱狀圖、線形圖、數據列表等方式將各類數據集中展示在一張圖上，以實現對礦山地質環境監測成果的全面的信息呈現。

（3）礦山地質環境監測數據更新與維護管理。建立完善的完數據導入、錄入、展示、查詢、導出等功能，實現按年度匯交的礦山地質環境監測成果及時更新。

（4）數據交換共享。將實現礦山地質環境數據庫與首都平臺中心數據庫進行地質數據的適配、轉換、對接和傳輸，并對交換過程進行配置、監控和管理，主要具有數據交換、交換節點管理等功能。

3.3 決策分析功能

礦山地質環境監測預警信息系統的主要目標之一便是通過對監測結果的分析以實現輔助決策的目的，因此決策分析是信息系統未來重點建設的功能之一。它需要高度可視化的工具環境來支持快速數據分析模型創建，并需借助大數據技術來得到數據分析成果，最終達到分析評價的目的。

（1）可視化的工具環境。綜合利用多種來源的空間數據和非空間數據，通過創建豐富多樣的地圖、統計圖表對數據進行可視化展示，并可基于圖形、圖表分析結果和多種分析函數，通過簡單拖動，快速創建基于不同統計數據的分析結果。通過提供強有力的交互能力和分析能力，支持用戶從各個角度進行數據分析。

（2）大數據挖掘分析。將通過Hadoop并行計算技術、分布式存儲技術結合ArcGIS的空間數據分析技術，實現海量空間數據與分布式運算的結合，從而實現空間大數據的挖掘分析，實現對各類礦山地質環境監測預警相關的海量時空大數據進行多元化、多維度的查詢、統計、挖掘與在線調用服務。

（3）成果信息展示。將通過對礦山地質環境監測業務表格進行分析，提取知識指標，以發生程度、發生面積、發生指標、防治面積等重要數據為依據，以年度環比、歷史同期比、平均值和最大（小）值比較、加權平均曲線等分析方法，更有效的在測報數據中總結凝練出預警預報等關鍵信息。

（4）分析評價。根據多要素疊加分析理論，利用層次分析法、Delphi法，并結合GIS空間分析技術，建立礦山地質環境的分析評價模型，實現礦山地質環境監測業務的分析評價服務。

3.4 應急管理功能

礦山地質環境的應急管理與其預警服務是相輔相成的，由數據挖掘得到預警信息，再對預警信息進行分析評價觸發應急服務，形成監測、預警和應急處置的閉環，同時需要對各應急事件進行信息管理，做到應急處置的事件可管理、可統計、可追溯。

（1）應急信息管理。對應急事件的監測點、事件定位點、應急人員、應急值班計劃、應急避險場所、應急設備等應急信息進行管理;對應急事件的時間地點、起因、處理措施、處理過程和結果、處理后的遺留問題等信息進行管理;對歷史應急預案日志進行管理，自動統計不同預警區內的隱患點、災害類型、災害規模、威脅對象、威脅人數等，統計結果能夠生成多種樣式的統計圖表，并可以直接導出圖表。

（2）應急事件服務。預警數據得出后，需根據建立好的等級評價模型計算相關事件等級，并根據基本信息及模型庫中的評價計算模型確定事件的處置方法，提供專家或者其它技術人員對生成的預警信息進行審核確認。應急事件發生后，根據事件基本信息，結合系統分析功能，自動生成初步應急報告，形成事故參考處置方案，并借助相關技術專家的指導，形成科學的應急指揮決策，應急人員根據應急工作布置，開展應急救援，并實時反饋信息，系統根據實時信息修改事故參考處置方案，供應急管理人員調整應急方案。

（3）小型無人機應急管理。由于應急事件處理強調的是“快速”和“高效”，而小型無人機遙感便非常的適合于這種需求，因此將在礦山地災應急管理中建立小型無人機應急管理專題。此功能結合數據管理模塊中的無人機數據管理功能，共同提供小型無人機應急管理服務，當無人機數據處理分析形成應急結果時，直接觸發小型無人機的應急服務，可提供無人機應急數據采集、快速三維模型建模功能，直接作為應急處置工作的底圖，直觀的輔助應急決策。

3.5 共享展示功能

共享展示功能將實現專題成果中三維模型、高清遙感影像、各專題評價成果、監測點和隱患點信息的一體化瀏覽與展示，并實現將三維模型集成到首都平臺的三維綜合展示平臺。

（1）三維模型的展示分析。將實現三維模型的多種展示形式，包括三維模型與高清遙感影像、各專題成果圖件的疊加展示，三維地質體的推進演示、透明化展示、剖面和切割等形式。并可進行地質界面及高程等值線圖生成、三維模型通用拾取、地層剝離、隧道虛擬開挖與漫游和曲面模型動態預演等功能，尤其曲面模型動態預演功能，可在原有靜態模型顯示的基礎上，充分挖掘模型在時間上的表達手段，通過時態演變對模型進行動態分析表達。

（2）地上地下一體化礦山地質模型。將實現礦山地上和地下模型的一體化瀏覽、展示，一體化空間分析、屬性分析、統計查詢等功能，為實現地上和地下一體的礦山的綜合評價與分析建立必要的基礎。

（3）三維模型的集成。地質三維模型不僅作為獨立模型提供展示分析的功能，并且需要集成到首都平臺的綜合展示平臺，以實現城市地質三維成果的統一集成和管理。因此按照三維綜合展示平臺的要求進行三維模型的標準化，以順利實現與首都平臺的無縫集成。

4 結論

本文系統性的介紹了北京礦山地質環境監測預警信息系統的建設思路、建設目標及實施步驟，并對系統將建成的監測數據動態管理、決策分析、應急管理和共享展示功能進行了詳細介紹。監測數據動態管理作為系統近期實現的功能，將對礦山地質環境監測多年來積累的監測數據進行存儲、管理，提升數據的利用率，并為數據進一步的挖掘分析打下基礎。而決策分析、應急管理和共享展示作為系統未來實現的智能化應用，將進一步提升礦山地質環境監測預警信息系統的服務水平，其中無人機傾斜攝影測量、地上地下一體化三維模型、人工智能識別和云計算、大數據、物聯網等技術將成為系統建設的關鍵，未來這些關鍵技術的發展以及在地質行業的深度應用，將決定礦山地質環境監測預警信息系統的建設水平，同時系統建設過程中也將應用更多、更先進的技術作為支撐，使之逐步建設成為覆蓋礦山地質環境監測全業務流程的、實現對礦山地質環境有效監控的業務系統。

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