基于3S技術集成的礦區生態監測研究

劉春和，龍 柱

（湖南省有色地質勘查局二總隊，湖南 湘潭 411102）

隨著金屬礦區開發規模不斷擴大，礦區地質災害發生率逐漸上升，不僅影響了區域地質結構的穩定性，也對安全生產及效益增收造成不利[1]。礦山開采不僅破壞生態環境和地貌景觀，更易引起地質災害[2-4]，由此對于礦山生態環境的監測、質量評價和治理就顯得尤為重要[5]。以3S技術為核心的空間信息技術在科技與經濟加速發展的帶動下發展快速，使得礦山測量的難題得到有效解決[6]。為基本掌握礦山采空區地面變形影響范圍區的剩余移動特征，預測未來變化發展趨勢，對采空區地面變形影響范圍區進行地面變形監測。通過定期重復觀測，積累準確、可靠的監測數據，為后續控制或防治地面變形提供規劃和決策依據，為后續治理工程設計與施工提供工程參考數據。地面變形監測對象有地表水平位移、地表垂直位移以及地表裂縫等。具體來說，就是按照采空區地面變形影響范圍區分布情況、開采深度、地質條件變化、地表變形異常、監測目的等情況布設。

對地下水環境進行動態監測的目的在于，查明水文地質條件，如地下水徑流、補給以及排泄條件等。當明確礦區所處地下水動態規律，就可為地下水資源科學管理提供可靠的科學數據。具體檢測工作，需在地下水動態檢測過程安裝自動監測儀進行監測，以監測地下水水位變化趨勢為主，記錄日內最高水位、最低水位及其發生時間。

為了明確2019年度～2022年度生態系統恢復現狀，采用無人機對全區進行航拍攝影，對礦區生態格局和社會環境進行空中（航拍）監測，明確生態系統恢復現狀。生態宏觀監測以無人機對全區進行航拍攝影，制作DLG（數字線劃圖）的方式進行。工程監測使用無人機對全區進行航攝，制作DOM（數字正射影像圖），并對分項分部工程進行錄像與攝影。

1 作業區自然地理概況

1.1 礦區地理位置

譚家山鎮處在湘潭縣中南部，與縣城距離約15km。107國道由北往南穿境而過，將該鎮劃分為東西兩個區域。群山環繞簇擁，山、路、水、林、田相互交錯，屬典型的丘陵地區。如圖1所示，為譚家山鎮區域的行政地圖。

圖1 區域行政地圖

譚家山礦區地處印支與燕山山脈的褶皺帶，且湘東裂谷新生代株洲盆地與湘潭盆地間的斷隆區。地質構造為東西方向發育。礦區內的氣候環境溫和，全年濕潤多雨，無嚴寒酷暑等惡劣情況，屬溫熱帶氣候條件。年均降雨量在1700mm～2000mm之間，是地下水補給的主要來源。由于礦區內部無河流，所以地表水系發育較差。據勘察，礦區內部以礦區中心的士地廟區水文地質條件最為復雜。

1.2 礦區采空區

成立于1958年的譚家山礦，位于湘潭縣譚家山鎮境內，經過數十年大規模、高強度的開采，形成的采空區具有面積大特點。再加上，土地資源的浪費問題嚴重，出現了水土流失與環境污染問題。礦區開采過程的人居安全問題頻發，已經被列為省內重點救災項目。譚家山礦區累計開采量達到1500萬噸以上，譚家山礦區資源不僅已經臨近枯竭，而且在采空區形成了大面積的沉陷。采空區上覆巖層土體受到重力問題影響出現了剝離、彎曲甚至是冒落現象。此地質背景下，土體與建筑物出現了大面積變形，在降低耕地質量的同時，還對生態環境造成嚴重影響。據勘測，在7.88平方公里礦區，沉陷區面積高達6.8平方公里，其中采空區面積達3.08平方公里。

