3S技术在矿山环境治理中的应用

孟 猛，宗美娟

(1.山东理工大学，山东 淄博 255049；2.淄博职业学院，山东 淄博 255049)

3S技术是指遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)的有机结合，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术、计算机技术和通讯技术等相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。随着3S技术的不断发展，其在很多领域都得到了广泛应用，特别是在矿山的环境治理方面有着光明的应用前景。

矿山开发产生的环境问题，主要包括地质灾害、生态破坏和环境污染问题。本文在充分调查国内外相关领域研究成果的基础上，对目前矿山环境问题治理中的3S技术应用进行了分析和评述。

1 地质灾害治理中的3S技术应用

矿山开发强烈地改变了矿区地质体的应力系统，导致矿区成为地质应力变化最集中区域，因而诱发各种地质灾害，主要包括：崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降塌陷等。3S技术已经被应用到矿区地质灾害的实时监测和预测预警中。地质灾害的发生，是缓慢蠕动的地质体从量变到质变的过程。一般情况下，地质灾害体的蠕动速率是小而稳定的，当突然增大时，则预示着灾害的即将到来。由于GPS技术的差分精度已经达到毫米级，因而能够满足对蠕动灾害体监测的精度要求，目前已在滑坡、地面沉降、崩塌、地裂缝等地质灾害监测方面得到广泛应用。利用GPS的连续信号，可以获取经度、纬度及三维坐标，以坐标、距离和角度为基础，用新值与初始坐标之差来反映目标的运动。滑坡GPS监测就主要是滑坡体与地表水平位移和垂直位移的监测。该方法可进行连续监测，具有全天候、高精度、全自动等优点。此类技术目前较为成熟，精度较高。GPS技术还可以对矿区历次发生的地质灾害进行现场定位和测量，对遥感地质填图等进行实地验证，保证所获数据空间位置信息的准确性。由于获得的是地质灾害体位移形变的直观信息，特别是位移形变信息，往往可以成为预测预报的主要依据之一。

RS作为地理信息和数据的获取手段，能够利用多平台、多时相遥感影像特征更新信息，也可以实现对地质灾害发生区域的动态监测。利用RS技术，可以获取地貌特征的变化，能够获得矿区地质灾害发生的不同发展时期所形成的特殊微地貌在遥感图像上的几何形态特征。还可以获得光谱特征，即了解不同物质成分、结构构造、不同含水量、不同土地覆盖状况、不同发育时期的滑坡及其发育环境的光谱特征。通过对矿区的地物进行光谱测量以及遥感图像处理与解译工作，可以更为准确地表现地质灾害的宏观及细部的几何形态特征、与其他地物的空间结构特征及其光谱特征。

这些GPS和RS监测数据以时间序列为序，反映了不同时间的灾情和受灾范围的变化。利用这些数据，能够建立能表现地质灾害独立存在的地质灾害辨识模型。基于该模型，可以进行地质灾害的区域调查以及辨识。GIS技术作为地质灾害防灾减灾数据集成的平台，在关系数据库的基础上，建立图形数据库，将各种地理要素叠置于电子地图上，并且与关系数据库中的属性数据、遥感影像数据相联系，将数据、文本、多媒体信息、图像图形集成于统一平台上，进行空间定位与属性一体化管理，使信息可视化。在集成信息的基础上，结合空间分析和模型，能够直观的显示地质灾害的范围、影响、具体细节等，为防灾救灾服务，使防灾减灾指挥决策支持系统决策科学化。李媛媛等构建了基于3S技术的地质灾害监测信息系统，取得了良好效果[1]。

2 生态环境治理中的3S技术应用

矿山开发所造成的生态破坏问题，主要包括：植被的破坏、生物多样性的减少、景观生态的损害等。在矿山生态监测和生态恢复的过程中，3S技术能够发挥重要作用。

由于绿色植被具有显著的、独特的光谱特征，RS技术作为植被调查的信息源，主要是通过植物的反射光谱特征来实现的。不同的植物以及同一种植物在不同的生长发育阶段，其反射光谱曲线形态和特征不同，而环境的改变也会引起植物反射光谱曲线的变化。利用植物这一特征，准确获得矿区植被的遥感影像特征信息。GPS可以实时、快速、准确地提供植被的空间位置，结合少量的实地调查，通过对遥感影像的处理，增加必要的地理要素信息，通过GIS的综合分析，可以对矿区的植被类型、植物季相节律、植被演化等进行监测、分析，了解矿区植被演化的动态。在短时间内，掌握矿区内植被结构、环境特征、区系组成及其演变规律，从而降低矿山开发对植被的破坏。廖程浩对山西省阳泉市煤炭开采活动对矿区植被的影响范围进行了研究，认为从对植被资源影响的角度出发，煤矿区的生态影响范围是包括矿区边线周边500 m的空间区域。超过500 m距离后，植被资源受开矿影响不明显，但矿区外400～500 m范围植被所受影响都在逐年加大的现象也应引起重视[2]。

