一种尾矿库应急空间现场快速核查方法、系统及装置与流程

本发明属于环境应急管理，具体涉及一种尾矿库应急空间现场快速核查方法、系统及装置。

背景技术：

1、尾矿库是矿山开采过程中尾矿废渣的堆存场所，其下游区域一旦发生泄漏事故，将对下游水体环境和居民用水安全构成严重威胁。我国现有尾矿库数量众多，相当部分位于集中式饮用水水源地上游或跨省界断面附近，环境风险防控压力突出。根据生态环境部《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》的要求，需对尾矿库下游河道及两岸一定范围内的应急空间与设施进行系统识别、核查和评估，编制一库一策一图应急方案，以支撑突发水污染事件的快速响应和科学处置。

2、当前，应急空间与设施的现场核查主要依赖人工方式进行，工作人员携带gps等工具实地踏勘，逐一记录各应急空间的位置、类型、尺寸、状态等信息，核查一座尾矿库通常需要数天时间，且存在人员安全隐患。同时，不同调查人员的记录方式不一，采集数据的格式和完整性参差不齐，难以形成规范化的核查档案和有效的溯源依据。近年来，虽已有将无人机航拍用于应急空间识别的研究尝试，但现有方案多依赖将原始图像回传至地面后进行离线处理，难以在飞行过程中实时输出核查结论，且缺乏针对尾矿库应急空间几何参数核验的专用比对逻辑。此外，移动终端采集的结构化属性数据与无人机获取的几何参数数据之间缺少自动融合机制，无法形成地面采集与空中核验的一体化核查。因此，亟需开发一种能够快速、规范、协同完成尾矿库应急空间现场核查的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种尾矿库应急空间现场快速核查方法、系统及装置，以解决现有尾矿库应急空间核查依赖人工方式导致效率低下、难以实现地面采集数据与空中核查数据自动关联融合的技术问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、第一方面、本发明提出了一种尾矿库应急空间现场快速核查方法，其所述方法基于移动终端进行地面数据采集、基于无人机搭载边缘计算装置进行空中核查，所述方法包括：

4、s1：识别该尾矿库下游河道及两岸设定范围内的应急空间并作为候选对象，提取各候选对象的类型标签、边界坐标、尺寸参数及形状特征，构建遥感预识别数据库；

5、s2：通过所述移动终端运行结构化采集表单，对各候选对象录入现场核查数据并生成地面核查结果，每条地面核查记录关联唯一编号uid、定位坐标及现场照片；

6、s3：将所述移动终端实时获取的定位坐标与候选对象边界进行空间比对，当所述定位坐标进入以候选对象边界为基准的设定范围内时，推送对应预识别信息以引导核查，并根据现场核查结果对候选对象的预识别标签进行修正；

7、s4：通过所述边缘计算装置对各候选对象进行实时图像推理及几何参数提取，与预设参数进行联合比对，分级输出机载核查结果；

8、s5：将所述机载核查结果与所述地面核查结果通过位置坐标匹配至对应uid进行融合，对各应急空间进行综合能力评估，并输出应急处置优先级推荐序列。

9、进一步的，步骤s1具体包括：

10、s101：根据尾矿库突发水污染事件环境应急空间分类标准，将环境应急空间分为拦截设施类、蓄滞空间类、导流设施类、处置设施类和监测设施类；

11、s102：基于遥感影像和数字高程模型，采用深度学习目标检测与基于dem的d8汇流分析、地形湿度指数twi的地形水文分析相结合的方法，识别尾矿库下游河道及两岸设定范围内的应急空间；

