基于矿山开采的水工环地质勘查系统设计及应用

基于矿山开采的水工环地质勘查系统设计及应用

刘震

辽宁省冶金地质四〇一队有限责任公司   辽宁 鞍山   114100

摘要：目前矿山开采中水工环地质勘查成为了尤为重要的一部分，为了提高矿山开采的安全性以及水工环地质勘查工作的效率，将网络技术与地质勘查相结合，开发设计出地质勘查系统，利用该系统了解到待开采矿山的水工环地质环境。但是目前现有的勘查系统存在较大的勘查误差，无法为矿山安全开采提供准确依据，为此提出本次课题研究。

关键词：矿山开采；水工环；地质勘查；系统设计；应用

1基于矿山开采的水工环地质勘查系统硬件设计

1.1水工环地质勘查采集器选型

基于矿山开采的水工环地质勘查系统的设计关键在于水工环地质勘查采集器的选型与设计，高效、准确地采集到待开采矿山的水工环地质数据是系统实现勘查功能和任务的前提，针对矿山水工环地质勘查需求，此次采用多光谱相机作为水工环地质勘查采集器。

多光谱相机是一种无线传感设备，矿山水工环地质勘查过程中光照、气温、气流、湿度以及飞速等因素都能够对无线传感器数据采集造成影响，而多光谱相机采用的是多镜头分光技术，能够降低以上不良因素的影响，采集的地质数据质量较高。目前常用的多光谱相机主要有GYG型号、ODR型号、OHR型号三种。

OHR型号多光谱相机虽然镜头数量和成像器数量较多，拍摄到的图像数据更加全面，但是其对供电电压和供电电流要求较大，并不适用于野外勘查环境，因此此次采用ODR型号多光谱相机作为系统的无线传感硬件设备。ODR型号多光谱相机相比较其他两种多光谱相机具有一个热成像功能，并且拍摄到的图像分辨率和清晰度较高，即使在光照不是特别充足的环境中也能够拍摄到清晰的图像。此外，其接口容量可以达到256GB，而GYG型号和OHR型号多光谱相机接口容量仅为125GB，对于矿山水工环地质勘查数据能够提供充足的存储空间。

在对矿山水工环地质数据采集时利用Ethernet接口或者串行接口与系统服务器连接，实现直接配置，通过服务器下达水工环地质数据采集任务，并利用相机内置的操作系统对其分辨率、拍摄频率以及拍摄范围进行控制，从而实现对矿山水工环地质数据的采集。

1.2采集器搭载装置设计

在实际中多光谱相机需要高空作业，拍摄高度较高，因此在系统的硬件结构中还设计了采集器搭载装置，将多光谱相机安装在采集器搭载装置上通过搭载装置的携带采集到矿山水工环地质勘查数据。

根据基于矿山开采的水工环地质勘查系统的设计要求，此次采用了大疆无人机作为采集器搭载装置，大疆无人机具有良好的飞行优势，在高空作业过程中可以根据相机拍摄需求随意转换飞行角度和方向，并且大疆无人机内置高阶非线性多变量强耦合驱动装置，在飞行过程中如果遇到较强的气流，或者出现电机故障仍然可以继续稳定飞行。此次采用大疆集团出产的FUHF-64型号六旋翼无人机，机身采用进口碳纤维复合材料，体重较轻的同时还能保证自身的刚性和强度，最大搭载重量可以达到10KG，飞行高度最高可以达到3000m，可以满足ODR多光谱相机拍摄需求。

在应用中需要根据实际勘查需求来设定采集器搭载装置的飞行高度、方向、角度、时间等，并通过Ethernet接口或者串行接口与ODR多光谱相机和系统连接，辅助ODR多光谱相机完成矿山水工环地质勘查数据采集任务。

