北京矿山地质环境监测预警信息系统建设展望

王文文 付博 张诗檬 赵云峰 韩征 李敏 刘钊

摘 要：为加强北京矿山地质环境的监测、评估和应急决策处置能力，本文基于小型无人机、一体化三维模型、人工智能、云计算、大数据和物联网等新一代信息技术，提出建设具有监测数据动态管理、决策分析、应急管理和共享展示功能的矿山地质环境监测预警信息系统。系统旨在以信息技术为手段，充分挖掘矿山地质环境监测的数据价值，并通过智慧化的应用，达到辅助分析、指导决策的目的。主要包括建设矿山地质环境监测数据库实现对数据的存储、展示、更新及共享交换，并借助云计算、大数据技术实现对数据的挖掘分析，进而服务决策分析;并考虑矿山地质环境的特点，应用无人机倾斜摄影测量技术辅助应急管理;并借助地上地下一体化建模技术实现一体化三维模型建设及多专题的三维展示分析。

关键词：矿山地质环境;小型无人机;大数据;三维建模

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

北京山區的矿山开采已有数百年历史，由于早期矿山开采单位生态环境保护意识淡漠，造成了矿山环境的持续恶化，同时出现了一系列地质安全问题，具体表现在3个方面：地质灾害、资源毁损和环境污染（秦沛，2017）。为此，北京市相继出台了有关生态建设的规划和政策，强化了行政执法力度，启动了矿山地质环境监测和防治工作（甘柯等，2020;李岩等，2016;张涛等，2019），以达到缓解矿山地质环境问题，逐步恢复矿山环境的目的。

传统的矿山地质环境调查及监测数据多以纸质方式、光盘方式为介质，通常以Excel、Word等格式进行存储，成果仅限于报告编制和简单的数据分析，大量数据应用率较低或处于闲置状态，数据价值未得到充分利用与有效挖掘，预警预报难以实现。

因此，在当前的矿山地质环境监测过程中，亟需开展信息化建设，实现各类数据的融合、集成、存储和管理，并充分利用大数据技术，加强生态环境监测数据资源开发利用，为生态环境保护决策和管理提供数据支撑。

1 系统建设的总体思路

1.1 系统的总体设计

北京矿山地质环境监测预警信息系统将基于现有的矿山地质环境监测网络及监测数据库，形成具有监测数据管理能力、决策分析能力、应急管理能力和共享展示能力的专业监测预警信息系统，并将作为八大监测预警系统之一，为未来首都地质资源环境承载力监测预警平台提供矿山地质环境的专业监测数据和预警分析功能，全面保障北京市的矿山地质安全，促进矿山地质环境保护及矿山生态系统恢复重建协调发展（图1）。

1.2 系统的建设目标

系统基于矿山地质环境监测系统的前期建设成果及信息化的工作要求，依赖新一代的信息技术，建设成为衔接数据采集、存储、挖掘分析、共享展示及智能化应用于一体的综合业务系统。其服务对象包括数据处室、机关领导、应急中心及地勘院院属单位，作为矿山地质环境监测的工作平台，将重点实现以下功能：实现对海量监测数据的存储、管理、展示及共享;实现对数据的挖掘分析，以信息成果支撑决策;实现对矿山地质灾害应急的信息化管理;实现对矿山地质成果的三维模型展示。

（2）矿山地质环境监测成果图件展示。将信息系统中的监测网点数据、环境监测数据进行关联分析，按照数据采集年度、区划等条件进行分类汇总，并以电子地图、饼图、柱状图、线形图、数据列表等方式将各类数据集中展示在一张图上，以实现对矿山地质环境监测成果的全面的信息呈现。

（3）矿山地质环境监测数据更新与维护管理。建立完善的完数据导入、录入、展示、查询、导出等功能，实现按年度汇交的矿山地质环境监测成果及时更新。

（4）数据交换共享。将实现矿山地质环境数据库与首都平台中心数据库进行地质数据的适配、转换、对接和传输，并对交换过程进行配置、监控和管理，主要具有数据交换、交换节点管理等功能。

3.3 决策分析功能

矿山地质环境监测预警信息系统的主要目标之一便是通过对监测结果的分析以实现辅助决策的目的，因此决策分析是信息系统未来重点建设的功能之一。它需要高度可视化的工具环境来支持快速数据分析模型创建，并需借助大数据技术来得到数据分析成果，最终达到分析评价的目的。

（1）可视化的工具环境。综合利用多种来源的空间数据和非空间数据，通过创建丰富多样的地图、统计图表对数据进行可视化展示，并可基于图形、图表分析结果和多种分析函数，通过简单拖动，快速创建基于不同统计数据的分析结果。通过提供强有力的交互能力和分析能力，支持用户从各个角度进行数据分析。

（2）大数据挖掘分析。将通过Hadoop并行计算技术、分布式存储技术结合ArcGIS的空间数据分析技术，实现海量空间数据与分布式运算的结合，从而实现空间大数据的挖掘分析，实现对各类矿山地质环境监测预警相关的海量时空大数据进行多元化、多维度的查询、统计、挖掘与在线调用服务。

