露天煤礦生態監測方法及智能化解決方案

吳君飛，盛世博

（1.內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司，內蒙古 赤峰 024000；2.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

目前大多數露天礦山進行了大規模的礦山生態修復工作，部分礦山每年投入資金上億元，如何保障生態修復成果，抵御生態風險成為一項重要的研究課題，而生態監測是該問題的重要解決手段。我國礦山生態修復目前已經進入了以降碳為重點的發展方向，生態系統的有效管護更能幫助煤礦高效的提升環保軟實力，因此目前在環保領域的智能化監管技術也得到了廣大學者的研究[1-2]。對于露天煤礦來說，生態的修復效果與環保的保護效果同樣重要，因此在當下的生態文明背景下更需要重視生態的監測，通過對露天煤礦生態監測指標，提出建立智能化生態數據管理平臺，基于平臺數據匯總，構建核心算法，最終形成智能化生態養護平臺[3-4]。

1 露天煤礦生態監測指標及方法

露天煤礦基于自身占地范圍較大、排土場分布較分散的特點，生態監測指標應包含土壤參數、氣象參數、水文參數以及植被參數，土壤參數、氣象參數、水文參數均對植物的長勢存在直接或間接影響，因此礦山生態監測的核心是維護植物健康生長，指標的選取應圍繞對植物具有顯著影響的重要指標。

1.1 土壤參數

土壤參數是指對于礦區生態修復存在正向（或負向）影響的一些指標，其中部分土壤指標適宜進行長期動態監測，部分指標適宜進行定期采樣監測。土壤參數適宜進行動態監測的主要包括土壤墑情、土壤鹽分、土壤溫度、土壤養分，適宜定期監測的指標包括土壤密度、土壤持水能力、土壤機械組成、土壤團聚體、土壤重金屬組成等指標。

土壤墑情、土壤鹽分、土壤溫度屬于土壤常規的3 參數，可以通過布設土壤3 參數傳感器進行實時監測，同時也可以采用便攜式土壤3 參數測試儀進行人工定期監測，相對檢測手段成熟。土壤養分的監測較復雜，盡管可以采用傳感器進行動態監測，由于速效態的養分監測傳感器受外界影響較大，可以定期委托具備測試能力的單位對測試結果進行校準[5]。

土壤密度和土壤田間持水量主要基于環刀法，目前市面上存在相關的便攜式土壤密度測定儀，但測定原理也同樣基于環刀法的測定原理，適用性較低。土壤機械組成主要采用比重法測定，土壤團聚體組成主要采用干篩和濕篩相結合的方式測定，土壤重金屬速測可以采用手持XRF 進行測定，但是需要進行儀器校準并且檢出限較低，屬于定性半定量的檢測方法，精準測定需要利用原子吸收、元素分析儀等儀器進行測定，以上因素最終實現智能化監測的可能性不大，只能定期進行巡查。

1.2 氣象參數與水文參數

氣象參數是最容易實現智能化測定的，目前小型氣象站技術較為成熟，一般小型氣象站都可以開通多通道同時測定多項指標，主要測定指標包括溫度、氣壓、濕度、風向、風速、降雨量、降雨強度等。根據生態監測的目的性可以增加其他指標的監測，例如關注水土保持方面可以調整氣象站的數據讀取頻率，計算I10、I60等降雨強度指標，同時可以構建雨滴譜計算降雨動能，預測礦山水土流失量，或采用多普勒雷達與地面雨量站相結合的方式對地面降水進行估測和預判[6]。

水文參數主要包括地表水分布、面積、水質和地下水水位、水質等，該項參數是環境行業和國土行業要求必須進行監測的指標，以上指標需要專業機構定期進行監測，智能化監測設備也有，但是結果精度一般較差，難以取得信任。

1.3 植被參數

植被參數主要包括植被種類、分布、面積和植被成活率、覆蓋度、多樣性和病蟲害等指標。一般來說植被的監測需要采用宏觀和微觀相結合的方式進行監測，宏觀監測主要利用無人機多光譜進行植被蓋度、病蟲害、植被恢復面積等進行監測[7]。而植物成活率、植物多樣性和植物種類便需要人工進行樣方法監測。露天煤礦一般占地面積較大，排土場分散，因此數據量較大，難以整理和分析，這樣的問題在植物監測方面存在較大影響，應該加強突破。

2 露天煤礦智能化生態數據管理平臺

露天煤礦智能化生態數據管理平臺的總體架構一般包括數據采集、數據存儲、數據分析和決策支持4 個模塊。其中，數據采集模塊負責采集土壤參數、氣象參數與水文參數以及植被參數。數據存儲模塊負責對采集到的數據進行存儲和管理。數據分析模塊負責對存儲在系統中的數據進行分析和處理，提取有用的信息。決策支持模塊負責根據數據分析的結果，提供決策支持和資源調配建議。生態數據管理平臺主要用于整理生態修復過程中工作底圖數據、調查數據、監測數據、評估數據、測試數據、過程分析數據、照片、音頻及視頻等資料。對各階段生態修復工作產生的各類數據應及時分類整理、編目、存檔，進行電子化存儲。

