权利要求
1.一种用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，包括如下模块：
空层监测模块，包括固定式 360°形变监测雷达，用于实现全矿区地表形变的实时监测;
天层巡检模块，包括无人机巡检系统，用于获取矿区的影像数据，以对矿区进行可视化巡检与隐患识别;
地层感知模块，包括地表传感器，用于采集矿区环境与地质参数;
AI 预警中枢，分别与所述空层监测模块、所述天层巡检模块和所述地层感知模块通信连接，以接收并融合包括雷达形变数据、无人机影像数据和地表环境数据的多源数据，并进行数据分析和预警生成。
2.根据权利要求1所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述AI 预警中枢基于预设预警阈值生成分级预警，并自动生成监测报告。
3.根据权利要求2所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述AI 预警中枢基于季节与区域，自动进行预警阈值动态调整。
4.根据权利要求3所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述AI 预警中枢基于多源数据识别形变热点后，自动生成热点分布图，并且针对热点区域，空层监测模块自动调整雷达扫描周期，天层巡检模块自动调整无人机巡检频率，地层监测模块增设地表传感器。
5.根据权利要求4所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述AI 预警中枢通过对雷达形变数据、无人机影像数据和地表环境数据进行交叉验证，降低预警误报率。
6.根据权利要求5所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述无人机巡检系统配置有16倍混合光学变焦和4K摄像设备，并支持自动化航线规划和断点续飞，在空层监测模块触发预警或发现热点时，自动调整巡检计划。
7.根据权利要求6所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述地表传感器包括地下水监测井、气象站和土壤传感器，当所述地层感知模块监测到异常时，自动触发异常预警。
8.根据权利要求1-7所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述平台还包括设备状态监控模块，用于实时监测雷达、无人机系统和地表传感器的运行状态，并支持远程控制与故障预警。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述平台还包括数据共享模块，所述数据共享模块开放 API 接口以与相应监管平台对接，并且支持设定不同数据共享频率。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的用于矿山的空天地一体化监测平台，其特征在于，所述平台还包括用户权限管理模块，采用基于角色的访问控制RBAC模型，以实现精细化权限管理。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及地质数据监测技术领域，尤其涉及一种用于矿山的空天地一体化监测平台。
背景技术
[0002]煤炭开采造成的地表沉陷属于典型地质灾害之一，往往导致矿区及一定范围内的地表产生不同程度的地面沉降，对地面房屋设施、道路、农田水利基础设施等建 (构) 筑物造成不同程度的损毁，对生态环境造成一定的破坏，因此对开采引起的地面沉降和生态修复进行持续监测具有重要意义。
[0003]以往的矿区地表沉降监测多采用布设岩移观测站的方式，利用水准测量、GNSS测量等传统方法进行监测，此类方法监测精度可观， 但作业成本较高，获取的监测数据量有限，不能完全反映矿区地面沉降特征，难以实现大范围的地表沉降监测。
发明内容
[0004]针对上述技术问题，本发明提出一种空天地 AI 监测管理平台，其集成了多种先进技术，构建了全方位、立体化的监测体系。平台通过 InSAR 技术，利用微波遥感主动测量，能获取大范围、高精度的空间延续性地表形变信息，实现对矿区地面沉降等地质变化的精准监测。搭配智慧无人机，可自动巡航至隐患区域进行录像、拍摄，及时掌握地裂缝、新增建筑物等情况。传感器技术则实现了大范围、高精度、全天候监测，支持远程动态检测。各技术协同工作，为矿山企业提供全面、实时的监测数据，帮助企业及时发现安全隐患，制定科学治理方案。
