一种适配信创环境的矿山空天地一体化地质灾害三维可视化监测系统及监测方法与流程

本发明涉及矿山地质灾害监测与预警，具体涉及一种适配信创环境的矿山空天地一体化地质灾害三维可视化监测系统。

背景技术：

1、随着矿山智能化建设的推进，地质灾害监测逐步从传统人工巡检、单点传感器监测向立体化监测转型。目前，矿山地质灾害监测平台主要存在以下技术缺陷。

2、信创适配能力缺失。矿山关键信息基础设施的国产化替代是保障国家能源资源安全的重要举措。然而，现有矿山监测平台的核心服务器、操作系统、数据库、gis引擎多采用国外软硬件产品。矿山装备智能化的关键难点之一在于，井下工业操作系统以国外为主，一台国产采煤机使用的操作系统多达3种、通讯协议3种、芯片161种，且全部为进口，风险较大。能源行业作为国民经济的命脉，其国产化转型有着更为严苛的要求——矿山、电力等领域的核心生产系统承担着安全生产与能源保供的重大责任，迁移过程中必须保障24小时不间断运行，“零停机”是不可逾越的红线。

3、具体到地质灾害监测领域，现有技术方案普遍未考虑信创适配。中国矿业大学（北京）提出的面向智能矿山场景的数字孪生演化方法（cn111210359a），采用unity3d开发工具及creo parametric、ug nx等国外商业软件进行三维建模，其技术方案依赖于国外软件生态。润建股份有限公司提出的基于数字孪生的地质灾害监测预警系统（cn121236888a），亦未涉及国产化软硬件环境的适配。将上述依赖国外软件生态的技术方案移植至国产化平台，面临操作系统接口差异、数据库兼容性、三维渲染引擎跨平台适配等多重技术障碍，并非简单的软件替换可以解决。

4、多源数据融合效率低。卫星insar遥感、无人机航测、地面传感器、气象监测等数据在格式、通信协议、采集频率上差异极大。传统矿山透明地质数据来源于各业务子系统，不同子系统标准各异，数据共享困难，导致矿山各业务系统数据孤岛严重。安全建设滞后使得矿山生产面临诸多安全隐患，数据融合困难——不同系统、不同来源的数据无法高效整合，严重制约了智能矿山建设的推进。目前矿井智能化水平普遍较低，对多源异构数据的综合分析能力欠缺。

5、现有技术中，青岛捷利达地理信息集团有限公司提出的多模态地表变化监测方法（cn120252832a），其数据融合主要为不同来源数据的简单汇聚与ai分析，未建立标准化的多源异构数据治理体系。王智伟等提出的基于bp神经网络的滑坡监测多源异构数据融合算法（《地质力学学报》2020年第26卷第4期），属于算法层面的数据融合，未涉及系统化的数据治理架构。上述方案均未能解决多源数据在格式统一、质量校验、时空对齐等方面的系统性问题。

6、三维可视化与监测业务脱节。现有三维平台多仅实现地形模型的静态展示，监测数据、设备状态、预警信息无法与三维模型深度绑定。数字孪生技术应用于智能矿山灾害预警及综合防控时，数据采集、传输、计算的瞬时性是核心要求——事故的突发性要求数字孪生系统实时完成数据的采集、传输及仿真计算，若传输、计算速度跟不上，将导致数字孪生系统灾害状态迟滞于物理世界，无法起到灾害预警的效果。然而，现有矿山数字孪生方案多侧重于设备级或工作面级的孪生建模（如采掘工作面区域整体、单机机械装备状态监测等），尚未形成面向地质灾害监测的、监测数据与三维模型实时联动的完整技术方案。

