3S技術在礦山環境治理中的應用

孟 猛，宗美娟

(1.山東理工大學，山東 淄博 255049；2.淄博職業學院，山東 淄博 255049)

3S技術是指遙感(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS)的有機結合，是空間技術、傳感器技術、衛星定位與導航技術、計算機技術和通訊技術等相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代信息技術。隨著3S技術的不斷發展，其在很多領域都得到了廣泛應用，特別是在礦山的環境治理方面有著光明的應用前景。

礦山開發產生的環境問題，主要包括地質災害、生態破壞和環境污染問題。本文在充分調查國內外相關領域研究成果的基礎上，對目前礦山環境問題治理中的3S技術應用進行了分析和評述。

1 地質災害治理中的3S技術應用

礦山開發強烈地改變了礦區地質體的應力系統，導致礦區成為地質應力變化最集中區域，因而誘發各種地質災害，主要包括：崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降塌陷等。3S技術已經被應用到礦區地質災害的實時監測和預測預警中。地質災害的發生，是緩慢蠕動的地質體從量變到質變的過程。一般情況下，地質災害體的蠕動速率是小而穩定的，當突然增大時，則預示著災害的即將到來。由于GPS技術的差分精度已經達到毫米級，因而能夠滿足對蠕動災害體監測的精度要求，目前已在滑坡、地面沉降、崩塌、地裂縫等地質災害監測方面得到廣泛應用。利用GPS的連續信號，可以獲取經度、緯度及三維坐標，以坐標、距離和角度為基礎，用新值與初始坐標之差來反映目標的運動。滑坡GPS監測就主要是滑坡體與地表水平位移和垂直位移的監測。該方法可進行連續監測，具有全天候、高精度、全自動等優點。此類技術目前較為成熟，精度較高。GPS技術還可以對礦區歷次發生的地質災害進行現場定位和測量，對遙感地質填圖等進行實地驗證，保證所獲數據空間位置信息的準確性。由于獲得的是地質災害體位移形變的直觀信息，特別是位移形變信息，往往可以成為預測預報的主要依據之一。

RS作為地理信息和數據的獲取手段，能夠利用多平臺、多時相遙感影像特征更新信息，也可以實現對地質災害發生區域的動態監測。利用RS技術，可以獲取地貌特征的變化，能夠獲得礦區地質災害發生的不同發展時期所形成的特殊微地貌在遙感圖像上的幾何形態特征。還可以獲得光譜特征，即了解不同物質成分、結構構造、不同含水量、不同土地覆蓋狀況、不同發育時期的滑坡及其發育環境的光譜特征。通過對礦區的地物進行光譜測量以及遙感圖像處理與解譯工作，可以更為準確地表現地質災害的宏觀及細部的幾何形態特征、與其他地物的空間結構特征及其光譜特征。

這些GPS和RS監測數據以時間序列為序，反映了不同時間的災情和受災范圍的變化。利用這些數據，能夠建立能表現地質災害獨立存在的地質災害辨識模型?；谠撃Ｐ停梢赃M行地質災害的區域調查以及辨識。GIS技術作為地質災害防災減災數據集成的平臺，在關系數據庫的基礎上，建立圖形數據庫，將各種地理要素疊置于電子地圖上，并且與關系數據庫中的屬性數據、遙感影像數據相聯系，將數據、文本、多媒體信息、圖像圖形集成于統一平臺上，進行空間定位與屬性一體化管理，使信息可視化。在集成信息的基礎上，結合空間分析和模型，能夠直觀的顯示地質災害的范圍、影響、具體細節等，為防災救災服務，使防災減災指揮決策支持系統決策科學化。李媛媛等構建了基于3S技術的地質災害監測信息系統，取得了良好效果[1]。

2 生態環境治理中的3S技術應用

礦山開發所造成的生態破壞問題，主要包括：植被的破壞、生物多樣性的減少、景觀生態的損害等。在礦山生態監測和生態恢復的過程中，3S技術能夠發揮重要作用。

由于綠色植被具有顯著的、獨特的光譜特征，RS技術作為植被調查的信息源，主要是通過植物的反射光譜特征來實現的。不同的植物以及同一種植物在不同的生長發育階段，其反射光譜曲線形態和特征不同，而環境的改變也會引起植物反射光譜曲線的變化。利用植物這一特征，準確獲得礦區植被的遙感影像特征信息。GPS可以實時、快速、準確地提供植被的空間位置，結合少量的實地調查，通過對遙感影像的處理，增加必要的地理要素信息，通過GIS的綜合分析，可以對礦區的植被類型、植物季相節律、植被演化等進行監測、分析，了解礦區植被演化的動態。在短時間內，掌握礦區內植被結構、環境特征、區系組成及其演變規律，從而降低礦山開發對植被的破壞。廖程浩對山西省陽泉市煤炭開采活動對礦區植被的影響范圍進行了研究，認為從對植被資源影響的角度出發，煤礦區的生態影響范圍是包括礦區邊線周邊500 m的空間區域。超過500 m距離后，植被資源受開礦影響不明顯，但礦區外400～500 m范圍植被所受影響都在逐年加大的現象也應引起重視[2]。

