陳國良 時洪濤 汪云甲 周大偉 劉 鑫 王行風(fēng) 莊會富

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室,江蘇 徐州 221116;3.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430079;4.自然資源部地理國情監(jiān)測重點實驗室,湖北 武漢 430079;5.自然資源部國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

能源、礦產(chǎn)資源開發(fā)為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速、穩(wěn)定發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)[1]。然而,長期、高強(qiáng)度、破壞性開采導(dǎo)致地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、生態(tài)環(huán)境惡化,嚴(yán)重威脅著我國礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展及人民生命財產(chǎn)安全[2]。近年來,僅華北地區(qū)就有90多座城市因礦區(qū)開采發(fā)生了地面形變、地裂縫災(zāi)害以及滑坡、泥石流、土地鹽堿化、洪澇和海水倒灌等次生地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害,造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。在上述背景下,礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查已經(jīng)成為全國生態(tài)保護(hù)總體規(guī)劃的主要任務(wù)。

由于礦山地質(zhì)環(huán)境變化具有影響范圍廣、持續(xù)時間長、關(guān)聯(lián)要素多等特點,復(fù)雜地質(zhì)條件和脆弱生態(tài)環(huán)境使得礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、治理與保護(hù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其難點在于:一方面,礦區(qū)巖層形態(tài)多樣、地質(zhì)災(zāi)害突出、環(huán)境參數(shù)多,單一、傳統(tǒng)的測繪監(jiān)測手段難以滿足礦山復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的實際需求[4];另一方面,多平臺和不同技術(shù)方法在礦山地質(zhì)環(huán)境多要素聯(lián)合信息提取與智能感知、地質(zhì)災(zāi)害隱患識別、環(huán)境變化分析領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢和潛力,但數(shù)據(jù)屬性、結(jié)構(gòu)、時空分辨率等差異性較大;此外,礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境參數(shù)變化存在由量變到質(zhì)變、弱變、緩變和突變的特點,且地質(zhì)災(zāi)害信息與生態(tài)環(huán)境變化存在多要素間的鏈動式耦合效應(yīng)[5]。鑒于上述問題,如何實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境多要素協(xié)同監(jiān)測及其變化的智能感知是當(dāng)前需要解決的重要難點。主要工作有:① 如何綜合利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感、地基設(shè)備和人工調(diào)查手段,進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境多要素(如巖層、土壤、地下水、地表水、植被等)信息的協(xié)同監(jiān)測[6-7],以滿足礦山地質(zhì)環(huán)境多尺度、連續(xù)性、整體性監(jiān)測和多要素信息協(xié)同監(jiān)測的實際需求;② 對于獲取的礦區(qū)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù),如何充分利用礦山地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)的多模態(tài)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)建模,系統(tǒng)解決多源數(shù)據(jù)融合、環(huán)境要素精準(zhǔn)智能感知問題,是地質(zhì)災(zāi)害信息與生態(tài)環(huán)境變化耦合機(jī)制研究的重要基礎(chǔ)。

本研究在總結(jié)現(xiàn)階段礦山地質(zhì)環(huán)境多平臺、多要素協(xié)同監(jiān)測技術(shù),多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合算法模型及礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了礦山地質(zhì)環(huán)境“天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測理論與技術(shù)體系,包括多要素、多尺度和時間協(xié)同監(jiān)測技術(shù)方案,提出了礦山地質(zhì)環(huán)境多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及關(guān)鍵要素精準(zhǔn)感知技術(shù)框架,旨在為礦山地質(zhì)環(huán)境“信息智能獲取—知識學(xué)習(xí)—輔助決策”大數(shù)據(jù)決策支持系統(tǒng)構(gòu)建提供技術(shù)支撐,為礦區(qū)安全高效開采和礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)信息保障。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境多平臺、多要素協(xié)同監(jiān)測

