3S技術(shù)在礦山環(huán)境治理中的應(yīng)用

孟 猛，宗美娟

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255049)

3S技術(shù)是指遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的有機(jī)結(jié)合，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)等相結(jié)合，多學(xué)科高度集成的對(duì)空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展，其在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，特別是在礦山的環(huán)境治理方面有著光明的應(yīng)用前景。

礦山開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題，主要包括地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)破壞和環(huán)境污染問(wèn)題。本文在充分調(diào)查國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)目前礦山環(huán)境問(wèn)題治理中的3S技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析和評(píng)述。

1 地質(zhì)災(zāi)害治理中的3S技術(shù)應(yīng)用

礦山開(kāi)發(fā)強(qiáng)烈地改變了礦區(qū)地質(zhì)體的應(yīng)力系統(tǒng)，導(dǎo)致礦區(qū)成為地質(zhì)應(yīng)力變化最集中區(qū)域，因而誘發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害，主要包括：崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降塌陷等。3S技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警中。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是緩慢蠕動(dòng)的地質(zhì)體從量變到質(zhì)變的過(guò)程。一般情況下，地質(zhì)災(zāi)害體的蠕動(dòng)速率是小而穩(wěn)定的，當(dāng)突然增大時(shí)，則預(yù)示著災(zāi)害的即將到來(lái)。由于GPS技術(shù)的差分精度已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)，因而能夠滿足對(duì)蠕動(dòng)災(zāi)害體監(jiān)測(cè)的精度要求，目前已在滑坡、地面沉降、崩塌、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。利用GPS的連續(xù)信號(hào)，可以獲取經(jīng)度、緯度及三維坐標(biāo)，以坐標(biāo)、距離和角度為基礎(chǔ)，用新值與初始坐標(biāo)之差來(lái)反映目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。滑坡GPS監(jiān)測(cè)就主要是滑坡體與地表水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)。該方法可進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，具有全天候、高精度、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。此類技術(shù)目前較為成熟，精度較高。GPS技術(shù)還可以對(duì)礦區(qū)歷次發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位和測(cè)量，對(duì)遙感地質(zhì)填圖等進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，保證所獲數(shù)據(jù)空間位置信息的準(zhǔn)確性。由于獲得的是地質(zhì)災(zāi)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要依據(jù)之一。

RS作為地理信息和數(shù)據(jù)的獲取手段，能夠利用多平臺(tái)、多時(shí)相遙感影像特征更新信息，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。利用RS技術(shù)，可以獲取地貌特征的變化，能夠獲得礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的不同發(fā)展時(shí)期所形成的特殊微地貌在遙感圖像上的幾何形態(tài)特征。還可以獲得光譜特征，即了解不同物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、不同含水量、不同土地覆蓋狀況、不同發(fā)育時(shí)期的滑坡及其發(fā)育環(huán)境的光譜特征。通過(guò)對(duì)礦區(qū)的地物進(jìn)行光譜測(cè)量以及遙感圖像處理與解譯工作，可以更為準(zhǔn)確地表現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的宏觀及細(xì)部的幾何形態(tài)特征、與其他地物的空間結(jié)構(gòu)特征及其光譜特征。

這些GPS和RS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以時(shí)間序列為序，反映了不同時(shí)間的災(zāi)情和受災(zāi)范圍的變化。利用這些數(shù)據(jù)，能夠建立能表現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害獨(dú)立存在的地質(zhì)災(zāi)害辨識(shí)模型?；谠撃Ｐ?，可以進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域調(diào)查以及辨識(shí)。GIS技術(shù)作為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)數(shù)據(jù)集成的平臺(tái)，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，建立圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，將各種地理要素疊置于電子地圖上，并且與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)相聯(lián)系，將數(shù)據(jù)、文本、多媒體信息、圖像圖形集成于統(tǒng)一平臺(tái)上，進(jìn)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(chǔ)上，結(jié)合空間分析和模型，能夠直觀的顯示地質(zhì)災(zāi)害的范圍、影響、具體細(xì)節(jié)等，為防災(zāi)救災(zāi)服務(wù)，使防災(zāi)減災(zāi)指揮決策支持系統(tǒng)決策科學(xué)化。李媛媛等構(gòu)建了基于3S技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，取得了良好效果[1]。