[0005]为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种用于矿山的空天地一体化监测平台，其包括如下模块：空层监测模块，包括固定式 360°形变监测雷达，用于实现全矿区地表形变的实时监测;天层巡检模块，包括无人机巡检系统，用于获取矿区的影像数据，以对矿区进行可视化巡检与隐患识别;地层感知模块，包括地表传感器，用于采集矿区环境与地质参数;AI 预警中枢，分别与所述空层监测模块、所述天层巡检模块和所述地层感知模块通信连接，以接收并融合包括雷达形变数据、无人机影像数据和地表环境数据的多源数据，并进行数据分析和预警生成。
[0006]进一步地，所述AI 预警中枢基于预设预警阈值生成分级预警，并自动生成监测报告。
[0007]进一步地，所述AI 预警中枢基于季节与区域，自动进行预警阈值动态调整。
[0008]进一步地，所述AI 预警中枢基于多源数据识别形变热点后，自动生成热点分布图，并且针对热点区域，空层监测模块自动调整雷达扫描周期，天层巡检模块自动调整无人机巡检频率，地层监测模块增设地表传感器。
[0009]进一步地，所述AI 预警中枢通过对雷达形变数据、无人机影像数据和地表环境数据进行交叉验证，降低预警误报率。
[0010]进一步地，所述无人机巡检系统配置有16倍混合光学变焦和4K摄像设备，并支持自动化航线规划和断点续飞，在空层监测模块触发预警或发现热点时，自动调整巡检计划。
[0011]进一步地，所述地表传感器包括地下水监测井、气象站和土壤传感器，当所述地层感知模块监测到异常时，自动触发异常预警。
[0012]进一步地，所述平台还包括设备状态监控模块，用于实时监测雷达、无人机系统和地表传感器的运行状态，并支持远程控制与故障预警。
[0013]进一步地，所述平台还包括数据共享模块，所述数据共享模块开放 API 接口以与相应监管平台对接，并且支持设定不同数据共享频率。
[0014]进一步地，所述平台还包括用户权限管理模块，采用基于角色的访问控制RBAC模型，以实现精细化权限管理。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0016]图1是本发明的用于矿山的空天地一体化监测平台的框架示意图;
[0017]图2是本发明的平台生成的全矿区沉降热力图。
具体实施方式
[0018]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]如在背景技术部分中提到的，准确地监测矿区地面沉陷及其发展过程是煤矿区面临的重要任务。近年来，迅速发展起来的合成孔径雷达差分干涉测量InSAR技术可以高精度监测地表的微小地形变化，是水准测量和GPS 测量的有效补充。将其应用到矿山开采沉陷监测当中，可以对地下煤炭开采引起的地表变形进行自动化、全天候、连续空间覆盖的监测。由此可见，应用InSAR技术进行矿区地表形变监测将是今后矿区地表形变监测发展的趋势。
[0020]通过本平台获得地面沉降数据后，无人机可自动巡航至隐患坐标区域，并进行录像、拍摄任务。并在任务结束后自动降落至指定位置。可以有效的获取矿区地裂缝情况，周边村庄新增建筑物等。作业半径可达 7 公里 ，具备 IP55 防护等级，可在 -35℃~50℃环境温度范围工作，适应各类恶劣环境。
[0021]本发明通过高效整合雷达、无人机、地表传感器等多种数据源，成功构建了一个全方位的智能监测平台，以实现低空巡检与地质环境监测。该监测平台包括：空层：固定式360°形变监测雷达;天层：无人机巡检系统;地层：地表传感器 + AI 预警中枢。
[0022]1.平台整体运行情况
[0023]在具体实施例中，本发明设置 3 台固定式 360°形变监测雷达，分别部署于矿区东、西、南关键区域，实现 360°无死角监测。该雷达基于弧形合成孔径雷达体制与相位差分干涉测量技术，具备亚毫米级精度。
[0024]主要运行参数包括：
[0025] 监测精度：0.08mm(优于≤0.1mm 设备标准);
[0026]扫描周期：1min(兼顾精度与数据更新频率);