7、陈龙等提出的三维模型轻量化技术（《工矿自动化》2021年第47卷第5期），基于cesium的3d tiles格式实现了纹理合并、顶点压缩、lod、三角面简化等轻量化手段，但未涉及矿山地质灾害监测场景中监测数据驱动模型更新的联动机制。将静态三维模型升级为动态数字孪生体系，需要解决监测数据实时驱动模型顶点更新的技术问题，包括多源异构数据到模型顶点的空间插值映射、形变数据的分级渲染策略等，这些技术在现有方案中未见公开。

8、业务模块协同性差。现有平台监测、预警、巡检、运维模块相互独立，无人机巡检任务无法与灾害隐患点自动联动。当前矿山安全监测领域，虽然已有基于无人机自动巡检的技术报道——例如通过无人机自动巡检获取影像、云端重建实景三维模型——但预警信号的发出与无人机巡检任务的下发之间仍依赖人工衔接，未能形成自动化的联动闭环。

9、露天矿山边坡监测预警领域，现有技术已认识到监测技术单一、多源数据融合欠佳及难以有效预警等问题。但在预警与应急处置的衔接环节，目前仍以人工操作为主。预警信息推送后，需管理人员人工研判、人工安排巡检任务、人工调度无人机，整个流程涉及多个环节的人工介入，应急响应效率受到显著制约。

10、大场景三维模型加载缓慢。矿山地质灾害监测涉及的地形、建筑、边坡、巷道、设备等多类模型叠加后数据量巨大，现有三维模型轻量化技术主要面向通用场景，未针对矿山地质灾害监测大场景进行专门优化。在普通终端和移动端加载大场景三维模型时，存在加载时间长、渲染帧率低的问题，无法满足一线操作人员和管理人员实时查看全域灾害风险的需求。

11、综上所述，现有矿山地质灾害监测平台在信创适配、多源数据融合、三维可视化联动、业务协同、多终端适配等方面均存在明显的技术缺陷。因此，本领域亟需一种能够同时解决上述技术问题的矿山地质灾害监测平台。

技术实现思路

1、本发明提供一种适配信创环境的矿山空天地一体化地质灾害三维可视化监测平台及其数据处理方法，旨在解决现有矿山地质灾害监测平台信创适配能力缺失、多源数据融合效率低、三维可视化与监测业务脱节、业务模块协同性差、大场景模型加载缓慢的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种适配信创环境的矿山空天地一体化地质灾害三维可视化监测平台，采用五层分层架构与三大配套体系设计。五层架构依次为数据采集层、数据传输层、数据处理与模型层、应用服务层、展示交互层；三大配套体系为信创适配体系、安全保障体系、运维管理体系。平台整体基于国产化微服务架构开发，全组件兼容国产服务器、国产操作系统、国产时序数据库、国产三维gis引擎。

4、数据采集层构建“空-天-地”三维感知网络。天基单元接入卫星insar遥感设备，采集矿区全域地表形变宏观数据。空基单元部署全自动无人机机场套装，支持预设航线巡检、应急触发巡检、实时视频直播，采集高清影像与倾斜摄影数据。地面单元统一接入gnss接收机、裂缝计、倾角计、雨量计、ai智能摄像机、地基雷达等工业级传感器，采集地表位移、裂缝宽度、挡墙倾斜角、降雨量、现场视频等微观监测数据。

5、数据采集层内置插件化协议适配模块，支持mqtt、tcp/ip、modbus等主流工业协议，可动态添加设备接入插件，兼容不同品牌监测设备。

6、数据采集层支持定时采集与降雨触发式高频采集两种采集策略。常态下以预设频率采集位移与裂缝数据；当降雨量超过阈值时自动切换至高频采集模式。

7、数据传输层采用5g/4g与lora无线通信组合传输模式。关键设备采用双链路备份。所有传输数据经加密处理。边缘节点支持本地数据缓存，网络中断时自动缓存数据，网络恢复后断点续传。

8、数据处理与模型层搭建国产化数据中台，采用混合数据库架构适配不同类型数据存储：采用国产postgresql存储用户权限、设备台账、预警记录等结构化业务数据；采用国产时序数据库tdengine存储秒级至分钟级高频监测数据；采用对象存储系统存储无人机视频、影像、三维模型等非结构化多媒体数据；集成postgis空间数据库扩展支撑三维gis空间运算。

