3S技术在矿山生态修复治理中的应用

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3S技术在矿山生态修复治理中的应用
钟卓成
摘要:随着生态问题的凸显,矿山生态修复与治理工作也被提上了日程,虽然我国矿山治理工作已经取得了一定成效,但是由于我国矿山众多、矿山修复与治理工作用时长等众多原因,我国的矿山治理与修复工作还处于起始阶段。

近年来,地理信息技术在矿山治理与修复工作中起到了一定作用,矿山修复与治理人员对其重视程度有所增加。

基于此,本文对几种常见的地理信息技术在矿山修复与治理工作中的应用进行研究。

关键词:地理信息技术;地理信息系统;矿山生态修复与治理
矿产资源在我国经济发展与建设过程中起到了举重若轻的作用,但是,在矿产资源支撑我国进行经济建设与发展的过程中,部分企业在矿产资源的开采过程中,由于没有注意矿山生态环境的保护与修复,导致了我国许多废弃的矿山开采区都存在十分严重的生态问题。

随着我国对生态问题的重视程度的不断提高,很多企业在矿产的开采过程中已经开始注重对矿山生态环境的修复与治理。

国家也开始针对一些废弃的矿山进行生态治理与修复工作。

伴随我国科学技术的进步与地理地质行业的发展,我国的矿山治理工作颇显成效。

3S等新技术在矿山生态修复治理中具有一定优势,基于此,本文针对矿山生态修复治理工作中3S等新技术的应用展开了论述。

1 矿山环境治理现存问题
1.1 矿山开采监管制度需落实到实处
多年来,我们国家对矿山开采的开发申请和监督管理,在制度上面不够完善,从而造成了不合理开采现象的出现,资源没有得到合理的利用,还造成了环境污染、生态破坏。

因为有些单位不论是从开采条件上还是从开采的规范性上,都没有达到合理的标准,其中存在对条例的漏洞“被钻了空子”的现象。

相关部门也有从这上面拨出资金支持采矿恢复项目,但杯水车薪,还是应该从源头上整治,把采矿的相关制度得到落实。

1.2 不能先开采后治理
许多矿山单位在开采前没有进行相应的环境调查,也没有该处采矿可能引发的环境影响预测报告。

因此后续才出现很多环境问题,这是因为前期调查人员没有责任心,矿企开采制度不严格,勘查技术落后等。

虽然经济发展很重要,但是如果没有了生态,会导致经济损失较大。

1.3 矿山环境治理技术的应用不够广泛
环境治理工作本身较为复杂,治理过程中的难度系数较高。

与一般区域相比,矿山区域的环境条件要更加恶劣,实际治理过程中也会面临更多的问题。

所以,一般的治理技术在矿山区域很难起到良好的作用,与矿山环境治理有关的技术当前发展还不够全面,致使国内在矿山区域开展的环境治理工作很难良好地开展。

2 3S技术技术概述
3S技术是遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)以及全球定位系统(GNSS)三种技术的简称。

3S技术同时具备通讯、计算机、传感器技术以及空间技术等多种现代化技术,能够多学科、高集成性地对空间信息进行传递、运用、获取、分析与管控。

随着3S技术的持续发展,这一技术被普遍应用于多个领域,尤其在矿山环境治理方面有着良好的发展前景。

在矿山开发的过程当中,可能会带来各类环境问题,对区域环境造成破坏,重点包含了环境污染、地质灾害以及生态破坏三个方面的问题。

本次研究收集调查了与矿山环境治理以及3S技术有关的文献资料,并以此为基础,对3S技术与矿山环境治理的综合应用展开了探讨。

2.1 遥感技术
遥感技术( RS )是一种通过人造卫星或者飞机等飞行器来收集地面的电磁辐射信息来对地球环境与资源情况做出判断的技术。

而用于完成遥感工作的完整设备统称为遥感系统。

常见的遥感系统有航天遥感系统,这类遥感系统能够从不同高度完成大范围内的感测工作,从而采集体量较大的数据信息。

不仅如此,航天遥感还具备在一个较短的时间间隔下,重复性获取地面实时地物信息的功能,因而在一定程度上能起到地面监控的效果。

现阶段遥感技术在气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等方面得到了比较广泛的应用。

2.2 地理信息系统
地理信息系统(GIS)它是地理学和制图学、遥感和计算机科学的综合性集成系统。

GIS作为一种信息工具用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统,它可以对空间信息进行分析和处理,对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析。

