例谈空天地深多源数据融合感知技术在矿山中的应用.pdf

2024年第1期新疆钢铁总第169期例谈空天地深多源数据融合感知技术在矿山中的应用李江涛（苏尼特金曦黄金矿业有限责任公司，内蒙古 锡林郭勒盟 012500）摘要：本研究介绍了在矿产开采中，地表形变监测对于生产安全以及环境稳定的重要性，并阐述了传统监测技术的局限性。通过使用空天地深多源数据融合感知技术，整合多维度数据，从而提高地表形变监测的准确率。结果表明，该技术与实地监测之间的最大误差仅为4.6%。该技术的应用对于矿山监测以及管理具备指导意义，能够提高地表监测的精度以及时效。关键词：空天地深；多源数据融合感知技术；矿山DOI：10.20146/ki.1672-4224.2024.01.034中图分类号：P642.26文献标识码：A文章编号：1672-4224（2024）01-0104-03Example Discussion on the Application of Multi-source DataFusion Perception Technology for Space,Space,and Depth inMinesJiangtao Li(Sunite Jinxi Gold Mining Co.,Ltd.,Xilingol League,Inner Mongolia Autonomous Region 012500)Abstract:This study introduces the importance of surface deformation monitoring for production safety and environmental stability in mineral mining,and elaborates on the limitations of traditional monitoring techniques.By using multi-source data fusion perception technology,integrating multi-dimensional data,the accuracy of surface deformation monitoring can be improved.The results indicate that the maximum error between this technology and on-site monitoring is only 4.6%.The application of this technology has guiding significance for mine monitoring and management,and can improve the accuracy and timeliness of surface monitoring.Key words:emptiness and depth;multi source data fusion perception technology;mine作者简介：李江涛，男，33岁，本科，工程师，苏尼特金曦黄金矿业有限责任公司。E-mail：引言在采矿作业中，施工过程难免会对地质环境造成影响1。传统的矿山监测往往局限于单一的数据源，导致难以全面捕捉复杂地理环境下的微小变化，进而影响监测精度2-3。随着卫星技术的不断发展，卫星遥感影像技术为更广阔的地表监测提供了可能性4-5。然而，卫星遥感影像技术易受天气、云层和大气影响，对于复杂地形条件存在一定局限性6。因此，研究选择使用空天地深多源数据融合感知技术，充分利用各类技术在矿山监测中的优势。采用无人机全景监测和地面形变监测作为卫星遥感影像技术的补充，旨在结合各维度的数据，实现对矿山区域地表沉降形变的全面监测。该技术的创新性在于通过跨尺度、多维度的数据融合分析，为复杂的矿山地质监测提供详尽的多角度监测数据。不仅提高了监测的空间分辨率和时间连续性，还增强了对地表形变的动态理解能力。通过空天地深多源数据融合感知技术的应用，为矿山及周边地区的地质灾害预警提供可靠数据支持，为灾害防治和资源管理提供更高效的决策依据，增强矿山活动的可持续性并提高生产活动的安全性。1空天地深多源数据融合感知技术的构建1.1技术流程设计在采矿作业地区，尤其是矿山及其周边区域，通常会伴随着影响程度不一的地面沉降问题7。而这些地面沉降通常由多种情况引起，可能包括了地下矿产的开采、地下水位变化以及地质结构的自然变化等。严重的地质沉降会对建筑物、交通、生态环境104新疆钢铁总第169期2024年第1期以及人文生活造成恶劣的影响。因此研究提出了基于空天地深多源数据融合感知技术的矿山周边沉降监测，以对矿山及其周边地区的地面沉降情况实现准确的监测。如图1所示，即为研究所提出的空天地深多源数据融合感知技术的流程示意图。需要注意的是，所有的数据采集需要具备时间上的连续性，避免出现数据断层，以保证输出连贯的、具备参考性的沉降监测数据记录。1.2关键技术设计1.2.1卫星遥感影像监测技术合成孔径雷达干涉（Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSar）技术目前是常用的空间对地观测技术。InSAR能够提供分辨率极高的三维形变测量数据，同时具备极佳的监测范围。同时，由于雷达波的云层穿透能力，InSAR能够在任何天气条件下进行工作，其具备较强的适用范围。如图2所示，为InSar的成像原理示意图。图2 InSar的成像原理示意图在图2中，P点代表地面上的测量靶点，h表示该靶点相对于参考平面的高度。