（3）成果信息展示。将通过对矿山地质环境监测业务表格进行分析，提取知识指标，以发生程度、发生面积、发生指标、防治面积等重要数据为依据，以年度环比、历史同期比、平均值和最大（小）值比较、加权平均曲线等分析方法，更有效的在测报数据中总结凝练出预警预报等关键信息。

（4）分析评价。根据多要素叠加分析理论，利用层次分析法、Delphi法，并结合GIS空间分析技术，建立矿山地质环境的分析评价模型，实现矿山地质环境监测业务的分析评价服务。

3.4 应急管理功能

矿山地质环境的应急管理与其预警服务是相辅相成的，由数据挖掘得到预警信息，再对预警信息进行分析评价触发应急服务，形成监测、预警和应急处置的闭环，同时需要对各应急事件进行信息管理，做到应急处置的事件可管理、可统计、可追溯。

（1）应急信息管理。对应急事件的监测点、事件定位点、应急人员、应急值班计划、应急避险场所、应急设备等应急信息进行管理;对应急事件的时间地点、起因、处理措施、处理过程和结果、处理后的遗留问题等信息进行管理;对历史应急预案日志进行管理，自动统计不同预警区内的隐患点、灾害类型、灾害规模、威胁对象、威胁人数等，统计结果能够生成多种样式的统计图表，并可以直接导出图表。

（2）应急事件服务。预警数据得出后，需根据建立好的等级评价模型计算相关事件等级，并根据基本信息及模型库中的评价计算模型确定事件的处置方法，提供专家或者其它技术人员对生成的预警信息进行审核确认。应急事件发生后，根据事件基本信息，结合系统分析功能，自动生成初步应急报告，形成事故参考处置方案，并借助相关技术专家的指导，形成科学的应急指挥决策，应急人员根据应急工作布置，开展应急救援，并实时反馈信息，系统根据实时信息修改事故参考处置方案，供应急管理人员调整应急方案。

（3）小型无人机应急管理。由于应急事件处理强调的是“快速”和“高效”，而小型无人机遥感便非常的适合于这种需求，因此将在矿山地灾应急管理中建立小型无人机应急管理专题。此功能结合数据管理模块中的无人机数据管理功能，共同提供小型无人机应急管理服务，当无人机数据处理分析形成应急结果时，直接触发小型无人机的应急服务，可提供无人机应急数据采集、快速三维模型建模功能，直接作为应急处置工作的底图，直观的辅助应急决策。

3.5 共享展示功能

共享展示功能将实现专题成果中三维模型、高清遥感影像、各专题评价成果、监测点和隐患点信息的一体化浏览与展示，并实现将三维模型集成到首都平台的三维综合展示平台。

（1）三维模型的展示分析。将实现三维模型的多种展示形式，包括三维模型与高清遥感影像、各专题成果图件的叠加展示，三维地质体的推进演示、透明化展示、剖面和切割等形式。并可进行地质界面及高程等值线图生成、三维模型通用拾取、地层剥离、隧道虚拟开挖与漫游和曲面模型动态预演等功能，尤其曲面模型动态预演功能，可在原有静态模型显示的基础上，充分挖掘模型在时间上的表达手段，通过时态演变对模型进行动态分析表达。

（2）地上地下一体化矿山地质模型。将实现矿山地上和地下模型的一体化浏览、展示，一体化空间分析、属性分析、统计查询等功能，为实现地上和地下一体的矿山的综合评价与分析建立必要的基础。

（3）三维模型的集成。地质三维模型不仅作为独立模型提供展示分析的功能，并且需要集成到首都平台的综合展示平台，以实现城市地质三维成果的统一集成和管理。因此按照三维综合展示平台的要求进行三维模型的标准化，以顺利实现与首都平台的无缝集成。

4 结论

本文系统性的介绍了北京矿山地质环境监测预警信息系统的建设思路、建设目标及实施步骤，并对系统将建成的监测数据动态管理、决策分析、应急管理和共享展示功能进行了详细介绍。监测数据动态管理作为系统近期实现的功能，将对矿山地质环境监测多年来积累的监测数据进行存储、管理，提升数据的利用率，并为数据进一步的挖掘分析打下基础。而决策分析、应急管理和共享展示作為系统未来实现的智能化应用，将进一步提升矿山地质环境监测预警信息系统的服务水平，其中无人机倾斜摄影测量、地上地下一体化三维模型、人工智能识别和云计算、大数据、物联网等技术将成为系统建设的关键，未来这些关键技术的发展以及在地质行业的深度应用，将决定矿山地质环境监测预警信息系统的建设水平，同时系统建设过程中也将应用更多、更先进的技术作为支撑，使之逐步建设成为覆盖矿山地质环境监测全业务流程的、实现对矿山地质环境有效监控的业务系统。

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