GPS和GIS在金堆城露天矿边坡监测预警系统中的应用

李亚玲

(金堆城钼业股份有限公司，陕西华县714102)

0 引言

金堆城钼矿是一个露天开采且已经历了50余年开采的老矿山。随着国民经济需求的不断增长，矿山开采规模的不断扩大，其露天采场已经由最初的山坡露天矿转为深凹露天开采。目前，整个露天矿采场边坡高度已达100～200 m，北帮、东帮发生了不同程度的垮塌失稳现象。随着边坡监测高度的增加，监测范围的扩大及监测点数量的增多，边坡监测人员的作业环境越来越差，以往的监测方法已经很难满足对地质灾害及时准确的预警。全球定位系统(GPS)具有速度快、全天候、自动化、可同时测定点的三维坐标及精度高等优点，结合GIS技术和网络通信技术，实现对矿区地质灾害数据的全天候无人采集、自动快速传输、实时结算处理、监测信息可视化以及短信群发式预警，达到对边坡的全天候无人辅助的实时监测和预警。

1 系统总体设计

1.1 总体架构

系统采用硬、软件集成的方式来构建，在需要重点监测的典型区域(包括北帮、东帮、北沟、南帮、马路沟)分别布设了总计40个监测站点和3个基准点，这些监测点和基准点通过光纤将获取的信息传送回监控中心，通过架设在监控中心的软件平台进行数据处理、信息存储、数据分析。

1.2 技术路线

采用GPS监测站和参考站连续、实时地获取GPS观测数据，通过光纤传输将数据传到管理中心控制室，存储在 SQL Server数据库上，利用 ArcEngine开发平台进行二次开发，在 Visual Studio.net框架平台上进行集成，实现GPS监测数据的实时处理，矿区监测点变形量与变形趋势的统计分析，信息的图形显示、预警预报、打印输出等功能。

1.3 硬件功能设计

高精度GPS实时监测系统的硬件系统主要由两部分组成:

(1)数据采集和监测终端。包括GPS数据采集系统和数据传输系统。数据采集系统由GPS接收机、GPS天线和电源组成，在非变形区建设3个连续观测的GPS定位参考站，在变形区根据地质条件建立监测站;数据传输系统，采用光纤通讯技术将各监测点和参考站采集到的GPS原始观测数据实时传送到数据处理中心。

(2)监控中心。对发送回来的监测数据进行计算、分析、存储、显示、输出，根据计算结果实时监控变形区域，并对特殊情况进行及时报警和响应。

1.4 软件功能的设计

本监测系统的软件部分主要是以接收到的GPS观测数据为基础，经过计算、分析，做出显示和预测。因此从功能上将监测软件分为通信管理设置模块、数据处理模块、数据管理模块和可视化模块4个部分。

1.5 用户界面设计

本系统采用Windows的通用界面模式，利用下拉列表框供用户选择相关参数，减少用户输入参数的麻烦，使界面操作便捷，更加人性化。

2 系统功能模块的设计

2.1 信息管理

信息管理功能包括了对系统内的GPS监测点和滑坡体的相关信息的编辑(包括增加、删除、修改)，系统报警功能的相关人员设置，以及每天的天气状况设置。其中，对监测点和滑坡体的信息修改又包括了空间信息和属性信息两方面。天气设置中，可以对输入天气对话框的提示时间进行设置，也可以对历史时间进行查询和修改。

2.2 视图操作

视图操作包括了对系统的二维和三维地图进行操作，其中，二维地图包括对平面地图的放大、缩小、平移、全图、点选的操作;三维地图包括对遥感地图和渲染地图的浏览和飞行功能。

2.3 监测分析

主要是对矿区内布设的滑坡体和监测点进行监测，并对24小时的监测数据进行计算、处理和分析，提供对历史数据和实时数据的曲线图显示，直观地表明监测区域的位移情况。其中，对滑坡体的位移监测主要是对滑坡体内包含的所有监测点监测的综合。

2.4 位移报警

主要是在日常的监测中通过对实时监测数据计算后对比预设的报警阀值，对超出阀值的情况以短信、邮件和客户端界面通知的方式报备相关部门负责人，以便应急调度。

2.5 设备报警

通过监测设备传回来的数据时间，判断设备的运行状态，如果一定时间内没有数据进入数据库，就会自动生成设备报警信息对指定用户进行发送。

2.6 预测评价

包括点位移预测和滑坡体稳定性评价。点位移预测是根据选定最近的一个周期内的数据，通过灰度模型对下一时刻监测的的位移状况进行预测。滑坡体稳定性评价是根据当前选定的滑坡体中所有监测点的最近一个周期的数据，结合天气状况，自动选择不同的凝聚力参数和内摩擦角参数对当前滑坡体的稳定性进行评价。

2.7 监测报告

监测报告是整合监测数据图表形成word格式的报告文档，提供对历史和实时数据的报告查看。

3 系统应用

图1 报警监测点的地图定位

在此点上点击鼠标右键，弹出监测信息选项单:图选“实时信息”，可以自动切换到实时曲线的界面，选择“历史曲线”会切换到历史曲线的界面，如图2为报警监测点2013年7～8月份的历史曲线图。

如果BB02频繁发生报警，可以根据不同点的特殊情况来设置不同的阀值，选择“位移报警”中的“位移报警等级”进行X、Y、Z阀值修改。同时，监测人员可以通过菜单“位移报警”中的“报警方式”选择所需要的报警方式。

图2 监测点的历史曲线图

系统的预测和评价功能，可以根据前期数据对未来监测点的位移方向进行预测，也可以对滑坡体的稳定性进行评价。通过菜单“预测评价”中“点位移预测”，选择BB02监测点，根据历史曲线，预测BB02下一时段的偏移方向。如下图3所示。

图3 监测点预测曲线图

监测报告的生成，服务器会在每个月的月初对上个月的监测数据做出报告，用户可以通过界面查看。同时，用户也可以自定义报告，进行相关内容的查看，包括报警统计信息、历史曲线信息、位移预警信息、滑坡体稳定性评价信息等。

4 结论

目前，随着GPS测量技术的不断完善和测量精度的不断提高，以及GPS不受气候及昼夜影响的优势，GPS在变形监测中得到越来越广泛的应用。经过一年多的研发，在金堆城露天矿建成了5个滑坡体、40个GPS监测点，3个GPS基准站的位移监测系统。通过近半年时间的实际应用，该软件平台具有实时性、准确性、易操作性。为露天矿的边坡监测提供了可视化支持，并能实时对潜在的变形风险进行预报，为金堆城露天矿的边坡变形的研究和治理提供辅助化决策支持。

［1］薛永安.GPS变形监测数据处理方法研究与软件研究［D］.太原理工大学，2006.

［2］俞得响 邹双朝.GPS技术在滑坡变形监测中的应用［J］.地理空间信息，2009，(1):55-58.

［3］吴建华.，基于 ArcGIS Engine的 GIS软件开发方法［J］.测绘通报，2010，(11):54-57.