生物多样性是人类赖以生存的物质基础。生物与其生境密切相关，生境为生物提供了生存、繁衍及种群发展所需的资源；生物对环境具有依赖性，环境因子的变化能够对生物的进化和物种的形成产生重要影响，而矿山开发活动矿区的生境产生强烈变化，因而矿区的生物多样性研究很有必要。传统的生物多样性调查方法，主要是利用野外抽样调查、室内试验以及各样地调查数据的汇总等，数据的现实性、准确性和可靠性都受到极大的限制。由于遥感各波段对植被光谱反射敏感，并且由于遥感大范围、多时相和多波段的特点，突破了传统调查方法的各种限制，获得了理想的调查数据。珍稀野生动物作为生物多样性研究和保护的重点，因其数量少，生境复杂多变，进行实地调查难度大，效率低。利用GPS实时导航、准确定位功能，引导调查人员实地调查，保证调查的准确性。利用遥感图像大范围、全天候的特点对生境及栖息地进行监测，确定与野生动物密切相关的生态因子。利用GIS将种群数量、分布规律及矿区基本状况联系起来进行系统的分析，从而实现高效、准确、低投入的矿区野生动物现状调查与动态监测。现在3S技术已经成为生物多样性研究中的一个重要手段[3]。

在矿山大规模开发过程中，经常造成矿区原有生态景观的严重破坏和一系列的生态环境问题，使作物的生境和非生境不断发生变化，破坏了原有的生态景观格局。针对矿区景观破坏而进行的生态修复，即景观生态的修复，使以景观单元空间结构为基本单元，在充分认识矿山开采破坏以及生态系统损害原因的基础上，依靠生态系统的自我调节功能，并辅以科学合理的工程修复技术，调整原有景观格局或引进新的景观组分，改善受胁迫或受损生态系统的功能，将矿山开发对景观生态演化的影响进入正常、合理、健康的发展过程，实现生态系统的良性循环，改善矿区的生态环境。由于景观生态的修复尺度大，传统的方式耗时多、强度大、费用高。而RS不受地面条件的限制，范围大，可以获得可见光波段的电磁波、紫外和红外等波段的信息，成像周期短；GPS可不依赖地面控制点，直接对遥感图像定位；GIS强大的空间分析及图像处理功能，则恰好满足了景观生态修复对大尺度生态学研究的要求。利用3S技术，可快速准确地掌握露天矿区土地利用的时空结构、不同时期不同土地类型的转移情况及其发展趋势, 为大型露天矿区土地复垦与生态重建规划提供决策支持。多光谱的Landsat TM 影像和全色的SPOT 影像用于露天矿的景观监测非常有用, 使管理人员能掌握土地覆盖的分类、景观变化、植被类型的区分、排土场的土地复垦评价等信息[4]。侯湖平等利用3S技术，分析采矿对矿区景观生态影响的变化规律， 从生态修复适用范围、模式、技术等方面，提出徐州城北矿区生态修复的策略[5]。

3 矿区环境治理中的3S技术应用

矿山资源的大规模应用，容易产生大气和水的环境污染问题。

利用地物的波谱测试数据、彩色红外遥感图像及少量常规大气监测数据，可获取关于矿区大气环境质量的基本数据，在GIS 中应用相应的空间分析与评价模块进行数据处理和分析，可以对矿区大气污染作出客观、可靠的判断。利用遥感图像作为基本资料，还可对矿区的有害气体进行监测。对有害气体的研究通常用间接解译标志进行， 即用植物对有害气体的敏感性来推断矿区大气污染的程度和性质。盛业华等利用夜航和日航的航空热红外扫描图像, 彩色红外遥感图像以及同步地面辐射温度测量、干湿温度计气温测量的数据, 进行矿区地面热场特点及其对大气污染影响的分析评价, 取得了良好的效果[6]。

利用3S技术可对矿区废水污染进行监测。废水由于水色与悬浮物千差万别，特征曲线上的反向峰位置和强度也大不一样。对水的污染状况一般用RS技术的多光谱合成图像进行监测。 GIS技术还可以利用矿区基本图像对矿区废水的扩散进行研究。此外，利用RS、GPS 及常规监测技术，以GIS 为信息处理平台，还可以对矿区水域分布的变化和水体沼泽化、水体富营养化、泥沙污染等进行综合监测。

4 结语

如何利用现代信息技术来改造、提升作为传统产业的矿业, 一直是我国矿业界广大科技工作者所共同关注的问题。可以预料, 随着现代信息技术的不断发展, 为响应国家提出的绿色矿山建设要求，3S 技术将会在矿山环境治理领域迅速推广应用，从而有力地促进我国矿业的可持续发展。

[1] 李媛媛，李晋，刘新华，等. 基于3S 技术的地质灾害监测信息系统构建[J]. 灾害学，2006，21(4)：28-30.

[2] 廖程浩, 刘雪华. 阳泉煤炭开采对区域植被影响范围的3S识别[J]. 自然资源学报，2010，25(2):185-191.

[3] 高瑞莲，吴健平. 3S 技术在生物多样性研究中的应用[J]. 遥感技术与应用，2000，15(3)：205-209.

[4] 马从安, 才庆祥. 露天矿生态恢复监测的研究进展[J]. 煤炭工程，2009(10)：95-97.

[5] 侯湖平，张绍良，闫艳，等. 基于RS, GIS的徐州城北矿区生态景观修复研究[J]. 中国矿业大学学报，2010，39(4)：504-510.

[6] 盛业华, 郭达志, 韩国建. 工矿城市地面热场的遥感调查及其对大气污染的影响[J]. 环境科学，1995，16 (3)：19-22.