[0027] 监测范围：单台 360°×35°(超出≥360°×30°设备要求);
[0028] 最远距离：有效监测 5000m(满足全矿区需求);
[0029] 设备状态：内置 4G 无线通信功能;
[0030]环境适应性：能在-45℃至+55℃的工作温度范围内及IP65防护等级下稳定运行。
[0031]无人机巡检系统采用了自动化航线规划技术(作业半径达7km)，能在-35℃至50℃的环境中稳定运行，并具备断点续飞的能力。
[0032]主要运行指标包括：
[0033]影像质量：配备16倍混合光学变焦和4K摄像设备。
[0034]机巢状态：实现自动降落、数据回传，IP55 防护等级，适配复杂环境;
[0035]故障情况为零：电池平均续航时间达到5.2小时。
[0036]预警软件系统采用 B/S 架构，支持多用户同时访问，部署于实体服务器(含云服务器备份)。
[0037]主要运行情况：
[0038] 数据处理能力：日均处理 50GB 监测数据，无积压;
[0039]预警功能：实现分级，声光报警与短信通知响应迅速。
[0040] 数据融合：实现无人机建模、CAD 三维建模、激光点阵建模与雷达数据融合;
[0041]报表生成：系统支持Word格式报表的自动生成功能。
[0042]数据接口：向矿方开放免费接口，方便二次开发。
[0043]地表部署 16 口地下水监测井、2 套气象站、48 个土壤传感器，与 “空天” 数据深度联动：
[0044]数据支撑：气象站实时降雨量、土壤含水率数据，这些数据为雷达形变分析和无人机重点巡检提供了有力依据，特别是在暴雨天气下，AI系统能够智能指令无人机优先巡检边坡区域。
[0045] AI 中枢整合：地表数据与空天数据统一接入 AI 预警系统，自动生成《每日监测报告》。
[0046]无人值守：传感器异常(如水位突升)自动触发预警，减少专职监测员工作量。
[0047]2.地表形变监测：
[0048](1)全域形变特征 —— 空天地数据交叉验证
[0049]在整个月份，全矿区地表形变整体稳定，大部分区域形变速率 0 - 0.3mm / 天(属正常开采沉陷范围)。通过雷达扫描与无人机航拍数据融合，平台生成全矿区沉降热力图，如图2 所示，核心数据如下：
[0050]全月平均沉降速率降至0.15mm /天(相比上月0.17mm /天，显示出稳定性有所提升);
[0051]沉降极值出现在西部采空区附近，最大月沉降量达8.2mm;而东部未开采区月沉降量为0.3mm。
[0052]时间分布：上旬沉降速率为0.14mm / 天，中旬受暴雨影响升至0.17mm / 天，下旬天气转晴后降至0.14mm / 天，表明气象因素对沉降速率的影响可控。
[0053]分析结论：暴雨导致中旬平均沉降速率升至 0.17mm / 天(较上旬增 21%)，下旬“空天地” 数据同步显示速率回落至 0.14mm / 天，验证气象影响可逆。
[0054](2)重点区域分析
[0055](a)东边坡(高风险区)
[0056]协同监测数据：
[0057] 空层：在暴雨的猛烈冲击下，水平位移速率急剧上升，由日常的0.21mm / 天跃升至0.5mm / 天，这一数值已远超二级预警阈值;
[0058] 天层：无人机 1 小时内赴现场，拍摄到边坡中下部 2 条长 10 - 15m 微裂隙;
[0059]地层：边坡底部的传感器数据显示，土壤含水率已高达38%，达到饱和状态，由此确认雨水的大量入渗是导致边坡强度下降的直接原因。
[0060]协同处置与成效：AI 中枢推送 “截排水 + 坡脚压重” 建议，处置后 3 天内，“空天地” 数据同步显示形变速率回落至 0.18mm / 天(原人工监测需 3 人 / 天，现仅 1 人复核)。
[0061]补充分析：东边坡本月平均水平位移速率 0.21mm / 天、垂直沉降速率 0.18mm /天(整体稳定)，但暴雨期间短时形变加速(最大水平位移 0.5mm / 天、垂直沉降 0.4mm /天)。雷达监测显示形变集中于边坡中下部(与雨水入渗相关)，平台及时发出三级预警，矿方临时封闭区域并排水，后续形变速率恢复正常。长期数据表明，该区域形变呈季节性(雨季速率高于旱季)，未来需加强雨季监测频率、优化预警阈值。
[0063]协同监测数据：
[0064]空层：沉降速率 0.12mm / 天、水平位移 0.08mm / 天;
[0065]天层：无人机航拍显示坝面无裂缝、排水渠通畅;