2 生態(tài)環(huán)境治理中的3S技術(shù)應(yīng)用

礦山開(kāi)發(fā)所造成的生態(tài)破壞問(wèn)題，主要包括：植被的破壞、生物多樣性的減少、景觀生態(tài)的損害等。在礦山生態(tài)監(jiān)測(cè)和生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程中，3S技術(shù)能夠發(fā)揮重要作用。

由于綠色植被具有顯著的、獨(dú)特的光譜特征，RS技術(shù)作為植被調(diào)查的信息源，主要是通過(guò)植物的反射光譜特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同的植物以及同一種植物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，其反射光譜曲線形態(tài)和特征不同，而環(huán)境的改變也會(huì)引起植物反射光譜曲線的變化。利用植物這一特征，準(zhǔn)確獲得礦區(qū)植被的遙感影像特征信息。GPS可以實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地提供植被的空間位置，結(jié)合少量的實(shí)地調(diào)查，通過(guò)對(duì)遙感影像的處理，增加必要的地理要素信息，通過(guò)GIS的綜合分析，可以對(duì)礦區(qū)的植被類型、植物季相節(jié)律、植被演化等進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，了解礦區(qū)植被演化的動(dòng)態(tài)。在短時(shí)間內(nèi)，掌握礦區(qū)內(nèi)植被結(jié)構(gòu)、環(huán)境特征、區(qū)系組成及其演變規(guī)律，從而降低礦山開(kāi)發(fā)對(duì)植被的破壞。廖程浩對(duì)山西省陽(yáng)泉市煤炭開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)植被的影響范圍進(jìn)行了研究，認(rèn)為從對(duì)植被資源影響的角度出發(fā)，煤礦區(qū)的生態(tài)影響范圍是包括礦區(qū)邊線周邊500 m的空間區(qū)域。超過(guò)500 m距離后，植被資源受開(kāi)礦影響不明顯，但礦區(qū)外400～500 m范圍植被所受影響都在逐年加大的現(xiàn)象也應(yīng)引起重視[2]。

生物多樣性是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物與其生境密切相關(guān)，生境為生物提供了生存、繁衍及種群發(fā)展所需的資源；生物對(duì)環(huán)境具有依賴性，環(huán)境因子的變化能夠?qū)ι锏倪M(jìn)化和物種的形成產(chǎn)生重要影響，而礦山開(kāi)發(fā)活動(dòng)礦區(qū)的生境產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，因而礦區(qū)的生物多樣性研究很有必要。傳統(tǒng)的生物多樣性調(diào)查方法，主要是利用野外抽樣調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)以及各樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的匯總等，數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性都受到極大的限制。由于遙感各波段對(duì)植被光譜反射敏感，并且由于遙感大范圍、多時(shí)相和多波段的特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)調(diào)查方法的各種限制，獲得了理想的調(diào)查數(shù)據(jù)。珍稀野生動(dòng)物作為生物多樣性研究和保護(hù)的重點(diǎn)，因其數(shù)量少，生境復(fù)雜多變，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查難度大，效率低。利用GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航、準(zhǔn)確定位功能，引導(dǎo)調(diào)查人員實(shí)地調(diào)查，保證調(diào)查的準(zhǔn)確性。利用遙感圖像大范圍、全天候的特點(diǎn)對(duì)生境及棲息地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定與野生動(dòng)物密切相關(guān)的生態(tài)因子。利用GIS將種群數(shù)量、分布規(guī)律及礦區(qū)基本狀況聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，從而實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、低投入的礦區(qū)野生動(dòng)物現(xiàn)狀調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)在3S技術(shù)已經(jīng)成為生物多樣性研究中的一個(gè)重要手段[3]。

