一种露天煤矿越界开采监测方法及系统与流程

本发明涉及煤矿越界监测，特别是一种露天煤矿越界开采监测方法及系统。

背景技术：

1、矿产资源是人类赖以生存和发展不可缺少的物质基础，矿产资源作为国民经济建设的重要资源，长期以来被不断开发利用，带动了经济的发展。随着经济社会发展对矿产资源需求量的日益增加，矿产品销售价格上涨和矿山企业采掘活动不断深入，过度开采、滥挖滥采、越界开采矿产资源的行为时有发生，在破坏矿产资源的同时给自然资源、人文环境等造成损害，不但扰乱了矿产资源开发秩序，还产生了重大安全隐患和资源纠纷。高效快速评估露天矿山越界开采对开展矿产卫片执法检查和推进严格保护矿产资源策略、推动区域高质量发展具有重要意义。

2、传统技术主要是利用卫星遥感技术、gps-rtk技术、全站仪放样等技术对任务区越界开采区域范围的位置及面积等信息进行比对，首先是卫星遥感技术，虽然一定程度提高了监测效率，但是卫星遥感图像通常会受到云层等天气原因等影响，且精度通常达不到要求精度；gps-rtk技术、全站仪放样等技术精度可以达到要求，但是耗时耗力，通常需要三五个人进行配合，且需要大量时间进行观测。

技术实现思路

1、鉴于现有的露天煤矿越界开采监测方法存在的问题，提出了本发明。因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种露天煤矿越界开采监测方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种露天煤矿越界开采监测方法，其包括，采集不同波段的影像数据并进行处理生成正射影像，使用激光雷达传感器测量地形高程数据构建三维数字高程模型；基于影像数据和地形高程数据，建立矿山三维数字表面模型，识别越界开采行为，定量评估越界开采的资源量和面积，分析矿山发展变化和违法开采行为的演变趋势；利用机器学习和图像识别算法，识别和标记可能存在的违法开采区域和越界行为，生成监测报告，将采集的监测数据和分析结果整合到地理信息系统平台；定期进行监测和更新，跟踪矿山开采活动和违法行为变化，调整监测策略和技术手段，优化监测流程和数据处理。

4、作为本发明所述露天煤矿越界开采监测方法的一种优选方案，其中：所述处理包括校正、增强和拼接，所述校正包括校正因摄影条件或地形造成的影像畸变，使得图像具有统一的几何投影和尺度，根据摄影参数和地形信息，对影像进行几何校正，对影像进行地形校正，根据影像特征，进行长、短轴的校正，保持影像的几何形状；所述增强包括增强影像的对比度、清晰度和色彩，提高图像的视觉效果和信息提取能力。

5、作为本发明所述露天煤矿越界开采监测方法的一种优选方案，其中：所述拼接包括将采集的多个影像数据拼接成连续的大范围影像，利用特征点检测算法在不同影像间找到对应的特征点，对图像进行不同尺度和方向的高斯滤波，计算高斯差分金字塔，寻找图像中的局部极值点；找到具有极值的像素点，对潜在的特征点进行局部极值检测，剔除低对比度的点和边缘点；对每个特征点周围的局部图像区域计算特征描述符，描述特征点的局部纹理特征和梯度方向；将特征描述符转换为特征向量，去除错误匹配点；从所有的匹配点中随机选择一组样本，利用选取的样本点，构建拟合模型h，相关计算公式如下：

6、

7、式中，(xi,yi)为样本点坐标；求解拟合模型，构建矩阵a和向量b，矩阵a由匹配点构成的方程组，每个匹配点提供两个方程，对于每一对匹配点(xi,yi)和(x'i,y'i)，构建方程，向量b由(x'i,y'i)组成的，即匹配点的目标位置；对矩阵a进行奇异值分解，相关表达式如下：

8、a＝udiag(a1，a2,...,an)vt

9、其中，u和v是正交矩阵，diag(a1，a2,...,an)是对角矩阵，其对角线上的元素是a的奇异值；求解伪逆a+，计算对角矩阵的伪逆diag(a1，a2,...,an)+，将非零奇异值取倒数后转置得到的对角矩阵，计算矩阵a的伪逆，相关计算公式如下：

10、a+＝vdiag(a1，a2,...,an)+ut

11、求解单应性矩阵h，将向量b变换到相同的向量空间，相关表达式如下：

12、b'＝ub

13、计算单应性矩阵，相关计算公式如下：

14、h＝a+b'

15、评估模型，对于剩余的点，通过模型计算其对应点的预测位置，并计算实际位置与预测位置之间的误差，相关计算公式如下：

16、

17、(x'i,y'i)＝h·(xi,yi,1)t

18、式中，di为重投影误差，(x'i,y'i)为预测位置坐标；若选取的样本点重投影误差di小于限制阈值τ时，则将样本点判定为内点，属于模型的点；若选取的样本点重投影误差di在限制阈值τ以上时，则将样本点判定为非内点，不属于模型的点；设定迭代次数n和内点阈值τ，在每次迭代中随机选择一个样本集，在样本集上拟合模型，并计算内点数，重复迭代直至达到设定的迭代次数，最终选择具有最多内点的模型作为最终模型；利用最终模型，将所有内点重新提取出来，去除错误匹配点，作为最终的匹配结果；将不同影像进行配准和校正，利用图像叠加或混合技术，将配准后的影像进行拼接，进行图像融合。