[0066]地层：传感器显示当前浸润线埋深为2.8米，略低于设计限值3.5米，表明尾矿库的水位处于稳定状态。
[0067]协同结论：尾矿库整体稳定，无需人工坝体钻孔检测(原每季度 1 次，现基于三位一体数据延长至每半年 1 次)。
[0068]补充分析指出，本月尾矿库的平均沉降速率为0.12毫米/天，水平位移为0.08毫米/天，均处于稳定状态。雷达监测系统未检测到坝体存在异常形变，浸润线、位移等关键安全指标也均保持在安全范围内。无人机巡检显示周边排水系统正常(无积水)，与历史数据对比无趋势性变化，未来 1 个月重大形变风险低。
[0069](3)高风险区管理
[0070]基于“空天地” 数据识别 10 处形变热点，核心热点 P1月沉降 8.2mm，协同管控措施如下：
[0071]空层监测：将雷达扫描周期由1分钟缩短至0.5分钟，以更密集的频次持续追踪沉降动态;
[0072]天层巡检：无人机执行每周两次的专项飞行任务，拍摄高清影像资料，详细记录裂缝的细微变化;
[0073]地层监控：新增设两个土壤含水率传感器，实现对雨水入渗影响的即时监测与数据分析;
[0074]AI建议：将采空区充填密度从 1 个 / 1000m² 增至 1.5 个 / 1000m²，AI 基于空天地数据自动生成热点图(原人工圈定需 1 天，现无需人工勘察)。
[0075]热点区域 TOP3 详情：
[0076]西部采空区中心区域：月沉降 8.2mm，速率 0.55mm / 天(老采空区，受周边开采影响);
[0077]东边坡中下部区域：月沉降 6.5mm，速率 0.43mm / 天(暴雨导致局部岩土体强度降低);
[0078]西南部采空区边缘区域：月沉降 5.8mm，速率 0.39mm / 天(新采空区，沉降仍发展)。
[0079]矿方有针对性地实施了充填支护(针对西部区域)、排水加固(东边坡区域)以及开采方案调整(西南部)等一系列措施，从而有效遏制了形变趋势的发展。
[0080](4)预警统计分析
[0081]在整个月内共触发 28 次预警(一级 2 次、二级 5 次、三级 12 次、四级 9 次)，预警准确率 96%，仅 1 次误报(南部作业区设备振动干扰)。
[0082]核心优化效果：
[0083] 误报控制：“空天地” 数据交叉验证(雷达形变 + 无人机确认设备干扰 + 地表传感器排除地质变化)，误报率从传统 15% 降至 4%，无效应急响应人力从 3 人 / 次降至0.5 人 / 次;
[0084]区域分布：西部采空区预警 12 次(43%)、东边坡 9 次(32%)，AI 自动调整预警阈值(如暴雨时东边坡阈值降低 20%)，无需人工校准。
[0085]典型预警事件(7 月 15 日东边坡二级预警)：平台监测到形变速率突增至 0.8mm/ 天(超 0.5mm / 天阈值)，立即声光 / 短信报警并生成预警报告。矿方启动应急预案(封闭区域、现场勘查、排水加固)，后续监测显示形变速率逐步恢复正常，成功规避风险。
[0086]误报优化措施：针对作业区域短期形变误判问题，矿方通过平台设置预警屏蔽区域，减少误报。
[0087]3.低空巡检管理
[0088](1)任务执行 —— 三位一体优化巡检效率
[0089]在整个月内，低空巡检系统覆盖全矿区，重点关注采空区、边坡、尾矿库、运输道路，通过采用先进的自动化航线规划技术，进一步优化巡检路径。
[0090]AI 协同优势：参照先进 “空地协同” 模式，无人机自动响应 “空天地”数据指令(如雷达发现热点→无人机优先巡检)，无人机技术的应用使得巡检周期从2天缩短至1天，并且实现了完全自动化，无需人工调度，从而大幅提升了巡检效率。
[0091](2)巡检影像数据采集与处理
[0092]数据采集情况：无人机搭载 16 倍混合光学变焦、4K 摄像设备，全月采集。
[0093]数据处理：三维建模方面，生成了16个亚米级精度的三维模型，这些模型覆盖了主要生产和监测区域，通过将二维影像转化为三维模型，显著提升了分析的准确性。
[0094]数据管理：平台影像库支持按时间 / 区域 / 任务类型检索，对比分析功能可展示地形变化、工程进展。
[0095](3)隐患闭环处置
[0096]在整个月内，通过巡检影像分析识别隐患 38 处(重大 3 处、较大 12 处、一般23 处)，类型含地裂缝、边坡失稳、排水不畅、设备异常。
