露天矿排土场形变和水土流失监测方法及系统

1.本发明涉及矿山地质监测技术领域，具体涉及一种露天矿排土场形变和水土流失监测方法及系统。


背景技术：

2.露天矿排土场是在采矿活动中人工堆砌的大型松散堆积体，具有松散、异质性强以及持续沉降等特点，长期存在会带来边坡失稳变形和水土流失等地质环境问题。排土场区域内地表海拔持续降低，其降低数值量为重力作用导致的累积固结沉降量gacs(gravity
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induced accumulation consolidation settlement)与水土流失导致的地表剥蚀量sed(soil erosion displacement)之和。gacs的存在对于提高排土场地质稳定性起到正面作用，而sed的存在则相反。细化分析不同因素导致的排土场地表标高变化，有助于科学评估其环境影响程度、范围及其长期环境污染风险，对及时采取预防和治理措施，优化排土工艺具有指导意义。
3.目前，大范围内对地表形变监测大多是利用合成孔径雷达影像数据干涉处理获得，但其直接监测结果无法将gacs与sed区分开来，因此无法精确监测排土场地表标高降低量中哪些是沉降或形变导致的，哪些是水土流失剥蚀地表导致的。


技术实现要素：

4.本申请实施例旨在提供一种露天矿排土场形变和水土流失监测方法及系统，以解决现有技术中无法精确监测排土场地表标高降低量的引起原因的技术问题。
5.为此，本申请一些实施例中提供一种露天矿排土场形变和水土流失监测方法，包括如下步骤：
6.获取排土场多时相合成孔径雷达影像数据并据此得到监测数据，根据所述监测数据得到排土场总沉降分布；
7.获取排土场高精度数字高程模型，根据所述高精度数字高程模型将排土场按堆存高度分割为若干个区域；
8.根据所述排土场总沉降分布与区域分割结果，得到每个所述区域内的沉降分布；将每个所述区域内的最小沉降量确定为：对应排土场堆存高度下重力作用导致的固结沉降量；
9.根据排土场堆存高度与固结沉降量之间的关系，得到排土场的总固结沉降量分布；根据所述排土场总沉降分布和所述总固结沉降量分布，得到排土场水土流失导致的地表剥蚀量分布。
10.本申请一些实施例中所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法，根据所述排土场总沉降分布与区域分割结果，得到每个所述区域内的沉降分布；将每个所述区域内的最小沉降量确定为：对应排土场堆存高度下重力作用导致的固结沉降量的步骤包括：获取每个所述区域的固结沉降量与堆存高度之间的回归关系；根据所述回归关系和所述高精度
数字高程模型得到整个区域的总固结沉降量分布图。
11.本申请一些实施例中所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法，对所述监测数据进行干涉处理，根据干涉处理结果得到变化检测结果图，进而得到所述排土场总沉降分布的步骤中：
12.所述干涉处理至少包括轨道误差校正、配准、生成干涉图、滤波、多视图相位展开、地理编码和裁剪目标区域中的至少一种；
13.根据干涉处理结果，得到变化检测结果图，获取排土场时序总沉降分布图；
14.根据排土场时序总沉降分布图得到所述排土场总沉降分布。
15.本申请一些实施例中所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法，获取排土场高精度数字高程模型，根据所述高精度数字高程模型将排土场按堆存高度分割为若干个区域的步骤中：
16.根据所述高精度数字高程模型将排土场按堆存高度平均分割为若干个区域。
17.本申请一些实施例中所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法，相邻两个所述区域的堆存高度差小于2m，所述区域包括20
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30个。
18.本申请一些实施例中还提供一种露天矿排土场形变和水土流失监测系统，包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个存储器中存储有程序信息，至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行以上任一项所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法。
19.本申请一些实施例中所述的露天矿排土场形变和水土流失监测系统，还包括：
20.干涉雷达，所述干涉雷达监测排土场多时相合成孔径雷达影像数据并将所述多时相合成孔径雷达影像数据发送至所述处理器。
21.本申请一些实施例中所述的露天矿排土场形变和水土流失监测系统，还包括：
22.无人机，所述无人机对所述排土场进行航拍，对航拍结果进行三维重建和多视图像技术得到排土场高精度数字高程模型并将所述排土场高精度数字高程模型发送至所述处理器。
