2024优秀案例丨“双端融合”——空天地一体矿山遥感动态监测平台

矿产资源是社会发展的重要物质基础，随着社会经济的发展对矿产资源的需求也在不断增加。然而在传统矿山开采过程中，地质信息的获取、处理和应用一直是一个关键环节。不规范的开采方式导致大量资源浪费，同时带来严重的地质灾害和环境污染问题。

由于矿山地质环境变化具有影响范围广、持续时间长、关联要素多等特点，复杂地质条件和脆弱生态环境使得矿山地质环境监测、治理与保护面临严峻挑战。其难点在于：一方面，矿区岩层形态多样、地质灾害突出、环境参数多，单一、传统的测绘监测手段难以满足矿山复杂地质环境监测的实际需求；另一方面，多平台和不同技术方法在矿山地质环境多要素联合信息提取与智能感知、地质灾害隐患识别、环境变化分析领域具有巨大的优势和潜力，但数据属性、结构、时空分辨率等差异性较大；此外，矿区地质环境参数变化存在由量变到质变、缓变和突变的特点，鉴于上述问题，如何实现矿山地质环境多要素协同监测及其变化的智能感知是当前需要解决的重要难点。

本公司在总结现阶段矿山地质环境多平台、多要素协同监测技术，多源异构数据融合算法模型及矿山地质环境监测技术发展现状的基础上，构建了矿山地质环境“空天地一体化”协同监测技术体系、“一站式”矿山地质环境评价体系，采用“双端融合”顶层设计思路，将桌面端数据处理优势和Web端可视化优势联结，为矿山管理者、环保工程师和决策者提供一个强有力的分析决策工具，为矿区产业智能化转型提供源动力，全面提升矿山地质环境综合监管能力，形成实时感知、预警预测、地质评价、精准决策的矿山治理新格局。

1、系统顶层设计

智慧矿山的内涵是遵循系统工程理论，利用现代信息技术和已知知识应对未知变化，实现对矿山生产经营主动感知，统筹优化各种资源，在符合矿山安全生产、环境保护要求的前提下，实现矿山资源利用效率与经济社会效益自主动态平衡。因此，为贯彻落实习近平生态文明思想，贯彻资源与环境并重的国策，坚持协调发展、可持续发展，开展矿山开发全流程监管，快速查明矿山开发损毁土地情况、矿山生态保护修复情况，有效评估矿山开发引发的生态环境风险和资产价值变化情况，以“绿色矿山”为目标的矿山数字化转型势在必行。

本公司立足“智在管理、慧在应用”理念，以“1+1+N”体系（即一个监测体系，一个评价体系和N个应用功能）为路径，以“横向可扩展，纵向可定制”为原则，建立“天空地一体”、“二三维融合”的协同监测体系，集成桌面端的分析能力和Web端的可视化展示、互联网访问特点，采用Web Socket等信息化技术，将双平台融合连接，实现“一站式”矿山地质环境评价体系和可视化Web系统有机统一，以“双端融合”模式简化用户操作流程，以“动态监测”赋能矿山地质环境监测和治理工作。总体架构如图1所示。

图1 矿山遥感动态监测平台逻辑架构

（1）技术的创新与应用是推动矿山监测和管理前进的核心动力，本公司采用信息化技术，结合改进的矿山地质评价算法，以数字孪生技术为展现形式，耦合“天、空、地”数据，提出具有煤航特色的智慧矿山探索路径。设计总体包含1个架构、1个底座、2个系统和3个用户类型。1个架构，即系统底层架构：采用“横向可扩展，纵向可定制”原则，设计实现桌面端和Web端双端融合的应用体系；其体系架构如图2所示。

图2 矿山遥感动态监测平台总体架构

1个底座，即系统数据底座，实现包含天基、空基、地基数据在内，数据汇集、数据解析、数据融合、数据建模等操作在内的多层次、一体化数据库；2个系统，即耦合矿山地质环境综合环境评价算法体系的桌面端系统和以二、三维可视化平台为基底的Web端可视化应系统；3个用户类型，即政府机关、矿山企业和企业职能人员。以下3节将对数据底座和两个系统的成果分别展开介绍。

2、“空天地一体化”协同监测技术体系

利用天基、空基和地基等新型空间信息观测技术，并结合地球物理化学分析和原位采样等数据采集和人工调查手段，构建了“天空地一体化”多平台、多要素、多尺度、多时相协同的矿山地质环境协同监测技术体系。该体系结合不同类型、平台传感器实现矿区岩层、地下和地表水、土壤、植被覆盖、地形地貌、地表沉降与变形等地质环境信息的全面监测；考虑不同平台（如星载、机载和地基等）观测数据的空间分辨率差异，实现地质环境要素的多尺度协同监测；依据任务需求和卫星重访周期信息，联合无人机、地面设备和人工调查数据构建时间协同监测方案，实现地质环境信息的连续性监测。体系架构图如图3所示。

