于琳琳，胡英男

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊(duì) 資源地質(zhì)勘查院，黑龍江 哈爾濱 150043；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊(duì) 地質(zhì)環(huán)境院，黑龍江 哈爾濱 150040)

露天礦開采是以礦區(qū)為中心點(diǎn)，沿礦區(qū)逐步向下開采。由于采煤工程作業(yè)安排的差異，使得邊坡類型也存在差異，露天礦開采引起的邊坡問題經(jīng)常發(fā)生。由于露天礦使用時(shí)間較長，對安全性的需求也較高，一旦發(fā)生塌方或滑坡，就會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，露天礦礦山開采對資源的破壞日益受到重視，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)已成為礦山企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過程中面臨的重要課題[1]，也是當(dāng)今社會(huì)、政府主管部門和礦山企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，露天礦地質(zhì)環(huán)境研究對預(yù)防地質(zhì)問題、經(jīng)濟(jì)以及人們生命財(cái)產(chǎn)安全存在重要意義[2-3]。

相關(guān)學(xué)者對此展開研究，文獻(xiàn)[4]提出高密度地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)面向?qū)ο笮畔⑻崛⊙芯?，利用耦合多尺度分割和支持向量機(jī)模型識別研究區(qū)內(nèi)的環(huán)境體分布，建立環(huán)境特征數(shù)據(jù)集與環(huán)境體物理信息相關(guān)聯(lián)機(jī)制。除可用來描述對象的光譜信息和幾何信息外，坡度、粗糙度、植被覆蓋帶、溝谷、水系、礦區(qū)、斷層等都可以很好地解釋實(shí)際地形地貌特征，而且與環(huán)境信息具有高度相關(guān)性。文獻(xiàn)[5]提出基于多源遙感時(shí)空譜特征融合的環(huán)境災(zāi)害檢測方法，對多波段遙感圖像進(jìn)行了光譜空間和尺度配準(zhǔn)，構(gòu)造了融合時(shí)序變化特征、光譜特征和空間形狀特征遙感影像數(shù)據(jù)集，將多維多譜變化信息轉(zhuǎn)換成光譜表征模型，并利用SVM模型識別環(huán)境目標(biāo)和背景地物，在此基礎(chǔ)上根據(jù)環(huán)境基礎(chǔ)形狀模型的軸向長寬比、面積參數(shù)和不變矩等典型形狀指標(biāo)對環(huán)境區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)精確分類和識別。雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但是對露天礦山地質(zhì)保護(hù)工作存在一定干擾。為此提出大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應(yīng)用流程，可以實(shí)現(xiàn)高精度的露天礦特征提取。

1 露天礦面臨的大數(shù)據(jù)問題

露天礦開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程過程，產(chǎn)生了大量的信息，信息來源可以分為內(nèi)部和外部信息來源。內(nèi)部數(shù)據(jù)來源包括露天礦每天生產(chǎn)和銷售煤炭的活動(dòng)，主要是用于數(shù)據(jù)開發(fā)的煤礦以及安全與調(diào)度、設(shè)施與耗材、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)數(shù)據(jù)，還包括財(cái)務(wù)、勞動(dòng)與人事、原材料消耗等運(yùn)營數(shù)據(jù)；外部信息來源包括對國家政策規(guī)范以上部門的指示、原材料市場、礦產(chǎn)市場等地質(zhì)信息，主要集中在煤礦的特殊空間系統(tǒng)上，該系統(tǒng)包括煤層等地質(zhì)設(shè)施。在信息表示形式中，可以概括為2種類型，其中一種可以以圖的形式記錄、分析和傳輸；另一個(gè)類別被記錄、以電子表格等書面信息的形式傳輸。露天礦對地質(zhì)數(shù)據(jù)的描述是一個(gè)從隱藏到可見的過程，露天礦煤田的形成和分布是由許多因素控制的，例如降水和構(gòu)造性質(zhì)，以及通過地理學(xué)方法(如磁石、地震等)獲取地質(zhì)層(山和煤)分布數(shù)據(jù)，巖石的物理特征可以通過鉆探、測井和其他方法獲得。