12、s103：提取各应急空间的类型标签、边界坐标、尺寸参数和形状特征，构建遥感预识别数据库；

13、s104：采用加权融合方式对各识别结果进行综合置信度评估，得到各应急空间的预识别融合得分，计算公式为：

14、；

15、式中，cdl为深度学习检测置信度，n(twi)为归一化twi值，n(ac)为归一化汇流累积量，++=1；

16、s105：根据所述预识别融合得分筛选并保留得分高于设定阈值的应急空间作为候选对象，存储于遥感预识别数据库中，用于移动终端进行空间比对时调用，以及边缘计算装置加载预设参数时作为基准数据。

17、进一步的，步骤s2具体包括：

18、s201：在移动终端上部署结构化表单，每条核查记录自动生成唯一编号uid，编码规则为“尾矿库编号+点位编号+时间戳”，并自动采集实时定位坐标关联至uid；

19、所述结构化表单包括尾矿库现场踏勘表单、下游环境敏感目标调查表单和应急空间现场核查表单，分别用于录入尾矿库基本信息、敏感目标信息和应急空间现场信息；

20、s202：录入完成后生成地面核查结果，所述地面核查结果包含各候选对象的uid、实时定位坐标、现场照片及对应的结构化表单数据。

21、进一步的，步骤s3具体包括：

22、s301：移动终端实时获取gps坐标作为实时定位坐标，与遥感预识别数据库中候选对象的边界坐标进行空间比对；

23、s302：当所述实时定位坐标位于任一候选对象边界范围内或距其边界小于等于设定距离阈值时，推送该候选对象的预识别信息，所述预识别信息包括类型标签、预估尺寸和形状特征；

24、s303：提供“确认正确”、“需修正”、“不存在”三个选项供调查人员对预识别标签进行确认或修正，若判定为“不存在”则从候选对象中标记删除；

25、s304：对预识别数据库未覆盖的应急空间，通过移动终端创建新核查记录并录入属性信息，数据来源标记为“现场核查新增”，该新增应急空间被添加至候选对象中。

26、进一步的，步骤s4具体包括：

27、s401：无人机搭载的多光谱相机采集实时图像帧，通过高精度时间戳模块将相机快门事件与惯性测量单元及全球定位系统的输出数据绑定，获取该帧对应的无人机位姿数据；

28、s402：边缘计算装置运行经定点量化的轻量级深度学习模型对图像帧进行实时推理；

29、s403：将推理识别出的应急空间目标从图像坐标系逆映射至地理坐标系，得到各应急空间的实际地理边界和物理尺寸，其中逆映射方程如下式：

30、；

31、其中，（，，）为应急空间的目标地理坐标，为无人机横滚角、俯仰角、偏航角构造的旋转矩阵，（，）为图像像素坐标，k为相机内参矩阵，r为由飞控位姿构造的旋转矩阵，d为像素到目标平面的深度，(x0,y0,z0)为无人机位置坐标；

32、s404：基于无人机实时位置，通过r-tree空间索引从所述遥感预识别数据库中动态加载对应应急空间的预设参数子集；

33、s405：将所述实际地理边界和物理尺寸与所述预设参数子集进行比对，计算尺寸偏差和形状重合度，并根据所述尺寸偏差和所述形状重合度加权计算综合偏差指标；

34、s406：根据所述综合偏差指标划分等级，动态选择对应通信协议将机载核查结果传输至移动终端；

35、所述机载核查结果包含各应急空间的实际地理边界、物理尺寸及偏差等级，通过gps坐标匹配至对应的地面核查记录uid。

36、进一步的，步骤s405中尺寸偏差和形状重合度通过交并比表示，综合偏差指标d通过下式得到：

37、；

38、；

39、d = w1·|| + w2·(1-iou) + w3·dh

40、其中，为机载识别的实际尺寸，为预设尺寸，为机载识别的实际边界区域，为预设边界区域，dh为归一化hausdorff距离，w1、w2、w3为权重系数。

41、进一步的，步骤s5具体包括：

42、以坐标距离小于设定阈值作为同一应急空间的判定依据，将机载核查结果中的实际地理边界和物理尺寸附加至具有相同位置坐标的地面核查记录uid下，形成融合后的应急空间档案；