图3 “空天地一体化”协同监测技术体系架构图

3、“一站式”矿山地质环境评价体系

在矿山开发遥感监测的基础上，通过对不同类型矿山的调查，掌握其开发特点和规律，建立一套科学合理的“一站式”矿山地质环境评价体系（如图4所示），从而对矿山地质环境破坏的严重程度进行较为客观的分区评价。本平台以遥感影像为数据源，借助GIS手段，根据研究区特征构建矿山地质环境评价体系，提取评价因子，分配指标权值，建立AHP-EWM-TOPSIS评价模型评价模型，基于自主研发的桌面端评价系统（见图5、图6），计算矿山地质环境质量综合指数，以定性和定量相结合的方式来评判地质环境质量的优劣程度，以期为矿山地质环境保护与治理提供决策依据，为促进矿产资源开发与矿山地质环境保护协调发展，实现绿色矿山建设目标提供支撑。

图4 矿山地质环境评价体系构建

图5 桌面端评价系统评价界面示意图

图6 桌面端评价系统综合权重计算界面示意图

4、“双端融合”矿山遥感动态监测平台

“驾驶舱”是一个综合的仪表板界面，它允许用户通过直观的方式访问、分析和操作地理空间数据。本系统驾驶舱集成了大佛寺矿山多类站点监测实时数据、遥感生态指数数据以及指标统计数据。主体界面如图7所示。

图7 系统驾驶舱概览

（1）矿山地质评价

矿山地质评价模块旨在集成桌面端软件利用算法分析得到的各指标的分析结果，实现桌面端软件与Web端系统的互联互通，以可视化的方式在线查看各指标的统计分析结果，宏观把控、掌握矿区的地质环境现状。部分示意如图8、图9 所示。

图8 矿山地质评价概览（左：降雨因子；右：坡度因子）

图9 矿山地质评价概览（左：含水层结构破坏因子；右：占地面积因子）

（2）卫星遥感动态监测

卫星遥感动态监测分析模块利用分屏对比组件，展示遥感生态指数及其五个指数分量（归一化植被指数、植被覆盖度、干度指标、热度分量、湿度分量）数据集。概览如图10~图15所示。

图10 遥感生态指数分屏对比结果图

图11 归一化植被指数分屏对比结果图

图12 湿度分量分屏对比结果图

图13 热度分量分屏对比结果图

图14 干度分量分屏对比结果图

图15植被覆盖度分量分屏对比结果图

在指数详情及操作面板中，除了对图层的基本描述外，还增设了图层下载按钮。用以下载对应指数的遥感专题图，此功能以表格的形式呈现，包含图层缩略图、指数名称、数据年份，操作包含图层预览和图层下载，如图所示。点击图层预览按钮，主界面弹出对应年份对应指数的专题图概览面板（如图16所示），给出基于2000国家大地坐标系、1985高程基准的指数专题图，用户可以先预览对应图层，如有需要，点击图层下载按钮，将专题图下载到本地文件夹。

图16 图层预览及下载专栏

（3）地质灾害与损毁复垦

地质灾害与损毁模块专注于展示和评估由于矿业活动或自然因素引起的地质灾害，集成地形景观、地质灾害和损毁复垦三大类数据，将矿区范围内的地形特点、地质灾害点和损毁复垦区分别展示在地图上，宏观把控矿区的灾害与损毁复垦现状。

其中，地形景观包含地面高程（DEM）、地面坡度和地表景观图层。具体如图17所示。

图17 地形景观数据图层概览（左：DEM图层；中：坡度图层；右：地表景观图层）

地表景观专题图是以高分辨率遥感影像为基底，按照规范标准对地表景观类型进行解译提取的结果，主要标明了矿区的景观类型、位置及面积等信息，反映了矿区当前地表覆盖情况。具体如图18所示。

图18 地表景观数据图层概览（左：滑塌及隐患监测点位图层；中：滑坡及隐患点监测点位图层；右：矿山地裂缝监测点位图层）

（4）重点监测工作面

首先将矿区的工作面数据转换为地理信息可视化数据，再结合Web GIS技术，将其加载在本模块，用户可以直观看到工作面在矿区范围内的分布情况，并且支持对工作面基本信息的查询展示，以贴合实际的地图要素，为矿区负责人决策、矿区工作人员生产工作提供了的宏观视角。具体如图19所示。