露天礦具有自動(dòng)化、信息化特征，且能夠深度融合，大型露天礦擁有眾多的信息系統(tǒng)，這些信息系統(tǒng)每天都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)除用于基本的日常統(tǒng)計(jì)分析之外，還缺乏集中管理和深入挖掘數(shù)據(jù)的問題，具體問題表現(xiàn)為：①數(shù)據(jù)量巨大。露天礦每天人工記錄和自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)超過萬條，每年信息部門要收集、復(fù)制、分析上百萬條數(shù)據(jù)，需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。②數(shù)據(jù)量分散。露天礦往往地理位置分散，信息系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)需求分散建設(shè)，不同時(shí)期建立的信息系統(tǒng)之間缺乏有效聯(lián)系，信息系統(tǒng)間“信息孤島”問題十分突出。每個(gè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是相互獨(dú)立的，所以整個(gè)露天礦的數(shù)據(jù)都是一個(gè)分散的存儲狀態(tài)，并且很少相互關(guān)聯(lián)。③數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中沒有遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致露天礦目前各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，使得內(nèi)部系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析較為困難。

2 大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取流程

2.1 大數(shù)據(jù)預(yù)處理

在露天礦特征提取圖像中，人類行為、提取系統(tǒng)、運(yùn)行機(jī)器等多種因素的作用，導(dǎo)致了露天礦特征提取圖像的存在誤差。為了確保大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應(yīng)用的準(zhǔn)確性，需要對大數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。露天礦特征提取圖像是通過幾何校正和地圖投影而形成的，圖像中有少量的云層和積雪，但不會(huì)對研究區(qū)域造成任何影響，所以不需要進(jìn)行云處理。在不同的條件下，露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息的正常數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)不同，所選用的預(yù)處理方法也不盡相同，綜合了露天礦面臨的大數(shù)據(jù)問題，大數(shù)據(jù)預(yù)處理對正常數(shù)據(jù)采用正射校正方式，對異常數(shù)據(jù)采用圖像裁剪方式。

(1)正射校正。通過對地面接收站進(jìn)行常規(guī)處理，分析露天礦的遙感圖像，幾何修正由系統(tǒng)和非系統(tǒng)因素造成的圖像失真問題。為了滿足要求，必須對露天礦特征提取圖像進(jìn)行正射校正，利用數(shù)字高程模型校正因地形起伏造成的圖像失真，并提供了高程信息，從而產(chǎn)生大數(shù)據(jù)預(yù)處理下正射校正的處理步驟，具體為：①在不進(jìn)行地理編碼的情況下，2個(gè)圖像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)是嚴(yán)格統(tǒng)一的。僅通過控制點(diǎn)來進(jìn)行地理上的參考。修正模式的選取，修正的參數(shù)設(shè)定。利用GPS技術(shù)采集地面控制點(diǎn)信息，對全域圖像進(jìn)行修正。②對修正模型進(jìn)行選取，并設(shè)定修正參數(shù)。在多波段影像與正射校正的全域圖像中，選取8個(gè)清晰的畫面，并以修正后的全域圖像為參考進(jìn)行配準(zhǔn)；③重新取樣圖像，在進(jìn)行圖像正射校正時(shí)，圖像像素的位置因重新定位而造成圖像像素的不均勻分布，所以需要對圖像進(jìn)行再抽樣，并對其進(jìn)行再定位。

(2)圖像裁剪。為了降低露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息的異常數(shù)據(jù)圖像的冗余信息，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，需要對露天礦的遙感圖像之外的部分進(jìn)行裁剪。利用圖像處理技術(shù)，對所涉及的區(qū)域進(jìn)行了分割，具體過程：①選取原圖像中需要向量網(wǎng)格化的區(qū)域，將平面矢量圖轉(zhuǎn)換成二值網(wǎng)格，像素尺寸不變；②在向量柵格基礎(chǔ)上建立一個(gè)區(qū)域；③將圖像內(nèi)部像素值設(shè)為1，其余區(qū)域像素值為0，再進(jìn)行交叉操作，從而獲得分割后的圖像，完成圖像裁剪。

2.2 露天礦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)配置

設(shè)置以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的露天礦特征提取流程，實(shí)現(xiàn)露天礦數(shù)據(jù)的全面集成與統(tǒng)一管理，充分挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值，一級指標(biāo)測度矩陣具有預(yù)警能力、應(yīng)急能力、管理能力以及重建能力。大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應(yīng)用流程具體如下：露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列里周期分量的特征提取就是為了判斷露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列周期，通常情況下周期判斷方法有小波變換[6]。按照露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列周期屬性，融合新的方法設(shè)定周期，對露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列實(shí)施差分運(yùn)算，為了保障露天礦主體設(shè)備正常運(yùn)行效果，增加主體設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的處理器，對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理；通過設(shè)置監(jiān)控主體設(shè)備提高控制精度和預(yù)警精確性[7]。露天礦主體設(shè)備系統(tǒng)中還建立了數(shù)據(jù)庫[8]，以便在運(yùn)行過程中有效地對屬性特征進(jìn)行提取。在露天礦特征提取過程中，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)峰單元結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對專用露天礦主體設(shè)備的有效管理。在此基礎(chǔ)上，對露天礦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，具體如圖1所示。