礦區(qū)巖層形態(tài)多樣、地質(zhì)災(zāi)害突出、環(huán)境問題復(fù)雜,單一、傳統(tǒng)的測繪監(jiān)測手段難以滿足礦山地質(zhì)環(huán)境多尺度、連續(xù)性、整體性監(jiān)測和多要素信息異常智能感知的實際需求[4]。鑒于此,近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了“天—空—地”協(xié)同監(jiān)測理論研究。張良培等[8]提出了空天地一體化對地觀測傳感網(wǎng)理論,構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多傳感器資源的動態(tài)管理、事件智能感知等理論。戴華陽團(tuán)隊[9]針對礦區(qū)地表移動監(jiān)測問題,聯(lián)合InSAR、GNSS、三維激光掃描實現(xiàn)了“空—天—地”一體化監(jiān)測。舒紅平等[10]提出了模型驅(qū)動的云邊端協(xié)同的天空地一體化氣象信息處理體系架構(gòu)和服務(wù)架構(gòu)。劉善軍等[6]、吳立新等[7]面向露天礦邊坡監(jiān)測,研究了“天—空—地”多平臺、多模式協(xié)同監(jiān)測方法,并成功應(yīng)用于遼寧撫順西露天煤礦等特大型滑坡監(jiān)測。然而,現(xiàn)有的天、空、地協(xié)同機(jī)制忽略了參數(shù)、尺度和時間協(xié)同機(jī)制在整體、連續(xù)、多維度監(jiān)測方面的優(yōu)勢,尤其是協(xié)同體系構(gòu)建還面臨諸多重大挑戰(zhàn)[11]。如InSAR監(jiān)測技術(shù)易受限于觀測平臺重訪周期及復(fù)雜地表覆蓋導(dǎo)致的失相干問題,無法保證觀測的時間連續(xù)性;單一平臺觀測手段難以將監(jiān)測結(jié)果和監(jiān)測精度交互驗證等。

多平臺協(xié)同監(jiān)測還應(yīng)考慮礦山地質(zhì)環(huán)境的特殊性,即災(zāi)害信息與生態(tài)環(huán)境變化存在多要素間的鏈動式耦合效應(yīng),單一天基、空基手段獲取的地表要素信息有限,難以滿足地質(zhì)、環(huán)境、巖、土、水、生態(tài)要素耦合機(jī)制分析需求。此外,人工現(xiàn)場調(diào)查手段,如地球化學(xué)分析測試技術(shù)、生態(tài)地質(zhì)剖面測量技術(shù),能夠?qū)Φ乇砘鶐r開展巖礦化學(xué)全分析,利用定性觀察、描述和定量測量等手段獲取不同地質(zhì)、地形地貌、土壤、生態(tài)等信息。其優(yōu)點為數(shù)據(jù)尺度小、精度高,可為礦區(qū)關(guān)鍵要素采樣和智能信息提取驗證提供參考,彌補(bǔ)天、空、地觀測空區(qū)。因此,對于礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測迫切需要構(gòu)建多平臺、多手段聯(lián)合的“天—空—地—人”協(xié)同觀測技術(shù)方法體系[12]。“天—空—地—人”一體化協(xié)同監(jiān)測技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境多要素聯(lián)合信息提取與智能感知、地質(zhì)災(zāi)害隱患識別、環(huán)境變化分析領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。然而,考慮數(shù)據(jù)屬性、結(jié)構(gòu)、時空分辨率等差異性較大,建立不同觀測技術(shù)的多尺度、多時相有機(jī)協(xié)同機(jī)制,是礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)監(jiān)測和環(huán)境多要素信息耦合效應(yīng)科學(xué)分析的保障。

2 基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

隨著對地觀測手段的日益豐富,使得獲取礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的大數(shù)據(jù)成為可能,充分挖掘海量監(jiān)測數(shù)據(jù)背后的信息,開展與之相關(guān)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、環(huán)境演變的智能感知與信息的智能應(yīng)用成為業(yè)內(nèi)研究的焦點。礦區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合是指針對“天—空—地—人”等手段所獲取的監(jiān)測信息進(jìn)行綜合,進(jìn)而得到統(tǒng)一的礦山地質(zhì)環(huán)境信息。