卫星从位置C1和C2依次发射信号，在到达P点后，信号分别返回并被接收。R1和R2分别表示从C1和C2到P点的相对距离，表示雷达波束的入射角，H是卫星天线到地面参考平面的高度，B为C1和C2间的基线距离，即两个SAR天线位置之间的距离。由于雷达波是相干波，所以可以对其相位差进行准确的测量，而 InSAR原理即通过对两个位置接收到的雷达回波进行比对，从而获得地面目标在两次观测中的位移，进而对地表的形变进行监测。其中，h和H的关系以及、和的关系如公式（1）所示。h=H-R1cos=2+-（1）由公式（1），可以进一步表示如公式（2）所示。=cos-1()-RB+B2R1-R22R1B,R=R1-R2（2）则地面测量靶点P的高程h可以表示如公式（3）所示。h=H-R1cos=H-R1cos()2+-cos-1()-RB+B2R1-R22R1B（3）设真实干涉相位为，则其计算具体如公式（4）所示。=-R4（4）则从公式（4）中就可以明显看出，的值只与R相关，这进一步证明了该方法的适用性。由于大气效应以及时空失相干问题所导致的误差，导致InSAR的应用受到了一定程度上的限制，尤其是在长时间序列分析以及复杂地形分析中。因此研究选择使用小基线集干涉测量技术（Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR）来克服该问题。SBAS-InSAR使图1 空天地深多源数据融合感知技术流程示意图1052024年第1期新疆钢铁总第169期用了更多时间点的SAR图像，并选择了具备较短基线的影像数据来组成干涉对，从而最小化大气延迟以及失相干所带来的影响。SBAS-InSAR技术通过对时间序列中的冗余观测数据进行进一步的分析，提高了对于地表微小形变的监测能力，并且使其克服了在面对较复杂地形时的低稳定性问题。1.2.2无人机全景监测技术为了对SBAS-InSAR的地表监测进行补充增强，考虑到无人机能够提供高分辨率和高精度的地表影像，同时其具备更短的响应时间以及灵活性，研究进一步选择使用无人机全景监测技术。由于无人机能够在低空飞行，使得该技术能够捕捉到地表更详细的特征，从而实现对于地表形变沉降数据的更精细监测。通过与SBAS-InSAR相结合，无人机所获取的高分辨率影像可以进一步增强数据分析的深度和广度，从而提高地表形变研究的准确性和可靠性。1.2.3地面形变监测技术为了补充另外两项技术，为其提供校准以及验证，进一步对敏感区域划分点位，选择使用 GPS、水平仪以及倾斜计进一步对地面的形变进行监测。地面形变监测技术的意义主要在于获取直接和精确的地表位移信息。在某些恶劣天气下，SBAS-InSAR以及无人机技术会受到干扰，而地面形变监测技术则可以在已经布设完成的情况下提供不受干扰的监测结果。2空天地深多源数据融合感知技术的测试为进一步证明该方法的有效性，研究选择对一目标点位进行沉降监测，使用的方法分别为实地监测、卫星遥感监测以及研究所提出的空天地深多源融合监测，测试结果如图3所示。图3 沉降监测测试结果从图3中可以看出，研究所提出的空天地深多源融合感知技术其沉降监测结果与实地监测之间的误差保持在了 4.6%以内，相较于单一的卫星沉降监测，其准确率优先了40.13 62.74%。这说明研究所提出的方法能够更准确地实现对于矿山区域的沉降监测，进而为生产活动以及安全预警提供数据支持。3结论对于矿山区域而言，其地表形变及沉降监测是保证生产安全及周边区域稳定发展的必要工作。为了提高对于地表形变及沉降监测的准确率以及效率，研究提出了一种多源数据融合感知技术，旨在通过对空中的卫星遥感图像、无人机全景影像以及地面测量技术的整合，构建全面的地表形变监测系统。实验结果表明，研究所提出的空天地深多源数据融合感知技术其沉降监测结果与实地监测之间的误差被控制在了4.6%以内，与传统单一的卫星监测方法准确率提升了 40.13 62.74%。该研究为沉降监测引入了一套高效和可行的解决方案，其能够为矿山运营中的风险控制与管理提供指导，并为周边环境监测提供稳健的数据支持，从而提高采矿业的安全性。但是，研究所提出的监测方法具备一定的使用门槛，其操作人员需要具备专业知识以及培训。并且该方法的技术以及数据较为复杂，这在一定程度上限制了该技术的进一步应用。在未来的研究中，应针对该方法的复杂程度做更多的优化，降低技术使用门槛，以促进该技术的推广以及应用。参考文献1 苗勇刚，王海军，张长锁等.某金属矿地下开采地表沉降影响分析 J.中国矿业，2023，32（11）：197-205.2 王贤情，万文，王刚等.金矿全尾砂浆动静态絮凝沉降规律研究 J.地下空间与工程学报，2023，19（04）：1358-1366.3 J.A,R.B.K B,T.O,et al.InSAR as a tool for monitoring hydropower projects:A review J.Energy Geoscience,2022,3(2):160-171.4 兰进京，曲逸穹，都伟冰等.典型矿业城市地表形变遥感监测及沉降特征分析 J.测绘通报，2022（06）：98-103.5 邢学敏，杨东，张锐等.基于雷达遥感对地观测技术的软土地区公路沉降监测方法 J.岩土工程学报，2023，45（10）：2172-2179.6 柳思聪，都科丞，郑永杰等.人工智能时代的遥感变化检测技术：继承、发展与挑战 J.遥感学报，2023，27（09）：1975-1987.7 谷中元，曹妙聪，秦宏宇等.充填法开采诱发矿山地表沉降数值分析研究 J.有色金属工程，2023，13（02）：109-115.106