圖1 露天礦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)配置Fig.1 Structural configuration of main equipment in open-pit mine

由圖1可知，通過露天礦系統(tǒng)控制層和數(shù)據(jù)傳輸層處理海量大數(shù)據(jù)，利用信息采集層實(shí)現(xiàn)對海量大數(shù)據(jù)的有效采集和處理，結(jié)合數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，獲取露天礦主體設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信息，結(jié)合監(jiān)控主體設(shè)備，對露天礦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)露天礦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)配置中存在多個(gè)露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]，將露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)全部序列依次進(jìn)行提取，其過程如下所示：①若露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列里具有異常特征，那么把異常特征空值去除，序列長度變短。②將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)行聚類，離群點(diǎn)導(dǎo)進(jìn)露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值點(diǎn)。

2.3 大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)特征提取流程

針對露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列中全部點(diǎn)，它的本質(zhì)是露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列里全部周期中同一位置點(diǎn)集，去除突發(fā)分量與隨機(jī)誤差干擾，理論中存在一樣的分布特征[10]。如果露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)序列趨勢分量是固定值，那么全部點(diǎn)屬于相同水平直線中，此直線之外的全部點(diǎn)都看作數(shù)值點(diǎn)；如果序列的趨勢分量根據(jù)固定的規(guī)律分布，則若沒有按這個(gè)規(guī)律分布的點(diǎn)就視為數(shù)值點(diǎn)；若序列趨勢分量是隨機(jī)分布的，那么必須獲取隨機(jī)分布區(qū)間，基于此區(qū)間之外的點(diǎn)都屬于露天礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值點(diǎn)。大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)特征提取流程如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)特征提取流程Fig.2 Flow chart of big data network feature extraction in open-pit area

由圖2可知，大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)特征提取的基本流程為：首先獲取并劃分露天礦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)礦區(qū)相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，然后進(jìn)行大數(shù)據(jù)下露天礦特征提取，若特征提取量≥1時(shí)，直接進(jìn)行輸出特征操作；若特征提取量<1，則需重復(fù)大數(shù)據(jù)下露天礦特征提取操作，特征提取量≥1時(shí)可進(jìn)行下一步操作，直到完成大數(shù)據(jù)在露天礦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)特征提取。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證提出的大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應(yīng)用流程的有效性和可行性，選取某露天礦作為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行分析，該區(qū)域占地面積為100 hm2，礦區(qū)內(nèi)有煤炭、銅、琥珀、重晶石、鏡鐵礦、石膏等礦產(chǎn)資源，以煤礦為主。礦床富集區(qū)在地表淺部，其上部煤層以煤灰為主，下部煤層以焦煤為主，地形較為平坦，采取了露天開采的方法。該露天礦山地質(zhì)環(huán)境作業(yè)現(xiàn)場如圖3所示。

根據(jù)圖3提出實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)，具體參數(shù)內(nèi)容見表1。

3.1 地物信息特征提取

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提取該露天礦的地物信息特征，所提取的露天礦地物特征包括采礦場、排土場、道路、河流、建筑、植被等類型。地物信息特征提取結(jié)果如圖4所示。

圖3 露天礦山地質(zhì)環(huán)境作業(yè)現(xiàn)場Fig.3 Geological environment operation site map of open pit mine

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置Tab.1 Experimental parameter configuration

由圖4提取出的地物信息特征可以看出，該露天礦區(qū)的采礦場面積較大，河流顏色特征明顯，且該露天礦下提取的地物信息紋理特征明顯，建筑物密集排列以及植被覆蓋面積較大，說明該露天礦的地質(zhì)環(huán)境較為良好，且生態(tài)環(huán)境相對較好。

圖4 地物信息特征提取結(jié)果Fig.4 Feature extraction results of ground feature information

3.2 提取性能測試結(jié)果

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)配置內(nèi)容，為深度分析本文方法的地質(zhì)環(huán)境特征信息提取性能，設(shè)定露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息正常數(shù)據(jù)(未產(chǎn)生不良結(jié)果)與異常數(shù)據(jù)(造成不良結(jié)果)，分析本文方法對正常數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)的提取精度，結(jié)果見表2。由表2可知，本文方法對2種露天礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中異常特征數(shù)據(jù)的整體提取精度為97%，提取性能顯著。