图19重点监测工作面模块概览

（5）点云动态管理

该模块使用激光扫描和其他测量技术生成精确的矿区模型，这些模型可以用于分析地形变化、规划矿区扩展或评估已开采区域。概览如图20所示。

图20 点云动态监测概览

左侧是数据图层管理面板，集成了多期无人机激光雷达图层管理和Sentinel-1A两类图层。并提供详情查看和数据图层下载功能。具体如图21所示。

图21 数据图层详情面板

（6）业务管理分析

该模块旨在提供决策支持，对矿区内设备采集的数据集中管理，通过集成的报表和仪表板，管理者能够轻松地访问和理解复杂数据，能够轻松的把控各类监测设备数据的变化趋势。并提供预警消息发布功能，便于用户基于监测值进行预警发布。具体如图22、图23所示。

图22 曲线图概览

图23 预警消息发布概览

1、“双端融合”强化生态治理

智慧矿山的内涵是遵循系统工程理论，利用现代信息技术和已知知识应对未知变化，实现对矿山生产经营主动感知，统筹优化各种资源，在符合矿山安全生产、环境保护要求的前提下，实现矿山资源利用效率与经济社会效益自主动态平衡。而面对矿区工作难度大、监测周期长、地理信息获取难、地面环境污染无考量、矿区治理程度缺乏监督、无法精确实时监控等难题，本公司提出“双端融合”设计思路，将桌面端快速的数据处理能力和Web端直观的展示能力有机结合，实现展示分析一体化、监管预警一体化，以“双端融合”降低矿区生态评价复杂度，强化矿区生态治理能力，全面提升防治结合水平。

图24 双端融合设计思路

2、“空天地一体”赋能动态监测

矿山地质环境变化具有影响范围广、持续时间长、关联要素多等特点，复杂地质条件和脆弱生态环境使得矿山地质环境监测、治理与保护面临严峻挑战。而面对矿区岩层形态多样、地质灾害突出；多平台和不同技术方法联合信息提取与感知，数据属性、结构、时空分辨率等差异性较大；矿区地质环境参数变化存在由量变到质变、缓变和突变等特点，本公司提出“空天地一体化”协同监测技术体系，实现“天空地一体化”协同观测的多尺度联合表达以及对大、中尺度的及时预警监测和小尺度聚焦监测，弥补不同平台因观测条件限制导致的信息缺失，为多平台观测结果交互验证和要素感知精度提升提供技术基础，赋能矿山地质环境遥感动态监测。

1、社会效益

一、符合国家生态文明建设，贯彻落实“30·60”双碳战略顶层部署。该平台能够通过遥感技术对矿山周边的土地利用、水资源等进行全面监测，及时发现并解决环境问题，保护生态环境的可持续发展。这不仅符合现代社会对环境保护的要求，也提高了矿山企业的形象和声誉，有利于企业与政府、社会各界建立良好的合作关系。

二、遵循“智在管理、慧在应用”理念，以技术的创新与应用为落脚点，完善矿山企业生产运营安全保障体系，充分保障矿山工人生命安全。平台能够及时对矿山现场进行监测，掌握安全隐患，减少事故发生的可能性。通过监测矿山工人的作业状态和工作环境，平台还能够提供个性化的安全建议和培训，提高矿山工人的安全意识和操作技能，保障人身安全。这不仅有助于减少人员伤亡和经济损失，还体现了矿山企业对员工生命安全和人文关怀的关注，有利于凝聚员工的归属感和忠诚度。

三、以科学技术赋能生产实践，改进矿山企业防治监管体系，致力于矿山企业充分承担其生态保护责任。通过对矿山资源进行实时监测，平台能够提供更加准确、及时的数据，为矿山企业的生产计划和资源配置提供科学依据。这不仅有效地降低了矿山企业的生产成本，还提升了矿山资源的利用效率，进一步推动了矿山产业的可持续发展。同时，平台提供的数据还可以帮助矿山企业进行市场预测和风险评估，提高了企业的市场竞争力和经济效益。

2、经济效益

一、促进矿山生产运营体系深度改革，优化优化矿山企业运营方式，提升企业产能，减少因传统生产运营方式不足带来的损失。

二、提出“横向可扩展，纵向可定制”、易部署、易上线的平台架构，致力于降低矿山企业数字化转型过程中的成本投入。构建矿山企业互联网信息系统体系，打破传统生产经营方式框架，打通矿山企业在数据采集、存储、备份；监测预警、实施决策等全生命周期内各环节之间的壁垒，实现集实时感知、预警预测、地质评价、精准决策的矿山治理新格局。

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