23.本申请一些实施例中还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行以上任一项所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法。
24.本申请提供的上述技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果：本申请的露天矿排土场形变和水土流失监测方法及系统，获取排土场多时相合成孔径雷达影像数据，得到监测数据，根据监测数据得到排土场总沉降分布；根据排土场高精度数字高程模型将排土场按堆存高度分割为若干区域；结合排土场总沉降分布与分割区域，统计出每个堆存高度所对应区域的沉降分布，取每个区域内最小值即获得到对应区域固结沉降量；进而建立排土场堆存高度与固结沉降量的回归关系；根据回归关系反演得到排土场的固结沉降量分布；根据排土场总沉降分布和固结沉降量分布，得到排土场水土流失导致的地表剥蚀量分布。本申请中的方案将监测到的排土场沉降量细化为形变量和水土流失量，进而分别监测并掌握露天矿排土场的非均匀形变规律和水土流失发育规律，准确评估其环境影响程度、范围及其长期环境污染风险。
附图说明
25.下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
26.图1为本申请一个实施例所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法的流程图；
27.图2为本申请一个实施例所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法的平面示意图；
28.图3为本申请一个实施例所述的露天矿排土场形变和水土流失监测系统的结构框图；
29.图4为本申请另一个实施例所述的露天矿排土场形变和水土流失监测系统的结构框图。
具体实施方式
30.在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。另外，本申请以下实施例中提供的方案，在彼此不会冲突的情况下可以相互组合。
32.本申请一个实施例中提供一种露天矿排土场形变和水土流失监测方法，如图1所示，包括如下步骤：
33.s101：获取排土场多时相合成孔径雷达影像数据并据此得到监测数据，根据所述监测数据得到排土场总沉降分布。
34.s102：获取排土场高精度数字高程模型(digital elevation model,dem)，根据所述高精度数字高程模型将排土场按堆存高度分割为若干个区域。具体地，根据所述dem在gis软件中将排土场按堆存高度平均分割为若干个区域。在一些实施例中，相邻两个所述区域的堆存高度差小于2m，分割的区域数量不少于20个，所述区域包括20
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30个。
35.s103：根据所述排土场总沉降分布与区域分割结果，得到每个所述区域内的沉降分布；将每个所述区域内的最小沉降量确定为：对应排土场堆存高度下重力作用导致的累积固结沉降量(gravity
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induced accumulation consolidation settlement,gacs)。
36.s104：根据排土场堆存高度与固结沉降量之间的关系，得到排土场的总固结沉降量分布；根据所述排土场总沉降分布和所述总固结沉降量分布，得到排土场水土流失导致的地表剥蚀量分布。排土场堆存高度与固结沉降量之间具有回归关系，可通过spss等统计软件，确定排土场堆存高度与gacs之间回归关系，在本实施例中，排土场堆存高度与gacs常
呈线性回归关系。如图2所示，总沉降量＝gacs+sed。因此，排土场总沉降分布减去固结沉降量分布即可得到水土流失导致的地表剥蚀量分布。
37.如前所述，排土场区域内地表海拔的降低数值量为重力作用导致的累积固结沉降量gacs与水土流失导致的地表剥蚀量sed之和，而通过步骤s101中的遥感数据可以得到排土场区域内地面每个点的沉降总量(即步骤s101得到的是每个点的固结沉降量gacs与地表剥蚀量sed之和)，而如果要得到土壤侵蚀导致的剥蚀量分布sed，只要先得到固结沉降量gacs，再用步骤s101得到的沉降总量减去固结沉降量gacs就可以了。本申请实施例中，关键点就是得到固结沉降量gacs，固结沉降与堆存高度是有关系的，必然是高度越高，固结沉降量越大；同时，固结沉降是普遍存在的，也就是区域内每个点都或多或少受到重力作用而沉降了，但是土壤侵蚀却不一定是每个点都发送了，这个是基本前提，也是求出固结沉降的关键点。因此整个方法可以通过如下步骤实现：
38.将排土场区域按高度划分若干区域，然后统计每个区域内对应的总沉降，由于各个区域内不可能每个点都受到侵蚀，因此，每个区域内的总沉降量最小的值，就是该区域对应的侵蚀量为0的点，即是该区域对应的固结沉降量。之后求出每个区域(对应不同高度)所对应的固结沉降量gacs，进而可以建立每个区域的堆存高度与固结沉降量gacs之间的回归关系式，利用回归关系式和排土场数字高程模型数据(dem)，就可以得到每个区域的固结沉降量分布图，进而就得到了整个排土场区域的固结沉降量分布图。