2基于矿山开采的水工环地质勘查系统软件设计

2.1系统三层体系架构构建

根据基于矿山开采的水工环地质勘查系统需求，此次将系统的架构设计采用了B/S架构，主要包括数据服务层、系统逻辑应用层、系统功能表现层三个部分，由该三个部分组建基于矿山开采的水工环地质勘查系统三层体系架构。其中数据服务层主要是用于对系统中水工环地质勘查数据采集、处理以及存储等服务，包含的组件主要为地质数据库，此次选取的数据库为SQLServer数据库，依靠该数据库对基于矿山开采的水工环基础地理、环境、现场勘查以及基础地质等数据，基于矿山开采的水工环基础地理数据类型主要为比例尺不小于1：10000矿山水工环地形剖面图，基于矿山开采的水工环地质环境数据类型主要为比例尺不小于1：20000比例的遥感图像，数据内容主要包括矿山水工环浅层地层分布图、环境边界界限图等，基于矿山开采的水工环基础地理数据和环境数据在采集时，都遵循GPS最新的面向实体数据模型和遥感卫星简单的空间特征类规范，数据均是图像数据，在SQLServer数据库存储之前由数据服务层数据处理功能按照点、线、面三个特征对其进行标注，并且根据数据编码标准对两类数据进行编码处理。勘查现场以及基础地质数据主要为钻孔数据以及试验数据，该两类数据遵循空间特征规范，以及SQLServer数据库规则，对每一个水工环地质勘查数据和试验数据进行存储，每个钻孔数据都对应着矿山水工环地质年代、成因以及特征等地质数据。

与数据服务层连接的是系统逻辑应用层，系统逻辑应用层主要包括系统管理应用、数据编辑应用、数据存储应用、数据查询应用、三维空间地质建模应用以及数据表格制作应用等，每个应用都对应着系统的一个功能，根据数据服务层提供的数据实现系统逻辑应用层中各个应用。系统功能表现层与系统逻辑应用层对接，通过与系统逻辑应用层交互，将系统的各个功能进行展现，系统功能表现层的另一端与系统客户端连接，通过COM接口将系统功能传递给客户端，用户在客户端上实现对系统功能的操作。

2.2水工环地质数据获取

系统在软件方面分别设计了数据采集模块、处理模块以及分析模块，其中数据采集模块中引用了三维GIS技术，利用三维GIS技术采集到矿山水工环地质三维数据。矿山水工环地质数据具有固定的数据帧格式，在数据采集过程中，依靠三维GIS技术的广播模式和默认模式对这种固定数据帧格式的数据进行全面的采集，其采集过程如下。首先在广播模式下可以对水工环地质数据采集频率进行自定义设置，通常情况下设定为165Hz。并向系统发送STYRNFYHLFV-MODE数据包，自行匹配到广播模式下的采集内容，配置范围在15Hz-155Hz之间。然后自动切换到默认模式，系统在默认模式下接收全部的六个自由度GIS数据，以此实现矿山水工环地质数据的采集。

2.3水工环地质数据处理及分析

数据采集模块将采集到的数据包发送给数据处理模块，由数据处理模块将无效数据、重复数据进行剔除，同时将数据格式统一转换为十六位进制数据格式，并且将数据统一写入到TXT文本文件中。

数据分析模块自动读取到处理后的数据，利用三维虚拟建模技术建立矿山水工环地质三维模型，具体建模过程如下：将水工环地质数据传入到三维虚拟化模型建模软件中，在该软件中对数据进行网格化处理，网格选用4×4形式，将所有数据自动标注到模型上，形成一个与实际勘查目标相一致的水工环地质三维模型。同时将使用到的数据备份到系统数据库中，根据系统数据库中的数据自动分析出矿山水工环地质结构特征，并且绘制出水工环地质分界曲面，在该曲面和建立的三维模型上都可以查看到相应的地质数据，以此完成水工环地质数据分析。

3结语

随着矿山开采难度的不断提高，对矿山水工环地质勘查系统的设计要求也逐渐增加，不仅要具有较快的勘查效率，还要保证系统勘查结果的精度。此次在传统系统基础上，在硬件和软件两个方面进行了优化和改良设计，应用了无人机、多光谱相机等先进技术，有效降低了系统的勘查误差，能够为矿山开采提供准确的水工环地质数据。

参考文献

[1]曹海建,李志强.矿山水工环地质勘查中的防治措施优化研究[J].世界有色金属,2021,(10):188-189.

[2]袁俊.新形势下矿山水工环地质勘查工作中的问题与防治措施[J].世界有色金属,2021,(02):176-177.

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