2 監測實施原理

2.1 地面監測系統基準網

在工程區域外穩定可靠的位置，布置的檢測基準點有4個。結合實際情況，將布設在金泉村的基準點，作為監測工作基點。同時在老關-譚家山公路附近布設一個基準點，在鐵爐村布設一個基準點，在譚家山村以東位置布設一個基準點。由此，就形成了四邊形網，用作水平與垂直位移方向的檢測基準網絡。基準點前冠以JD1、JD2、JD3、JD4標示，基準點埋設需按照規格進行，生態修復工程監測部署圖如圖2所示。

圖2 生態修復工程監測部署圖

本次項目采用GPS單點定位方法獲得基準站點位三維坐標。基準點坐標值以現場人力采集數據為主，使用四臺GPS接收機安置在基準點上，同步觀測相同的4顆以上GPS衛星，以獲得點位坐標值。同時測站點（監測站）點位的布設應能保證與基準點之間的通視，通視可觀測到測站點，如圖3所示，測站點坐標值同樣采用GPS單點定位方法。

圖3 測站點布設示意圖

2.2 地表位移監測

位移監測剖面布設（水平位移、垂直位移）在采空區地面主變形區（DB01-DB04）及潛在變形區布設方格控制網監測剖面，控制主變形區及潛在變形區水平、沉降變化情況。方格網監測剖面與等高線近似垂直，自南向北跨過變形區及潛在變形區。監測點位選擇應根據變形體的幾何特征、變形特征等確定監測點。若測區觀測條件困難，應盡量將觀測點布設在能反映變形體穩定性狀態監測斷面上。布設地表水平與垂直位移監測點66個，點間距150m～200m不等，如圖4所示。

圖4 地表水平與垂直位移監測點

監測點一般布設變形區域上能代表變形體位移變化的監測斷面上，用于全站儀觀測之用。采空區地表建筑物監測點位選擇應根據變形體的幾何特征、變形特征等確定監測點，布設建（構）物垂直位移監測點364個，每座重點建（構）物房柱布設2個～3個點。監測方法如下：

（1）監測控制網建立。先對各個基準點進行確定，并把測站點的高程與平面坐標，作為動態檢測的參照。

（2）監測點學習。由于監測處在軟件控制環境下，因此，需要逐點進行監測點角度與距離的測量學習，即通過錄入數據庫系統，來為后續的監測提供自動定位數據信息。

（3）日常監測。運用AutoMos Monitor及CDMA以及通訊模塊。并設置差分基準點形成聯測方案。對于每臺儀器監測的變形監測點，應根據既定觀測數據遵循再散點觀測原則來開展檢測現場學習。學習完成后，來確定檢測時間間隔與各點的觀測順序。由此，再經上述軟件模塊，來完成自動化的常規監測控制。

2.3 地表裂縫監測

根據地裂縫的長度、寬度、走向等情況，布設地表巨型裂縫LF01監測點11處，另地質斷裂帶可能高發處布設3個監測點，如圖5所示。

圖5 地表裂縫監測部署圖

觀測過程中應用固定鋼尺或卷尺對簡易裂縫監測點進行量測。每次采集數據時應采用多次量測的方法，最后取其平均值作為本次測量的最后結果進行記錄計算。巨型裂縫監測點采用高智能型測縫計進行自動觀測，自動存儲每次所測量的數據，循環記錄。

2.4 地下水自動監測

地下水動態監測網點的密度，需按照水文地質情況、地下水資源供水條件以及動態監測結果，區域地下水位變化情況合理地選定。對于主要監測線，應設置專門的監測機構。具體來說，就是在監測線外，設置由勘探孔、探采、民井結合孔以及機井構成的自動監測系統。本次共設置11個監測孔，并安裝自記水位采集儀，如圖6所示。

圖6 水位監測部署圖

對11個水文勘察鉆孔安裝地下水自動監測裝置，監控礦區地下水位變化趨勢，施工期和竣工后一年監測，監測頻率20min一次，監測周期48個月。靜水位測量，兩次測量最大誤差不大于±1cm/10m。