19、作为本发明所述露天煤矿越界开采监测方法的一种优选方案，其中：所述构建三维数字高程模型包括以下步骤，获取测量仪器收集的地形数据，包含地表高程信息和空间位置信息；使用滤波算法去除数据中的噪声，对于缺失的数据点，使用插值方法填补缺失值，通过异常值检测算法识别和去除地形数据中的离群点；使用反距离加权插值方法对地形数据进行插值，生成连续的地形表面，形成三维数字高程模型；确定插值点和邻近点，对于插值点确定其周围的邻近点，选择离插值点较近的若干个数据点作为邻近点；对于每个插值点，计算与邻近点之间的距离，并将距离的倒数作为权重，权重计算公式如下：

20、

21、其中，wi是邻近点i的权重，di是插值点到邻近点i的距离，p是权重的幂指数；根据权重和邻近点的值，计算插值点的值，使用邻近点的值乘以对应的权重，并将所有加权值相加作为插值点的值，计算公式如下：

22、

23、其中，zint是插值点的估计值，zi是邻近点i的地形高程值，n是邻近点的数量；根据地形高程数据将地形划分为不同的地形类型，计算每个栅格点的梯度和方向，推导出地表的坡度和坡向信息，计算地表特征，分析地形的起伏和地貌特征；根据地形高程数据识别矿山区域，检测出地表的开采和改变特征，基于矿山区域的地形高程数据，结合采矿规模和开采深度，采用体积计算方法估算矿山的开采量。

24、作为本发明所述露天煤矿越界开采监测方法的一种优选方案，其中：所述建立矿山三维数字表面模型包括以下步骤，

25、获取影像数据和地形高程数据，对影像数据和地形数据进行配准，确保在相同的坐标系下；

26、对数据进行噪声去除和缺失值填补，使用数字表面模型将地形高程数据与影像数据融合，形成具有高程信息的地表模型；

27、将影像贴合在地表模型上，添加纹理和色彩信息，使用专业的三维建模软件或地理信息系统软件进行模型建立；基于融合后的地形和影像数据，逐步添加地形特征、矿山开采区域、矿坑、矿堆、设施建筑要素，构建矿山的三维数字表面模型，采用自动提取方法快速生成模型。

28、作为本发明所述露天煤矿越界开采监测方法的一种优选方案，其中：所述定量评估越界开采的资源量和面积包括，对模型进行细节加工，包括调整地形细节、添加矿山设施的细节、调整纹理贴图；输出建立好的矿山三维数字表面模型，以标准的三维模型文件格式保存；对模型进行进一步分析，包括地形特征分析和矿山开采情况分析，进行资源量评估，对于越界开采区域的体积估算，结合三维数字表面模型，假设越界区域的边界由多边形表示，其边界曲线使用参数方程表示，即

29、x(u)＝x0(u)+r·cosθ

30、y(u)＝y0(u)+r·sinθ

31、

32、其中，x(u)和y(u)分别是越界开采边界曲线上每个点的横纵坐标；x0(u)和y0(u)是参数u对应的基准点的横纵坐标；r是参数u对应的半径；θ是参数u对应的角度；h(u)是越界开采边界曲线上每个点的高程；h0(u)是参数u对应的基准点的高程；z是相对于基准点的高程变化；u是参数；计算开采量体积v1，相关计算公式如下：

33、

34、其中，u1和u2是参数的取值范围；根据矿石密度，利用体积计算得到的越界区域体积，估算越界开采的资源量；对于越界区域与正常开采区域的重叠部分，利用几何形状的面积计算方法，将重叠区域划分为多个小区域，分别计算每个小区域的面积并求和。

35、作为本发明所述露天煤矿越界开采监测方法的一种优选方案，其中：所述调整监测策略和技术手段包括以下步骤，根据矿山开采活动的特点和监测需求，确定监测周期，根据监测周期和监测目标，制定监测计划；确定监测团队成员，并分配具体的监测任务和责任，准备监测设备和工具；按照监测计划和任务安排，到达监测地点进行现场数据采集，将采集到的数据进行处理和分析；对处理和分析后的监测结果进行评估和分析，识别矿山开采活动和违法行为的变化趋势和规律；根据分析结果编制监测报告，包括监测过程、数据分析、发现问题和建议改进，并形成正式报告；根据监测报告的反馈和建议，对监测策略和技术手段进行调整和优化，更新监测计划和流程。

36、第二方面，本发明提供了一种露天煤矿越界开采监测系统，其包括：采集模块，用于采集不同波段的影像数据并进行处理生成正射影像，使用激光雷达传感器测量地形高程数据构建三维数字高程模型；构建模块，用于基于影像数据和地形高程数据，建立矿山三维数字表面模型，识别越界开采行为，定量评估越界开采的资源量和面积，分析矿山发展变化和违法开采行为的演变趋势；识别模块，用于利用机器学习和图像识别算法，识别和标记可能存在的违法开采区域和越界行为，生成监测报告，将采集的监测数据和分析结果整合到地理信息系统平台；调整模块，用于定期进行监测和更新，跟踪矿山开采活动和违法行为变化，调整监测策略和技术手段，优化监测流程和数据处理。

37、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现露天煤矿越界开采监测方法的步骤。

38、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现露天煤矿越界开采监测方法的步骤。

39、本发明有益效果为通过定期监测和更新，可以及时捕捉到矿山开采活动和违法行为的变化趋势，为相关部门提供重要数据支持。不断调整监测策略和采用先进的监测技术手段，提高监测效率和监测数据的准确性，使监测工作更加科学和可靠。通过定期监测和分析，使监管部门对矿山开采活动和违法行为的情况有更清晰的了解，可以采取针对性的监管措施，有效遏制违法行为。及时制定保护措施和合理利用政策，保护生态环境，实现资源的可持续利用。增加社会公众对矿山开采活动和违法行为的了解和关注，提高社会监督力度，促进公众参与和监管的有效性。