43、从空间容量、可达性、适用性和可靠性的维度对融合后的各应急空间进行综合能力评分，得到综合能力得分，如下式：

44、；

45、其中，为第i个评估维度的权重，为第i个评估维度下所包含的具体指标的数量，为第i个维度下第j个指标的权重，为第i个维度下第j个指标的评分值；

46、基于多目标优化算法，以应急处置效果最大化、处置成本最小化、环境影响最小化为目标函数，以应急空间容量上限和污染物传输时间为约束条件，输出应急处置优先级推荐序列。

47、第二方面、本发明提出了一种用于无人机平台的边缘计算装置，应用于实现如上述的方法中的空中核查步骤，所述装置搭载于无人机平台，包括：

48、图像采集单元，用于搭载多光谱相机采集实时图像帧，通过高精度时间戳模块将相机快门事件与惯性测量单元及全球定位系统的输出绑定，输出带有时空标签的实时图像帧；

49、边缘计算单元，用于接收所述实时图像帧，运行经定点量化的轻量级深度学习模型进行实时推理，识别图像中的应急空间目标，并进行图像-地理坐标逆映射，将识别出的应急空间目标从图像坐标系转换至地理坐标系，输出各应急空间的实际地理边界和物理尺寸；

50、存储单元，用于存储从遥感预识别数据库中加载的应急空间预设参数子集；

51、比对单元，用于接收所述实际地理边界和物理尺寸，以及所述预设参数，进行联合比对，输出比对结果；

52、通信单元，用于根据比对结果分级输出机载核查结果，将所述机载核查结果传输至移动终端；

53、uid关联模块，用于将所述机载核查结果与所述地面核查结果通过位置坐标匹配至对应uid进行融合，对各应急空间进行综合能力评估，并输出应急处置优先级推荐序列。

54、第三方面、本发明提出了一种尾矿库应急空间现场快速核查系统，应用于实现如上述的方法，所述系统包括：

55、移动终端和搭载于无人机平台的边缘计算装置；

56、所述移动终端包括：

57、数据采集单元，用于运行结构化采集表单，对各候选对象录入现场核查数据，每条核查记录关联唯一编号uid、定位坐标及现场照片，生成地面核查结果；

58、空间比对单元，用于将实时获取的定位坐标与候选对象边界进行空间比对，当所述定位坐标进入以候选对象边界为基准的设定范围内时，推送对应预识别信息以引导核查；

59、融合评估单元，用于接收所述边缘计算装置传输的机载核查结果，将所述机载核查结果与所述地面核查结果通过位置坐标匹配至对应uid进行融合，对各应急空间进行综合能力评估，输出应急处置优先级推荐序列，并生成核查报告；

60、所述边缘计算装置用于执行空中核查步骤，将机载核查结果传输至所述移动终端。

61、本发明的有益效果在于：

62、（1）本发明地面移动终端通过结构化表单和预识别数据库导航，将单座尾矿库的现场核查时间从2至3天压缩至数小时；无人机沿预设航线一次性完成多个应急空间的航拍核查，无需针对每个空间单独起降，机载边缘计算在飞行过程中实时输出核查结论，无需等待图像回传至地面后进行离线处理，从数据采集到核查结论产出的时间显著缩短。

63、（2）本发明中地面核查记录通过uid与现场照片、定位坐标绑定，机载核查结果通过gps坐标匹配至对应的地面uid，使同一应急空间的属性数据与几何参数自动归并至一条完整记录中，无需人工手动匹配，避免了传统方式中两类数据分别记录、后期难以对应的问题。

64、（3）本发明中形-量联合比对从尺寸偏差和形状重合度两个维度量化评估应急空间的实际状态，偏差等级直接告知调查人员该空间是否发生变化以及变化程度，为应急方案的编制和更新提供了可量化的数据依据，避免了人工判断的主观性。