近年來,不少學(xué)者針對遙感影像融合方法進(jìn)行了深入研究。盧小平等[13]利用PCA法對不同遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了像素級融合;程三友等[14]利用HVS變換融合多源數(shù)據(jù)用于山區(qū)地質(zhì)填圖研究;莊會富等[15]構(gòu)建了基于信息熵和多尺度小波變化的差異影像融合方法,提高了信息提取精度;魏之皓等[16]將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征級融合,提升了大范圍水體信息的提取精度;解明禮等[17]采用多源數(shù)據(jù)融合方法有效地捕捉了滑坡變形特征;張耀輝[18]研究了數(shù)據(jù)級、特征級多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法。傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)環(huán)境要素監(jiān)測方法存在著覆蓋范圍小、數(shù)據(jù)更新不及時等缺陷[6,19-21]。近年來,InSAR、激光雷達(dá)、GIS等地球空間信息技術(shù)被引入礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中,在礦區(qū)地表形變監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定性感知等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用[22-26]。針對巖層移動、土體裂縫、生態(tài)退化等礦區(qū)環(huán)境要素的精準(zhǔn)感知也引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注[9,27-28]。知識圖譜為大數(shù)據(jù)時代信息的智能應(yīng)用提供了有效工具。陳述彭院士[29]于20世紀(jì)90年代提出了地學(xué)信息圖譜;廖克[30]從領(lǐng)域知識表達(dá)和隱藏知識發(fā)現(xiàn)角度,提出了“地學(xué)知識圖譜”定義及內(nèi)涵;周永章等[31]、李開鴻等[32]、袁滿等[33]分別探討了面向地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析的知識圖譜應(yīng)用;謝炎宏等[34]梳理了地震防治實體間的語義關(guān)系,構(gòu)建了地震災(zāi)害防治知識圖譜;王亮等[34]構(gòu)建了集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等于一體的水利知識圖譜;高嘉良等[35]利用旅游知識圖譜推演了游客興趣在知識圖譜上的傳播模式;王志華等[36]對地學(xué)知識圖譜研究中存在的問題開展了研究和探討。

現(xiàn)階段,礦山地質(zhì)環(huán)境研究已經(jīng)進(jìn)入全天候、全要素觀測的大數(shù)據(jù)時代,針對現(xiàn)代觀測手段所獲取的海量數(shù)據(jù),還需充分利用礦山地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)的多模態(tài)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)建模,系統(tǒng)解決多源數(shù)據(jù)融合、環(huán)境要素智能感知、地學(xué)知識圖譜構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù),為礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查提供技術(shù)支撐。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境“天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測理論與技術(shù)

我國礦山地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,氣候、植被覆蓋多樣,本研究利用天基、空基和地基等新型空間信息觀測技術(shù),并結(jié)合地球物理化學(xué)分析和原位采樣等數(shù)據(jù)采集和人工調(diào)查手段,提出了“天—空—地—人”多平臺、多要素、多尺度、多時相協(xié)同的礦山地質(zhì)環(huán)境要素精準(zhǔn)監(jiān)測理論與技術(shù),如圖1所示。

圖1 “天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測理論與技術(shù)框架Fig.1 Technical framework of integrated "Space-Air-Ground-Human" monitoring of mine geological environment

“天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測理論與技術(shù)構(gòu)建主要解決3個問題:① 結(jié)合不同類型、平臺傳感器實現(xiàn)礦區(qū)巖層、地下和地表水、土壤、植被覆蓋等地質(zhì)環(huán)境信息的全面監(jiān)測;② 考慮不同平臺(如星載、機(jī)載和地基等)觀測數(shù)據(jù)的空間分辨率差異,實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境要素的多尺度協(xié)同監(jiān)測;③ 依據(jù)任務(wù)需求和衛(wèi)星重訪周期信息,聯(lián)合無人機(jī)、地面設(shè)備和人工調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建時間協(xié)同監(jiān)測方案,實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境信息的連續(xù)性監(jiān)測。

在多平臺協(xié)同監(jiān)測技術(shù)中,多平臺主要為實現(xiàn)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境信息監(jiān)測的不同類型的傳感器平臺和設(shè)備,包括天基高/多光譜與近紅外(如LANDSAT、MODIS、GF-4、GF-2)、合成孔徑雷達(dá)(如SETINEL-1、GF-3、RADARSAT-2)、主被動微波(如SMAP、SMOS)遙感等星載傳感器平臺,空基高/多光譜與近紅外和激光雷達(dá)(LiDAR)等無人機(jī)低空遙感傳感器平臺,以及地面監(jiān)測設(shè)備,如地基SAR平臺、GNSS接收機(jī)、氣象站、聲波測井設(shè)備、塔基觀測、車載測量傳感器等。在本研究“天—空—地—人”監(jiān)測體系中還包括人工現(xiàn)場普查數(shù)據(jù),如原位采樣的地下水位、土壤類型和實驗室物化分析數(shù)據(jù)(如土壤有機(jī)質(zhì)含量、礦物豐度等)。