2.5 生態恢復監測

為了明確2019年度～2022年度生態系統恢復現狀，采用無人機對治理范圍全區進行航拍攝影。地面像元分辨率一般不得低于0.08m。航向重疊一般應在60%～80%之間，旁向重疊在40%～60%之間。通過生態宏觀監測對礦區生態格局和社會環境進行空中（航拍）監測，每年度全域一次。

在測區四周各布設一個像控點，中間布設一個像控點，共布設5個像控點。如精度達不到要求時，需合理增加像控點，以保證精度。像控點布設主要在Google Earth上進行，采用KMZ模式，得到最終的像控點分布圖。使用網絡CORS對像控點進行量測，測量過程中將像控點的點位編號、坐標值和拍攝控制點的遠景與近景照片進行匯總。設置無人機航線并進行航拍，使用軟件進行數據處理，將無人機航拍正射影像圖和外業采集的像控點數據進行處理，生成數字線劃圖（DLG）。之后對野外得到的原始影像進行預處理，制作快拼圖。進行空三加密，控制點選擇了整個區域的四周控制點以及中心點5個，導入控制點數據。隨即進行DEM生產密集匹配，點云處理，一鍵式生產數字高程模型DEM。然后進行DOM生產，經過正射拼接，正射編輯等操作得到DOM（正射影像圖）。根據以上DOM和DEM成果利用軟件進行數字線劃圖DLG。在預處理好原始數據之后，主要處理步驟有確定監測點、測量空中三角、形成正射影像和重建三維模型。

3 監測數據整理與分析

3.1 變形和水位監測數據整理

為給變形監測成果提供便利的條件，需把變形值設置成各種圖表形式。具體就是將變形監測成果繪制成變形監測位移增量表與變形過程線，來進行分析。這里的變形監測，要處于相對變形狀態。在整理觀測數據信息過程中，初始值，應確定為各個觀測點的零周期值。并對每次觀測值獲取后的數據進行初始值差的計算，以獲取觀測點從零周期開始積累變形量與觀測點情況。此外，觀測點相鄰周期的變形量，可通過形成位移增量成果表，并繪制出變形過程線圖。這一線圖，要把時間作為橫坐標，累積變形值為縱坐標，以反映出變形的趨勢、幅度和規律。此外，監測數據整理人員還可根據變形過程線圖來判斷變形體的穩定性狀態。

3.2 變形分析

按照實際監測獲得的變形值，經整編得出的圖形與表格，能夠明確反映出變形的規律、幅度和趨勢。通過長期觀測，能夠對變形的規律進行掌握，進而確定觀測點變形的范圍示意圖。對于異常情況，如坡底違規臨空開采、違規加載開挖等問題出現，就可從變形值超出變化范圍進行判斷。換句話說，就是根據變化范圍示意圖來確定變形體是否處于正常狀態。當實際分析缺乏理論根據時，就可根據此情況進行變形分析。在變形進行幾何分析的過程中，應對變形體的大小與形狀進行描述，以確定變形發生所處的空間狀態與時間特征，進而更好的確定監測目標的作用狀態。具體分析數據有：參考點的穩定性情況、觀測值的質量情況以及變形模型參數的估計情況。值得注意的是，變形的幾何分析只能對變形體的體積與大小變化進行描述，無法對變形原因做出解釋。要想掌握變形體與變形原因間的關系，需從物理角度，對變形體與變形因素之間的函數關系進行分析確定。這樣一來，就可對變形的發生原因作出解釋，并對變形的發展趨勢進行預報。本文采用的是統計分析法中的回歸分析法來進行物理解釋。因變形原因的物理解釋需要多學科知識的匯總，無法由測量人員完成。因而，在動態監測過程中，如出現異常變形情況，應交由巖土工程技術人員或是工程地質技術人員，協同分析變形出現與加劇的原因。

4 結語

本文基于3S集成技術對礦區的采空區域進行地面、地下水以及生態修復監測，分析變形情況并預判采空區的變形趨勢，3S技術的融合在礦山生態環境修復的預測和防治中發揮關鍵作用，為相關部門提供險情預警。