39.由此，通过步骤s101得到了整个排土场区域的总沉降量分布图，也有了以上步骤得到的整个排土场区域的固结沉降量分布图，二者相减，就得到了土壤侵蚀所造成的表土剥蚀量分布图，进而很容易就能算出水土流失量、以及了解到哪一个或者哪些区域侵蚀严重。
40.本申请的以上方案，获取排土场多时相合成孔径雷达影像数据，得到监测数据，根据监测数据得到排土场总沉降分布；根据排土场高精度数字高程模型将排土场按堆存高度分割为若干区域；结合排土场总沉降分布与分割区域，统计出每个堆存高度所对应区域的沉降分布，取每个区域内最小值即获得到对应区域固结沉降量；进而建立排土场堆存高度与固结沉降量的回归关系；根据回归关系反演得到排土场的固结沉降量分布；根据排土场总沉降分布和固结沉降量分布，得到排土场水土流失导致的地表剥蚀量分布。本申请中的方案将监测到的排土场沉降量细化为形变量和水土流失量，进而分别监测并掌握露天矿排土场的非均匀形变规律和水土流失发育规律，准确评估其环境影响程度、范围及其长期环境污染风险。
41.在本申请一些实施例中，以上步骤s101中可以包括：对所述监测数据进行干涉处理，根据干涉处理结果得到变化检测结果图，进而得到所述排土场总沉降分布。具体包括：所述干涉处理至少包括轨道误差校正、配准、生成干涉图、滤波、多视图相位展开、地理编码和裁剪目标区域中的至少一种；根据干涉处理结果，得到变化检测结果图，获取排土场时序总沉降分布图；根据排土场时序总沉降分布图得到所述排土场总沉降分布。优选地，在本实施例中，采用所述高精度数字高程模型对所述多时相合成孔径雷达影像数据执行影像配准、轨道精炼和/或地理编码的处理等。通过本方案中的处理，能够使检测得到的gacs和sed结果更加准确。
42.在本申请一些实施例中提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机
指令，当计算机执行所述计算机指令时，用于执行如前所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法的所有步骤。存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据露天矿排土场形变和水土流失监测方法的使用所创建的数据等。此外，存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。
43.在一些实施例中还提供一种露天矿排土场形变和水土流失监测系统，如图3所示，包括至少一个处理器101；以及，与至少一个所述处理器101通信连接的存储器102；其中，所述存储器102存储有可被至少一个所述处理器101执行的指令，所述指令被至少一个所述处理器101执行，以使至少一个所述处理器101能够执行如前所述的露天矿排土场形变和水土流失监测方法的所有步骤。露天矿排土场形变和水土流失监测系统还可以包括：输入装置103和输出装置104。处理器101、存储器102、输入装置103及输出装置104可以通过总线或者其他方式连接。
44.存储器102作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的露天矿排土场形变和水土流失监测方法对应的程序指令/模块，例如，图1所示的方法流程。处理器101通过运行存储在存储器102中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的露天矿排土场形变和水土流失监测方法。
45.如图4所示，以上系统还可以包括干涉雷达105(insar)，所述干涉雷达105监测排土场多时相合成孔径雷达影像数据并将所述多时相合成孔径雷达影像数据发送至所述处理器101。还可以包括无人机106(unmanned aerial vehicle,uav)，所述无人机106对所述排土场进行航拍，对航拍结果进行三维重建(structure from motion，sfm)和多视图像技术(multi view stereo，mvs)得到排土场高精度数字高程模型并将所述排土场高精度数字高程模型发送至所述处理器101。
46.本实施例以上方案提供了一种基于insar和无人机技术的露天矿排土场形变和水土流失监测系统，通过sar图像处理得到排土场总沉降分布，同时获取dem并进行排土场区域分割，得到排土场相应堆存高度下重力作用导致的固结沉降量gacs；建立回归关系，得到整个排土场gacs分布图，最后用总沉降量与gacs做差，得到水土流失导致的地表剥蚀量sed的分布。利用以上方案可以将排土场gacs和sed分别从总形变量中区分出，进而分别监测并掌握露天矿排土场的非均匀形变规律和水土流失发育规律，从而实现科学评估其环境影响程度、范围及其长期环境污染风险，对及时采取预防和治理措施，优化排土工艺。
47.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。