生物多樣性是人類賴以生存的物質基礎。生物與其生境密切相關，生境為生物提供了生存、繁衍及種群發展所需的資源；生物對環境具有依賴性，環境因子的變化能夠對生物的進化和物種的形成產生重要影響，而礦山開發活動礦區的生境產生強烈變化，因而礦區的生物多樣性研究很有必要。傳統的生物多樣性調查方法，主要是利用野外抽樣調查、室內試驗以及各樣地調查數據的匯總等，數據的現實性、準確性和可靠性都受到極大的限制。由于遙感各波段對植被光譜反射敏感，并且由于遙感大范圍、多時相和多波段的特點，突破了傳統調查方法的各種限制，獲得了理想的調查數據。珍稀野生動物作為生物多樣性研究和保護的重點，因其數量少，生境復雜多變，進行實地調查難度大，效率低。利用GPS實時導航、準確定位功能，引導調查人員實地調查，保證調查的準確性。利用遙感圖像大范圍、全天候的特點對生境及棲息地進行監測，確定與野生動物密切相關的生態因子。利用GIS將種群數量、分布規律及礦區基本狀況聯系起來進行系統的分析，從而實現高效、準確、低投入的礦區野生動物現狀調查與動態監測?，F在3S技術已經成為生物多樣性研究中的一個重要手段[3]。

在礦山大規模開發過程中，經常造成礦區原有生態景觀的嚴重破壞和一系列的生態環境問題，使作物的生境和非生境不斷發生變化，破壞了原有的生態景觀格局。針對礦區景觀破壞而進行的生態修復，即景觀生態的修復，使以景觀單元空間結構為基本單元，在充分認識礦山開采破壞以及生態系統損害原因的基礎上，依靠生態系統的自我調節功能，并輔以科學合理的工程修復技術，調整原有景觀格局或引進新的景觀組分，改善受脅迫或受損生態系統的功能，將礦山開發對景觀生態演化的影響進入正常、合理、健康的發展過程，實現生態系統的良性循環，改善礦區的生態環境。由于景觀生態的修復尺度大，傳統的方式耗時多、強度大、費用高。而RS不受地面條件的限制，范圍大，可以獲得可見光波段的電磁波、紫外和紅外等波段的信息，成像周期短；GPS可不依賴地面控制點，直接對遙感圖像定位；GIS強大的空間分析及圖像處理功能，則恰好滿足了景觀生態修復對大尺度生態學研究的要求。利用3S技術，可快速準確地掌握露天礦區土地利用的時空結構、不同時期不同土地類型的轉移情況及其發展趨勢, 為大型露天礦區土地復墾與生態重建規劃提供決策支持。多光譜的Landsat TM 影像和全色的SPOT 影像用于露天礦的景觀監測非常有用, 使管理人員能掌握土地覆蓋的分類、景觀變化、植被類型的區分、排土場的土地復墾評價等信息[4]。侯湖平等利用3S技術，分析采礦對礦區景觀生態影響的變化規律， 從生態修復適用范圍、模式、技術等方面，提出徐州城北礦區生態修復的策略[5]。

3 礦區環境治理中的3S技術應用

礦山資源的大規模應用，容易產生大氣和水的環境污染問題。

利用地物的波譜測試數據、彩色紅外遙感圖像及少量常規大氣監測數據，可獲取關于礦區大氣環境質量的基本數據，在GIS 中應用相應的空間分析與評價模塊進行數據處理和分析，可以對礦區大氣污染作出客觀、可靠的判斷。利用遙感圖像作為基本資料，還可對礦區的有害氣體進行監測。對有害氣體的研究通常用間接解譯標志進行， 即用植物對有害氣體的敏感性來推斷礦區大氣污染的程度和性質。盛業華等利用夜航和日航的航空熱紅外掃描圖像, 彩色紅外遙感圖像以及同步地面輻射溫度測量、干濕溫度計氣溫測量的數據, 進行礦區地面熱場特點及其對大氣污染影響的分析評價, 取得了良好的效果[6]。

利用3S技術可對礦區廢水污染進行監測。廢水由于水色與懸浮物千差萬別，特征曲線上的反向峰位置和強度也大不一樣。對水的污染狀況一般用RS技術的多光譜合成圖像進行監測。 GIS技術還可以利用礦區基本圖像對礦區廢水的擴散進行研究。此外，利用RS、GPS 及常規監測技術，以GIS 為信息處理平臺，還可以對礦區水域分布的變化和水體沼澤化、水體富營養化、泥沙污染等進行綜合監測。

4 結語

如何利用現代信息技術來改造、提升作為傳統產業的礦業, 一直是我國礦業界廣大科技工作者所共同關注的問題?？梢灶A料, 隨著現代信息技術的不斷發展, 為響應國家提出的綠色礦山建設要求，3S 技術將會在礦山環境治理領域迅速推廣應用，從而有力地促進我國礦業的可持續發展。

[1] 李媛媛，李晉，劉新華，等. 基于3S 技術的地質災害監測信息系統構建[J]. 災害學，2006，21(4)：28-30.

[2] 廖程浩, 劉雪華. 陽泉煤炭開采對區域植被影響范圍的3S識別[J]. 自然資源學報，2010，25(2):185-191.

[3] 高瑞蓮，吳健平. 3S 技術在生物多樣性研究中的應用[J]. 遙感技術與應用，2000，15(3)：205-209.

[4] 馬從安, 才慶祥. 露天礦生態恢復監測的研究進展[J]. 煤炭工程，2009(10)：95-97.

[5] 侯湖平，張紹良，閆艷，等. 基于RS, GIS的徐州城北礦區生態景觀修復研究[J]. 中國礦業大學學報，2010，39(4)：504-510.

[6] 盛業華, 郭達志, 韓國建. 工礦城市地面熱場的遙感調查及其對大氣污染的影響[J]. 環境科學，1995，16 (3)：19-22.