多要素監(jiān)測主要是在多平臺監(jiān)測的基礎(chǔ)上,基于多平臺、多傳感器獲取的遙感影像數(shù)據(jù)(光譜、散射、輻射特征信息)、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)(位移、采樣分析)實現(xiàn)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的多要素信息提取。其中,多要素主要包括地質(zhì)要素和環(huán)境要素。其中地質(zhì)要素包括井工礦區(qū)地表形變、露天礦邊坡變形、三維地形、地下水位等,環(huán)境要素包括礦區(qū)及其周圍的植被覆蓋類型、覆蓋度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤類型與侵蝕程度、地表水質(zhì)量等。

多時相協(xié)同監(jiān)測技術(shù)能夠有效保障礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境連續(xù)監(jiān)測,多平臺協(xié)同是多時相協(xié)同的前提和基礎(chǔ)。本研究“天—空—地—人”監(jiān)測體系的多時相協(xié)同監(jiān)測方案為:基于衛(wèi)星重訪周期及其差異信息(如LANDSAT衛(wèi)星重訪周期16 d、GF-2衛(wèi)星5 d、SENTINEL-1單星12 d等),通過不同衛(wèi)星平臺組合(如LANDSAT、GF-2與SENTINEL-1組合),同時輔以無人機(jī)平臺觀測,實現(xiàn)礦區(qū)日尺度或周尺度的連續(xù)或?qū)崟r監(jiān)測。需要說明的是,微波遙感具有全天候工作優(yōu)勢,可以彌補(bǔ)光學(xué)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失的不足。此外,多平臺、多時相觀測數(shù)據(jù)可以確保礦區(qū)植被的全生命周期(如植株的萌芽、生長、凋亡過程)監(jiān)測。本研究礦山地質(zhì)環(huán)境“天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測理論與技術(shù)主要包括如下3個方面內(nèi)容。

3.1 “天—空—地—人”一體化地質(zhì)環(huán)境多要素協(xié)同觀測體系

現(xiàn)階段,多種先進(jìn)的星載傳感器(SENTINEL-1)、高光譜/LIDAR無人機(jī)和地面監(jiān)測設(shè)備(地基SAR平臺)已經(jīng)被應(yīng)用于我國礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測,礦區(qū)“空—天—地”一體化監(jiān)測技術(shù)相對成熟[9]。另一方面,礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測也積累了豐富的基于站點和人工采樣的原位觀測數(shù)據(jù),雖然其監(jiān)測精度高,但無法進(jìn)行大面積和實時監(jiān)測;星/機(jī)/地基傳感器平臺類型多樣、監(jiān)測面積大,但存在時空分辨率差異。在“空—天—地—人”一體化監(jiān)測技術(shù)方面,多種監(jiān)測技術(shù)聯(lián)合方案構(gòu)建已不再是主要難題,而將地面和人工站點普查數(shù)據(jù)與遙感影像柵格數(shù)據(jù)相融合,通過合理配置礦區(qū)對地觀測資源方案以滿足礦區(qū)多尺度、連續(xù)監(jiān)測需求是關(guān)鍵。

本研究采用天基星載平臺、空基無人機(jī)平臺和地基觀測設(shè)備、現(xiàn)場調(diào)查分析手段,并基于不同平臺觀測信息的屬性、維度互補(bǔ)性,研究礦區(qū)“地上—地表—地下”三位一體不同平臺聯(lián)合的多要素協(xié)同觀測技術(shù)方法,拓展地質(zhì)環(huán)境要素特征信息感知豐度。同時,通過研究單要素多平臺協(xié)同的觀測技術(shù)方法,提高地質(zhì)環(huán)境要素監(jiān)測精度,可為巖層結(jié)構(gòu)性質(zhì)、土壤理化屬性、地表和地下水分布、植被覆蓋等要素信息智能感知提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

通過借鑒不同平臺、不同傳感器類型觀測數(shù)據(jù)的多樣性,可獲取的數(shù)據(jù)類型有:① 利用天基InSAR、空基LiDAR、地基GNSS、地基雷達(dá)、聲波測井技術(shù)、三維激光掃描技術(shù),構(gòu)建多平臺聯(lián)合的巖層形變觀測體系,獲取地表形變InSAR干涉相位、地面高程、地質(zhì)剖面的聲波速度和幅度,為巖層形變信息反演提供多維度特征參數(shù);② 基于星載長波段極化SAR、被動微波構(gòu)建主被動聯(lián)合的地表土壤濕度、鹽度、有機(jī)質(zhì)含量等參數(shù)觀測體系,為主被動融合土壤濕度反演算法構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);③ 結(jié)合地下水位現(xiàn)場采樣手段、星載SAR、星機(jī)載高/多光譜觀測技術(shù)構(gòu)建地下、地表水觀測體系,為水要素信息智能感知提供空間分布信息和水質(zhì)特征參數(shù)信息;④ 基于星機(jī)載高/多光譜和星載極化干涉SAR觀測技術(shù),構(gòu)建空—天協(xié)同的植被監(jiān)測體系,為環(huán)境生態(tài)要素智能感知提供植被結(jié)構(gòu)信息和光譜特征信息。