3.3 有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果

在該露天礦山邊坡設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，選取采集到的近一個(gè)月數(shù)據(jù)作為地質(zhì)環(huán)境特征信息提取的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)根據(jù)下列環(huán)境保護(hù)原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)在露天礦山地質(zhì)環(huán)境中，公眾參與是發(fā)展過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，邀請公眾參與，同時(shí)向公眾傳授相關(guān)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)特征信息知識，不僅能使公眾認(rèn)識到露天礦山地質(zhì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，而且能在今后的管理和維護(hù)中發(fā)揮很強(qiáng)的優(yōu)勢，提高公眾的素質(zhì)，使人們更深刻地認(rèn)識可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對露天礦山地質(zhì)環(huán)境發(fā)展的重要意義。

表2 提取性能測試結(jié)果Tab.2 Performance test results of this method

(2)遵循可持續(xù)性發(fā)展原則，該原則是遵循一種全新價(jià)值、道德以及倫理的觀念，在本質(zhì)上是充分利用現(xiàn)代科技手段，通過發(fā)展清潔生產(chǎn)、開發(fā)綠色資源，來改善以及優(yōu)化露天礦山地質(zhì)環(huán)境，從而促進(jìn)人和自然的和諧發(fā)展，促進(jìn)礦山地質(zhì)、環(huán)境、資源以及人口之間的相互協(xié)調(diào)性。

在上述原則基礎(chǔ)上，在研究區(qū)域設(shè)定10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取開采后監(jiān)測點(diǎn)位移結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果見表3。

表3 有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果Tab.3 Effective data set extraction results

分析表3能夠看出，本文方法識別結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果較為接近，說明大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應(yīng)用可以提升數(shù)據(jù)提取精度，本文方法具有較高的提取準(zhǔn)確性，有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果的置信度較高。在該露天礦山中分別選取A、B、C以及D四個(gè)礦點(diǎn)作為評價(jià)指標(biāo)，分別計(jì)算4個(gè)礦點(diǎn)的2020年的一級指標(biāo)測度矩陣，測度矩陣結(jié)果見表4。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，表明該露天礦山2020年各方面能力有進(jìn)一步的提高，預(yù)警能力和應(yīng)對能力都達(dá)到良好以上級別，表明露天礦山地質(zhì)環(huán)境一直處于良性發(fā)展?fàn)顟B(tài)中，隨著監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)對機(jī)制的完善，露天礦山的環(huán)境保護(hù)也相應(yīng)得到保障。因此，將露天礦山的環(huán)境保護(hù)作為地質(zhì)環(huán)境治理工作的重點(diǎn)，具體內(nèi)容描述如下。

表4 2020年一級指標(biāo)測度矩陣結(jié)果Tab.4 Primary index measurement matrix in 2020 year

(1)露天煤礦生態(tài)的設(shè)計(jì)應(yīng)該將持續(xù)發(fā)展作為基礎(chǔ)，可以整體改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及持續(xù)利用，從而保障了露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

(2)在煤礦開采過程中，要加強(qiáng)邊坡監(jiān)測，及時(shí)清除陡坡，清理廢土石，防止崩塌，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患。在采煤后期進(jìn)行削坡減載、綠化等措施。

(3)注意保護(hù)露天礦山內(nèi)的植被資源，防止破壞生態(tài)環(huán)境；在防治區(qū)附近和周圍設(shè)置警示牌，禁止越界和無序開采；對已停采或終采礦山，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行恢復(fù)治理，以防止對環(huán)境造成破壞；對已停采地段或終采礦山，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)論

露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息提取實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性對預(yù)防災(zāi)害、保護(hù)人們生命和財(cái)產(chǎn)安全意義重大。為了實(shí)現(xiàn)高精度的露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征信息提取，本文提出一種大數(shù)據(jù)在露天礦特征提取的應(yīng)用流程。將該方法應(yīng)用于2020年某露天礦山地質(zhì)環(huán)境案例中進(jìn)行有效性測試，經(jīng)測試結(jié)果顯示：本文方法對2種露天礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中異常特征數(shù)據(jù)的整體提取精度為97%；同時(shí)有效數(shù)據(jù)集提取結(jié)果的置信度高達(dá)97%，表明該露天礦山的部分區(qū)域存在較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，環(huán)境保護(hù)問題得到保障。