在礦山大規(guī)模開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常造成礦區(qū)原有生態(tài)景觀的嚴(yán)重破壞和一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，使作物的生境和非生境不斷發(fā)生變化，破壞了原有的生態(tài)景觀格局。針對(duì)礦區(qū)景觀破壞而進(jìn)行的生態(tài)修復(fù)，即景觀生態(tài)的修復(fù)，使以景觀單元空間結(jié)構(gòu)為基本單元，在充分認(rèn)識(shí)礦山開(kāi)采破壞以及生態(tài)系統(tǒng)損害原因的基礎(chǔ)上，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能，并輔以科學(xué)合理的工程修復(fù)技術(shù)，調(diào)整原有景觀格局或引進(jìn)新的景觀組分，改善受脅迫或受損生態(tài)系統(tǒng)的功能，將礦山開(kāi)發(fā)對(duì)景觀生態(tài)演化的影響進(jìn)入正常、合理、健康的發(fā)展過(guò)程，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。由于景觀生態(tài)的修復(fù)尺度大，傳統(tǒng)的方式耗時(shí)多、強(qiáng)度大、費(fèi)用高。而RS不受地面條件的限制，范圍大，可以獲得可見(jiàn)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(diǎn)，直接對(duì)遙感圖像定位；GIS強(qiáng)大的空間分析及圖像處理功能，則恰好滿足了景觀生態(tài)修復(fù)對(duì)大尺度生態(tài)學(xué)研究的要求。利用3S技術(shù)，可快速準(zhǔn)確地掌握露天礦區(qū)土地利用的時(shí)空結(jié)構(gòu)、不同時(shí)期不同土地類型的轉(zhuǎn)移情況及其發(fā)展趨勢(shì), 為大型露天礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建規(guī)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(jiān)測(cè)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(qū)分、排土場(chǎng)的土地復(fù)墾評(píng)價(jià)等信息[4]。侯湖平等利用3S技術(shù)，分析采礦對(duì)礦區(qū)景觀生態(tài)影響的變化規(guī)律， 從生態(tài)修復(fù)適用范圍、模式、技術(shù)等方面，提出徐州城北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的策略[5]。

3 礦區(qū)環(huán)境治理中的3S技術(shù)應(yīng)用

礦山資源的大規(guī)模應(yīng)用，容易產(chǎn)生大氣和水的環(huán)境污染問(wèn)題。

利用地物的波譜測(cè)試數(shù)據(jù)、彩色紅外遙感圖像及少量常規(guī)大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可獲取關(guān)于礦區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的基本數(shù)據(jù)，在GIS 中應(yīng)用相應(yīng)的空間分析與評(píng)價(jià)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，可以對(duì)礦區(qū)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(duì)礦區(qū)的有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)有害氣體的研究通常用間接解譯標(biāo)志進(jìn)行， 即用植物對(duì)有害氣體的敏感性來(lái)推斷礦區(qū)大氣污染的程度和性質(zhì)。盛業(yè)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(cè)量、干濕溫度計(jì)氣溫測(cè)量的數(shù)據(jù), 進(jìn)行礦區(qū)地面熱場(chǎng)特點(diǎn)及其對(duì)大氣污染影響的分析評(píng)價(jià), 取得了良好的效果[6]。

利用3S技術(shù)可對(duì)礦區(qū)廢水污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)。廢水由于水色與懸浮物千差萬(wàn)別，特征曲線上的反向峰位置和強(qiáng)度也大不一樣。對(duì)水的污染狀況一般用RS技術(shù)的多光譜合成圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 GIS技術(shù)還可以利用礦區(qū)基本圖像對(duì)礦區(qū)廢水的擴(kuò)散進(jìn)行研究。此外，利用RS、GPS 及常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以GIS 為信息處理平臺(tái)，還可以對(duì)礦區(qū)水域分布的變化和水體沼澤化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、泥沙污染等進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)來(lái)改造、提升作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的礦業(yè), 一直是我國(guó)礦業(yè)界廣大科技工作者所共同關(guān)注的問(wèn)題?？梢灶A(yù)料, 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展, 為響應(yīng)國(guó)家提出的綠色礦山建設(shè)要求，3S 技術(shù)將會(huì)在礦山環(huán)境治理領(lǐng)域迅速推廣應(yīng)用，從而有力地促進(jìn)我國(guó)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 李媛媛，李晉，劉新華，等. 基于3S 技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 災(zāi)害學(xué)，2006，21(4)：28-30.

[2] 廖程浩, 劉雪華. 陽(yáng)泉煤炭開(kāi)采對(duì)區(qū)域植被影響范圍的3S識(shí)別[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2010，25(2):185-191.

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

[4] 馬從安, 才慶祥. 露天礦生態(tài)恢復(fù)監(jiān)測(cè)的研究進(jìn)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(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(4)：504-510.

[6] 盛業(yè)華, 郭達(dá)志, 韓國(guó)建. 工礦城市地面熱場(chǎng)的遙感調(diào)查及其對(duì)大氣污染的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，1995，16 (3)：19-22.