1）數據采集模塊。數據采集模塊采用多種傳感器和監測設備，如氣象站、水文站、土壤傳感器等，實現對生態環境的實時監測。采集到的數據通過無線傳感器網絡或者衛星通信傳輸到數據存儲模塊中。通過設定采集的頻次、頻率、臨界值等為指標選取及計算提供豐富合理的數據源。除了固定端自動采集也可以增加移動終端和固定端相結合的方式進行數據采集。移動端主要為檢測人員的手持設備或者無人機航測數據，對于監測信息進行及時錄入，不斷更新上傳。數據采集可以通過無線傳感器網絡和衛星通信實現。具體來說，可以使用Zigbee、LoRa、NBIoT 等無線通信技術，實現數據的實時采集和傳輸。同時，可以使用衛星通信技術，實現對偏遠地區的數據采集和傳輸。

2）數據存儲模塊。數據存儲模塊采用云存儲技術，對采集到的數據進行存儲和管理。同時，該模塊還負責對數據進行清洗、去重、分類和格式化處理，以便后續的數據分析工作。云端數據存儲通常采用多重備份技術，確保數據不會因為硬件故障、電力故障等原因而丟失。云端數據存儲采用了許多安全措施，如數據加密、身份認證、訪問控制等，確保用戶數據安全[8]。云端數據存儲可以隨時擴展數據存儲容量，礦山可以隨時根據需要調整存儲空間。

3）數據分析模塊。數據分析模塊采用機器學習、數據挖掘等技術，通過編程和內置算法對存儲在系統中的數據進行清洗、處理和預處理，確保數據的準確性、一致性和完整性。例如，可以通過時間序列分析、空間插值等方法，對氣象、水文等數據進行插值和預測，以便更好地了解生態修復的效果和趨勢。同時，該模塊還可以實現數據可視化，通過提前內置圖表、地圖等展示模板，以可視化的方式展示數據分析結果，直觀觀察數據趨勢。

4）決策支持模塊。決策支持模塊根據數據分析的結果，提供決策支持和資源調配建議[9]。例如，可以根據氣象、水文等數據，制定生態養護計劃和調度方案，或者提供決策支持和資源調配建議。利用病蟲害等監測結果，對目前礦山排土場的病蟲害情況進行提前預警，并給出解決方案。

3 露天煤礦智能化生態養護平臺

露天煤礦智能化生態養護平臺是將智能化技術應用于煤礦生態養護保護中的一種解決方案。養護平臺可以將無人機、遙感技術、圖像識別、大數據分析等技術應用于煤礦生態環境監測、生態修復和生態保護等領域，從而實現對煤礦生態環境的全面監測、評估、修復和保護。智能化生態養護是在智能化生態數據管理平臺基礎上增加了邏輯判斷的功能，從宏觀角度來看，智能化養護平臺的主要功能包括煤礦環境監測、煤礦生態修復、煤礦生態管理、煤礦安全監測等。通過無人機和遙感技術，可以對煤礦的生態環境進行高效、全面、準確的監測和評估；通過圖像識別技術，可以對煤礦環境中的植被、水體、土地等進行識別和分類；通過大數據分析技術，可以對煤礦生態環境的變化趨勢、影響因素等進行分析和預測。從微觀角度來看，養護平臺包括智能噴淋系統、智能監測系統及數據管理分析系統等組成，實現全自動土壤與植被監測及病蟲害監測、墑情及病蟲害自動預警、水肥藥管理遠程操控及智能化數據管理，通過開發控制平臺可以遠程對土壤墑情、土壤肥力、氣象數據、植物長勢、病蟲害情況等進行監控及控制。通過不斷收集礦山生態信息建立基本的邏輯判斷體系，實現數據關聯分析及基礎預測，從而智能化的指導露天煤礦生態養護。

智能化生態養護平臺的發展首先應需要對于礦山至少3～5 年的基礎數據收集，建立可靠的數據支撐，通過不斷的數據磨合確定最優的參數算法，從而建立完善的智能決策體系。智能化生態養護平臺應當以節約礦山生態養護成本為首要任務，合理化的確定水肥藥供給量，防止過度施用產生的浪費。

4 結語

露天煤礦智能化生態監測應以人工監測為基礎，建立露天煤礦智能化生態數據管理平臺，在數據積累的前提下，確定各項生態要素的閾值和適宜范圍，秉持著“1 礦1 策”的基本原則，逐漸形成適用于露天礦山的智能化生態養護平臺，應建立健全的集中控制、移動終端、移動數據收集端和生態監測邏輯體系，增加數據收集的簡易型、數據管理的便捷性和邏輯分析的準確性。