3.2 礦山地質(zhì)環(huán)境多源異構(gòu)觀測數(shù)據(jù)的多尺度協(xié)同方法

針對地基、現(xiàn)場調(diào)查獲取的原位觀測數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不匹配的問題,研究地面、現(xiàn)場調(diào)查分析數(shù)據(jù)的空間網(wǎng)格劃分和柵格化表達(dá)技術(shù)方法,對地面、人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分和精細(xì)化柵格化表達(dá),構(gòu)建底層高分辨率小尺度地面觀測數(shù)據(jù)集;基于不同平臺數(shù)據(jù)的尺度效應(yīng)差異,開展大、中尺度(礦區(qū)及其周圍區(qū)域)、小尺度(單一點位)監(jiān)測資源配置與協(xié)同方案設(shè)計研究;研究礦區(qū)多源異構(gòu)觀測數(shù)據(jù)金字塔模型,實現(xiàn)“天—空—地—人”協(xié)同觀測的多尺度聯(lián)合表達(dá)以及對大、中尺度的及時預(yù)警監(jiān)測和小尺度聚焦監(jiān)測。

3.3 基于時間協(xié)同機(jī)制的“天—空—地—人”長效化監(jiān)測技術(shù)

針對衛(wèi)星重訪周期差異、日照條件、降雨、云、霧、險僻環(huán)境等觀測條件受限導(dǎo)致的觀測不連續(xù)問題,面向礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)需求,利用機(jī)載和地面?zhèn)鞲衅髟O(shè)備,優(yōu)化“天—空—地—人”資源配置模型,研究天—地、空—地和空—天觀測的時間協(xié)同機(jī)制,以彌補(bǔ)不同平臺因觀測條件限制導(dǎo)致的信息缺失,為多平臺觀測結(jié)果交互驗證和要素感知精度提升提供技術(shù)基礎(chǔ)。

對礦區(qū)進(jìn)行整體、連續(xù)、實時監(jiān)測是礦山地質(zhì)環(huán)境演變過程及驅(qū)動機(jī)制研究的必要條件。尤其是災(zāi)害異常識別和環(huán)境變化監(jiān)測,需要同一地區(qū)的時序觀測數(shù)據(jù)。以天基星載觀測為主,以無人機(jī)和地面觀測傳感器設(shè)備為輔,在分析多平臺星載衛(wèi)星重訪周期的基礎(chǔ)上,建立天—地、空—地、空—天觀測與現(xiàn)場調(diào)查分析手段聯(lián)合的時間協(xié)同機(jī)制;以空基和地基觀測數(shù)據(jù)彌補(bǔ)星載重訪周期外的礦區(qū)空白監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建天—地和空—天時間協(xié)同觀測機(jī)制;以地基觀測和現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)為輔,彌補(bǔ)空基平臺因日照、天氣條件限制導(dǎo)致的礦區(qū)監(jiān)測時間不連續(xù)問題,構(gòu)建空—地時間協(xié)同觀測機(jī)制;實現(xiàn)面向常態(tài)化、長效化監(jiān)測需求的天—地、空—地、空—天觀測的時間協(xié)同機(jī)制,為多平臺觀測結(jié)果交互驗證和要素感知精度提升提供技術(shù)支撐。

4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及礦山地質(zhì)環(huán)境關(guān)鍵要素精準(zhǔn)感知