9、数据中台内置全流程数据治理引擎，依次执行数据抽取、格式转换、异常值剔除、重复数据清洗、多源数据交叉校验、缺测数据插值补全六项处理，输出标准化数据集。

10、数据中台还搭载地质灾害识别模型，基于ai算法对无人机影像与卫星遥感数据进行隐患智能识别。

11、应用服务层基于国产中间件搭建微服务集群，划分为基础服务与业务服务。基础服务包括网关服务、注册发现服务、认证授权服务、配置中心服务。业务服务拆分为五大独立微服务：数据采集服务、智能巡检服务、监测预警服务、综合展示服务、系统运维服务。各服务解耦部署，通过restful接口通信。

12、展示交互层基于国产化三维gis引擎构建矿区高精度数字孪生底座，整合dem高程数据、dom正射影像、精细化地物模型、井下巷道模型，统一采用cgcs2000坐标系。

13、展示交互层对三维模型进行轻量化处理，采用拓扑简化、纹理压缩、lod细节层次算法，支持3d tiles、glb、gltf格式模型流式加载。

14、展示交互层实现监测数据与三维模型的动态联动绑定：所有传感器、无人机、摄像头点位与三维模型一一绑定，点击点位可查看实时数据、历史曲线、设备状态。

15、展示交互层集成可视域分析、剖面分析、地形量测、区域标绘等地质专业空间分析工具。

16、展示交互层还实现形变动态模拟：将监测到的位移、裂缝、倾角数据按比例动态渲染于三维模型之上，直观展示灾害演化趋势。

17、展示交互层适配pc web端、移动端小程序、大屏可视化端三种终端，预警信息通过平台消息、短信、小程序多渠道推送。

18、三大配套体系中，信创适配体系要求硬件采用国产cpu服务器与国产存储设备，软件采用国产操作系统、国产数据库、国产中间件、国产gis引擎。安全保障体系设置分级用户权限、数据传输加密、操作日志全记录、定期漏洞扫描，核心数据多副本冗余存储。运维管理体系集成设备全生命周期管理、系统状态监控、预警规则可视化配置、日志审计功能。

19、平台的业务闭环流程为：空天地多类设备采集原始数据，经传输层加密上传至数据中台；数据中台完成清洗、融合、存储后送入灾害识别模型与预警模型；模型判定风险等级后触发蓝、黄、橙、红四级预警，多渠道推送预警信息；三维可视化模块自动定位预警点位，展示周边监测数据与地形环境；管理人员下发无人机巡检任务，现场人员通过移动端接收任务并上报处置结果；运维模块监控设备状态，故障设备自动告警。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

21、第一，全栈信创适配。从硬件服务器到操作系统、数据库、gis引擎均采用国产化组件，满足矿山信创建设政策要求，规避技术断供与数据泄露风险。

22、第二，多源数据高效融合。采用插件化协议适配与标准化数据中台架构，兼容各类监测设备，实现空天地多源异构数据统一治理，数据延迟低于1秒，数据完整率达到99.8%。

23、第三，三维数字孪生深度赋能。静态地形模型升级为动态数字孪生体系，监测数据与模型实时联动，集成地质专业分析工具，可直观模拟灾害形变过程，模型轻量化后适配全终端，解决大场景加载卡顿问题。

24、第四，业务全闭环协同。将智能巡检、监测预警、设备运维、应急指挥深度融合，实现隐患识别、预警推送、现场处置、设备运维一体化流转，应急响应时间缩短60%以上。

25、第五，通用性与扩展性强。插件化设备接入与微服务架构设计支持后续新增监测设备、扩展监测区域、对接外部矿山管理系统，可广泛应用于铅锌矿、煤矿、金属非金属矿山等各类矿山地质灾害监测场景。