孟 猛，宗美娟

(1.山東理工大學，山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學院，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)的有機結(jié)合，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導航技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)等相結(jié)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(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。

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

1 地質(zhì)災(zāi)害治理中的3S技術(shù)應(yīng)用

礦山開發(fā)強烈地改變了礦區(qū)地質(zhì)體的應(yīng)力系統(tǒng)，導致礦區(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)害的實時監(jiān)測和預(yù)測預(yù)警中。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是緩慢蠕動的地質(zhì)體從量變到質(zhì)變的過程。一般情況下，地質(zhì)災(zāi)害體的蠕動速率是小而穩(wěn)定的，當突然增大時，則預(yù)示著災(zāi)害的即將到來。由于GPS技術(shù)的差分精度已經(jīng)達到毫米級，因而能夠滿足對蠕動災(zāi)害體監(jiān)測的精度要求，目前已在滑坡、地面沉降、崩塌、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用。利用GPS的連續(xù)信號，可以獲取經(jīng)度、緯度及三維坐標，以坐標、距離和角度為基礎(chǔ)，用新值與初始坐標之差來反映目標的運動。滑坡GPS監(jiān)測就主要是滑坡體與地表水平位移和垂直位移的監(jiān)測。該方法可進行連續(xù)監(jiān)測，具有全天候、高精度、全自動等優(yōu)點。此類技術(shù)目前較為成熟，精度較高。GPS技術(shù)還可以對礦區(qū)歷次發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進行現(xiàn)場定位和測量，對遙感地質(zhì)填圖等進行實地驗證，保證所獲數(shù)據(jù)空間位置信息的準確性。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)測預(yù)報的主要依據(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、多時相遙感影像特征更新信息，也可以實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測。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)育時期的滑坡及其發(fā)育環(huán)境的光譜特征。通過對礦區(qū)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(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的宏觀及細部的幾何形態(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)測數(shù)據(jù)以時間序列為序，反映了不同時間的災(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)害獨立存在的地質(zhì)災(zāi)害辨識模型。基于該模型，可以進行地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域調(diào)查以及辨識。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，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，建立圖形數(shù)據(jù)庫，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(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

礦山開發(fā)所造成的生態(tài)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(tài)的損害等。在礦山生態(tài)監(jiān)測和生態(tài)恢復(fù)的過程中，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，主要是通過植物的反射光譜特征來實現(xiàn)的。不同的植物以及同一種植物在不同的生長發(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(qū)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(jié)合少量的實地調(diào)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(qū)的植被類型、植物季相節(jié)律、植被演化等進行監(jiān)測、分析，了解礦區(qū)植被演化的動態(tài)。在短時間內(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，從而降低礦山開發(fā)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(qū)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(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500 m距離后，植被資源受開礦影響不明顯，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；生物對環(huán)境具有依賴性，環(huán)境因子的變化能夠?qū)ι锏倪M化和物種的形成產(chǎn)生重要影響，而礦山開發(fā)活動礦區(qū)的生境產(chǎn)生強烈變化，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)試驗以及各樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的匯總等，數(shù)據(jù)的現(xiàn)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(tǒng)調(diào)查方法的各種限制，獲得了理想的調(diào)查數(shù)據(jù)。珍稀野生動物作為生物多樣性研究和保護的重點，因其數(shù)量少，生境復(fù)雜多變，進行實地調(diào)查難度大，效率低。利用GPS實時導航、準確定位功能，引導調(diào)查人員實地調(diào)查，保證調(diào)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(jiān)測，確定與野生動物密切相關(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)系起來進行系統(tǒng)的分析，從而實現(xiàn)高效、準確、低投入的礦區(qū)野生動物現(xiàn)狀調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測?，F(xiàn)在3S技術(shù)已經(jīng)成為生物多樣性研究中的一個重要手段[3]。

在礦山大規(guī)模開發(fā)過程中，經(jīng)常造成礦區(qū)原有生態(tài)景觀的嚴重破壞和一系列的生態(tài)環(huán)境問題，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。針對礦區(qū)景觀破壞而進行的生態(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，在充分認識礦山開采破壞以及生態(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，并輔以科學合理的工程修復(fù)技術(shù)，調(diào)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(tài)系統(tǒng)的功能，將礦山開發(fā)對景觀生態(tài)演化的影響進入正常、合理、健康的發(fā)展過程，實現(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(tài)修復(fù)對大尺度生態(tài)學研究的要求。利用3S技術(shù)，可快速準確地掌握露天礦區(qū)土地利用的時空結(jié)構(gòu)、不同時期不同土地類型的轉(zhuǎn)移情況及其發(fā)展趨勢, 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、排土場的土地復(fù)墾評價等信息[4]。侯湖平等利用3S技術(shù)，分析采礦對礦區(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)境污染問題。

利用地物的波譜測試數(shù)據(jù)、彩色紅外遙感圖像及少量常規(guī)大氣監(jiān)測數(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)的空間分析與評價模塊進行數(shù)據(jù)處理和分析，可以對礦區(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，還可對礦區(qū)的有害氣體進行監(jiān)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(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量、干濕溫度計氣溫測量的數(shù)據(jù), 進行礦區(qū)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(shù)可對礦區(qū)廢水污染進行監(jiān)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(shù)的多光譜合成圖像進行監(jiān)測。 GIS技術(shù)還可以利用礦區(qū)基本圖像對礦區(qū)廢水的擴散進行研究。此外，利用RS、GPS 及常規(guī)監(jiān)測技術(shù)，以GIS 為信息處理平臺，還可以對礦區(qū)水域分布的變化和水體沼澤化、水體富營養(yǎng)化、泥沙污染等進行綜合監(jiān)測。

4 結(jié)語

如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)來改造、提升作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的礦業(yè), 一直是我國礦業(yè)界廣大科技工作者所共同關(guān)注的問題。可以預(yù)料, 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展, 為響應(yīng)國家提出的綠色礦山建設(shè)要求，3S 技術(shù)將會在礦山環(huán)境治理領(lǐng)域迅速推廣應(yīng)用，從而有力地促進我國礦業(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)測信息系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 災(zāi)害學，2006，21(4)：28-30.

[2] 廖程浩, 劉雪華. 陽泉煤炭開采對區(qū)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(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(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報，2010，39(4)：504-510.

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