采礦擾動下的礦山地質(zhì)環(huán)境變化復(fù)雜,影響因素眾多、分布面積廣、持續(xù)時間長?，F(xiàn)階段,針對“天—空—地—人”協(xié)同多元化觀測數(shù)據(jù),將不同尺度的多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,進(jìn)而準(zhǔn)確獲取礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境要素的時空分布信息是關(guān)鍵。如與滑坡和土壤質(zhì)量緊密相關(guān)的地表土壤濕度反演面臨分辨率不足、精度有待提升的問題,通常需要結(jié)合高分辨多源遙感數(shù)據(jù)來解決[37]。本研究從大數(shù)據(jù)分析角度,以地學(xué)知識應(yīng)用為核心,遵循“多源數(shù)據(jù)融合→環(huán)境要素智能感知→知識圖譜構(gòu)建與應(yīng)用”的思路,構(gòu)建基于“天—空—地—人”監(jiān)測大數(shù)據(jù)的地質(zhì)環(huán)境演變“感知—認(rèn)知—預(yù)知”關(guān)鍵技術(shù),綜合利用“天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)智能融合模型和“時—空—譜”知識引導(dǎo)與數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)雙向驅(qū)動的礦山地質(zhì)環(huán)境多要素智能提取算法,并構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境要素地學(xué)時空知識圖譜。

4.1 “天—空—地—人”多源異構(gòu)數(shù)據(jù)智能融合模型

針對“天—空—地—人”協(xié)同觀測的多尺度、多維度礦山地質(zhì)環(huán)境要素數(shù)據(jù),構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)智能融合方法,解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的空間組織、時空分辨率差異等問題;同時,利用專家知識和礦山地質(zhì)環(huán)境“巖—土—水—植被”監(jiān)測數(shù)據(jù)的多維度屬性信息,實現(xiàn)礦區(qū)多源異構(gòu)樣本數(shù)據(jù)的融合;最后,以礦山地質(zhì)環(huán)境專家融合的樣本數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù),驅(qū)動基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模型學(xué)習(xí),建立礦區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的智能融合模型。具體實現(xiàn)方案包括:① 對礦區(qū)及其周圍影響區(qū)進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分,在加載地面和現(xiàn)場調(diào)查矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行柵格化處理,構(gòu)建“天—空—地—人”立體感知的礦山地質(zhì)環(huán)境要素三維可視化模型;② 構(gòu)建數(shù)據(jù)級、特征級融合方法,充分利用專家知識和監(jiān)測數(shù)據(jù)的多維度屬性信息,實現(xiàn)礦區(qū)多源異構(gòu)樣本數(shù)據(jù)融合;③ 以礦山地質(zhì)環(huán)境專家融合的樣本數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù),驅(qū)動基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模型學(xué)習(xí),建立礦區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的智能融合模型,并用于模型的優(yōu)化學(xué)習(xí)。

4.2 基于多源數(shù)據(jù)和先驗知識的礦山地質(zhì)環(huán)境要素精準(zhǔn)感知技術(shù)

為實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境要素精準(zhǔn)感知,基于“天—空—地—人”多尺度智能監(jiān)測與融合數(shù)據(jù),根據(jù)開采擾動過程和礦山地質(zhì)環(huán)境響應(yīng)規(guī)律,構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境要素的空間發(fā)生區(qū)域、時序變化過程、屬性特征知識庫,剖析采動擾動與礦山地質(zhì)環(huán)境演變的時空關(guān)聯(lián)與響應(yīng)機(jī)理。將融合后的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與礦山地質(zhì)環(huán)境要素知識庫耦合,引入機(jī)器學(xué)習(xí)模型(如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、高斯過程擬合模型)和深度學(xué)習(xí)模型(如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))等技術(shù)方法,開發(fā)基于知識庫與多尺度智能監(jiān)測信息協(xié)同的礦山地質(zhì)環(huán)境要素精準(zhǔn)感知方法和模型,提升多源異構(gòu)數(shù)據(jù)提取礦山地質(zhì)環(huán)境要素的精度和質(zhì)量,實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境要素監(jiān)測的過程動態(tài)化、空間三維化,進(jìn)而構(gòu)建“時空數(shù)據(jù)融合→時空數(shù)據(jù)挖掘→地質(zhì)環(huán)境演變”的礦山地質(zhì)環(huán)境要素感知作業(yè)流程。