[0097](4)无人化运维
[0098]无人机机巢实现 “自动起降+充电+数据回传”，与 “空天地” 系统联动，核心成效如下：
[0099] 自动补检：雷达发现异常→AI 指令机巢启动补检(原人工派机 1 小时，现 5 分钟响应);
[0100] 状态监测：AI 实时监测机巢电量 / 温度，故障自动报警，人工巡检频次从 1 次/ 天降至 1 次 / 周;
[0101]成本节约：节省人工成本，巡检效率提升50%。
[0102]远程智能监控：平台全天候实时监测无人机电池状态、飞行轨迹及机巢状况，成功处理低电量预警8次、信号弱预警3次，均通过远程操作迅速解决，未对任务造成任何影响。
[0103]4.地质环境监测
[0104](1)通过固定式 360°形变监测雷达对全矿区采空区(西部、南部为主)高精度监测，进行采空区沉降分析。
[0105](2)实时高效地采集并分析气象数据，进行气象监测。
[0106](3)通过 16 口地下水监测井(覆盖开采 / 敏感区域)，对地下水位进行监测。
[0107](4)对主要水害威胁小窑老空水、地表水进行监测，通过多源数据构建防治体系。
[0108]5.数据中心
[0109](1)多源数据融合
[0110]数据中心整合了多种类型的数据，运用先进的算法技术，实现了数据的时空配准与深度关联分析，有效克服了单一数据源带来的局限性，其中
[0111]雷达数据 + 地面传感器：提升地表形变监测准确性;
[0112]无人机影像 + 三维建模：增强工程设计直观性;
[0113]多源数据协同：为宏观(全矿区管理)、微观(局部隐患)决策提供支撑，提高管理科学性。
[0114](2)自动化报告生成
[0115]数据中心依托预设的模板系统，能够自动生成多种类型的报告，这一过程极大地减少了人工干预，有效降低了误差率。
[0116](3)数据共享管理
[0117]共享数据类型：地表形变、预警信息、气象、地下水数据;
[0118]共享频率设定为：预警信息实现即时共享，监测数据则每日进行汇总并共享，而报表则采取每周共享的方式。
[0119]共享方式：开放 API 接口对接相应数据中台，自动传输同步;
[0120]共享率：全月达 92%(超≥80% 要求);
[0121]安全管理措施包括：采用数据加密技术确保数据安全，实施严格的访问控制以防止信息泄露，并记录共享日志以备追溯。
[0122]6.系统管理
[0123](1)用户权限管理：平台采用基于角色的访问控制(RBAC)模型，实现精细化权限管理，保障操作安全规范。系统支持权限的动态适配，管理员能够根据实际情况灵活调整角色权限。
[0124](2)设备监控：平台实时监测所有硬件设备(无人机、雷达、传感器、服务器等)状态，实现远程管理与故障预警。监控内容包括设备运行状态、通信状态、电源状态等。
[0125](3)系统设置，管理员能够依据矿山的实际需求，灵活调整系统参数，以提升性能和精度。
[0126]本发明的监测平台具有监测范围广的特点，能覆盖大面积矿区;监测精度高，可达到毫米级，精准捕捉微小地形变化;具备全天时、全天候作业能力，不受恶劣天气影响。同时，平台实现了全自动化监测，减少人工干预，提高监测效率和数据可靠性。此外，还能对多种监测数据进行融合分析，为矿山企业提供更全面、准确的决策依据。
[0127]与传统监测方法相比，本发明的平台优势显著。传统的岩移观测站结合水准测量、GNSS 测量等方式，作业成本高，监测数据量有限，难以实现大范围监测，且受天气、地形等因素影响较大。而本发明的平台运用 InSAR 技术，大幅提升监测效率，精准覆盖大区域，预警潜在地表形变趋势。无人机自动巡检进一步提升效率，保障人员安全，便捷采集信息。在市场上，目前同类平台较少能如此全面地整合多种先进技术，提供一站式监测服务，本发明的平台凭借技术先进性、功能完整性和高性价比，具有很强的市场竞争力。
[0128]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
说明书附图(2)
声明：
“用于矿山的空天地一体化监测平台” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：江苏中晖航遥瀚林科技有限公司
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