4.3 面向礦山地質(zhì)環(huán)境演變的時空知識圖譜構(gòu)建

礦山地質(zhì)環(huán)境演變時空知識圖譜的構(gòu)建思路為:首先以構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境關(guān)鍵要素及其演變知識庫為出發(fā)點,挖掘地質(zhì)環(huán)境不同要素之間的規(guī)律性和隱含式關(guān)聯(lián)規(guī)則,形成結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡(luò)化的知識體系;在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建顧及采礦擾動、空間異質(zhì)性和要素幾何物理屬性等約束的礦山地質(zhì)環(huán)境時空知識圖譜;融合機(jī)器學(xué)習(xí)算法和深度學(xué)習(xí)模型框架,研發(fā)知識引導(dǎo)和數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)雙向驅(qū)動的智能化地質(zhì)環(huán)境信息提取方法;最后,形成礦山地質(zhì)環(huán)境信息“智能獲取—知識學(xué)習(xí)—輔助決策”一體化的數(shù)據(jù)智能分析與決策系統(tǒng),實現(xiàn)礦區(qū)全生命周期地質(zhì)環(huán)境智能反演與智能感知,以期通過知識圖譜智能分析地質(zhì)環(huán)境的演化趨勢與時空特征。

5 討 論

采礦擾動下的地質(zhì)環(huán)境耦合演變是近年來礦山生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與保護(hù)的重要研究工作之一,其首要工作在于巖、土、水、生態(tài)等多要素及其變化信息的連續(xù)精準(zhǔn)監(jiān)測。在總結(jié)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,為實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境多要素的多尺度、連續(xù)精準(zhǔn)監(jiān)測以及地質(zhì)環(huán)境變化信息的智能感知,提出了面向礦山地質(zhì)環(huán)境的“天—空—地—人”多要素、多尺度和時間協(xié)同監(jiān)測技術(shù)方案。同時,介紹了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模型、先驗知識驅(qū)動的礦山地質(zhì)環(huán)境要素精準(zhǔn)感知技術(shù)以及面向礦山地質(zhì)環(huán)境演變的時空知識圖譜的構(gòu)建思路。本研究所構(gòu)建的礦山地質(zhì)環(huán)境“天—空—地—人”立體協(xié)同監(jiān)測及多要素精準(zhǔn)感知技術(shù)體系,能夠為礦山地質(zhì)環(huán)境“信息智能獲取—知識學(xué)習(xí)—輔助決策”大數(shù)據(jù)決策支持系統(tǒng)構(gòu)建提供技術(shù)支撐,為礦區(qū)安全高效開采和礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)信息保障。

總體來說,“天—空—地—人”一體化監(jiān)測是在具體觀測條件下,針對數(shù)據(jù)精度、采集連續(xù)性、時間一致性、工作效率、氣候影響等因素利用多方法協(xié)同監(jiān)測與分析應(yīng)用的技術(shù)體系。然而,在現(xiàn)有技術(shù)條件下其在礦區(qū)的監(jiān)測應(yīng)用仍存在一定的限制。一方面,礦區(qū)形變、滑坡監(jiān)測仍依賴于國外星載SAR觀測平臺,如TerraSAR-X和SENTINEL-1 A/B,數(shù)據(jù)成本高且數(shù)據(jù)觀測范圍有限。此外,由于SENTINEL-1B衛(wèi)星供電系統(tǒng)故障,不再具有雙星6 d/次的重訪監(jiān)測優(yōu)勢。在此背景下,國產(chǎn)SAR衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)(如我國陸地探測1號、航天宏圖1號等)將成為我國礦區(qū)形變、滑坡監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)來源。另一方面,本研究提出將人工普查數(shù)據(jù)、原位站點測量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分、柵格化和重采樣處理,從而實現(xiàn)與“天—空—地”觀測數(shù)據(jù)的融合。但人工普查工作量大、數(shù)據(jù)更新往往遲于遙感觀測且時空分辨率低,在一定程度上影響了礦區(qū)關(guān)鍵要素監(jiān)測精度和效率。因此,未來礦區(qū)“天—空—地—人”監(jiān)測技術(shù)還需要建立密集的站點觀測網(wǎng)(如小型氣象站),并通過無人機(jī)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段輔助采集人工普查數(shù)據(jù)。

“天—空—地—人”一體化監(jiān)測是礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境多要素信息監(jiān)測的技術(shù)基礎(chǔ),能夠獲取礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境地下、地上一體化的“巖—土—水—生態(tài)”信息。面向我國礦區(qū)生態(tài)保護(hù)規(guī)劃需求,在“天—空—地—人”一體化監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究礦山地質(zhì)環(huán)境“巖—土—水—生態(tài)”耦合演變過程,全面認(rèn)識礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的演化過程與發(fā)展趨勢,對于制定和執(zhí)行礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)系統(tǒng)解決方案具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。