现在已经被应用到不同的领
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域。

而随着信息时代的发展,GIS也叫“地理信息科学”。

2.3 全球定位系统
全球定位系统(GNSS)现阶段已经得到了广泛的应用,在一定程度上已经取代了传统的大地测量与天文测量导航定位技术。

GNSS不但定位准确,而且操作方便,能够借助网络实现智能化测量,在矿山修复与治理过程中的定位、测量等方面得到了广泛的应用。

2.4 三维激光扫描技术(TLS)
三维激光扫描技术作为一种新兴的测绘地理信息技术,在测量功能上远远超过GNSS等测绘技术。

该技术具有测量范围大、测量视角广、无接触测量等优点,而被广泛应用于各行各业。

该技术在矿山测量工作中也得到了广泛应用。

(1)完成山体立面测量工作。

作业员无法使用GPS仪器测绘攀爬岩体的立面,而使用全站仪免棱镜方式测量存在精度及效率问题。

而使用三维激光扫描技术,能够大面积、远距离进行矿山立面扫描,在一定程度上弥补了传统测绘方式的不足。

能够为矿山的治理与修复工作提供基础数据。

(2)海量点云数据。

三维激光扫描技术能够实现海量点云数据的采集,有效提高矿山数据采集工作的精准度。

如徕卡C10三位激光扫描仪采集720度全景点云数据,有效距离为300m,18%反射率,5万点/s的扫描速度,单站可获取千万数量级的点云。

相对于传统单点测绘方式,海量点云数据更能反映真实矿山地表信息。

33S技术在矿山修复治理中的应用
3.1 3S技术在矿山管理、监测中的应用
(1)准确判断地下塌陷的位置。

矿山开采工作对于矿山生态的破坏主要体现在地表与地下,其对地表的破坏主要表现在于对地表的植被、地形的严重破坏以及地表的塌陷。

而对于地下水的破坏主要表现在开采过程中导致的采空区的出现。

而地表塌陷的出现主要是由于地下采空区的存在。

在遥感影像中,塌陷区与其周遭区域在颜色上存在较大的差异,肉眼就能进行鉴别,因此矿山生态修复与治理人员可以直接通过RS遥感技术来获得遥感影像,再结合TLS三维激光扫描技术,确认矿山地区的塌陷位置。

(2)合理开展治理工程规划。

能够较为宏观地对矿山地区的地表特征进行呈现是遥感技术的一大优势之一。

因此,在治理与修复矿山的过程中,当处于治理方案论证阶段时,可以通过遥感技术完成多种治理方案的快速制定。

而且,在接下来的治理与修复计划详细化的过程中,也能够利用遥感技术形成的3D影像来对矿山地区的现场环境进行还原,进而使得规划设计的速度以及实用性都得到一定程度的提升。

采用地理信息系统技术能够对遥感影像进行科学、高效的分析,并绘制出相应的土壤侵蚀强度、植被覆盖度等图件,结合图像能够对治理矿山的生态环境做出更加合理的评价,从而使得治理工程的规划更具针对性与准确性。

(3)对治理成效的长期监测。

矿山生态环境的治理与修复工作是一个长期工作,在完成初步建设工作后,大概需要两年到五年的时间,矿山的植被、水土等对矿山的生态状况起着决定性作用的因素才能得到较好地恢复。

因此在这两年到五年里负责矿山生态治理与修复的工作人员需要针对矿山植被以及水土等问题的恢复情况进行监测。

考虑到开展长时间的矿山生态修复与治理的工程监测会造成人力成本、设备成本的增加。

而针对我国现存的能够完成检测工作的技术进行综合性考虑,使用遥感技术,不但操作简单,而且所需要的人力成本与设备成本相对较低。

通过卫星影像或者现阶段被广泛应用于各类勘探与监控工作的无人机,来完成数据的采集与输入工作,不需要进行相应的野外调查以及野外数据采集,因此能够使得检测成本显著降低。

而且通过遥感技术获得的遥感影像,还能针对植被指数、覆盖度等重要参数信息进行有效提取,然后通过这些重要参数建立矿山地区的生态弹性度等模型。

3.2 3S技术在矿山修复与治理中的应用
(1)RS遥感技术在矿山修复治理中的应用。

绿色植物的光谱与矿山地区其他植物的光谱存在较大的差异,而且随着植物种类的不同以及生长发育阶段的变化其反射光谱也会存在较大差异,植物生存环境的变化也能引起光谱的变化。

而借助遥感(RS)能够获取其光谱影像。

因此可以将3S技术用于植物多样性以及植物生长状态与分布状态的监测,通过植被的光谱反射现象确认植被的实际情况。

(2)GNSS在矿山修复治理中的应用。

GNSS则可以提供植被具体空间位置的实时信息,可以借助于少量的野外调查相结合来增加监测植物与生物多样性过程中所需要的相关矿山地理信息,完成信息采集工作后,可以应用GIS地理信息系统针对矿山周遭的植被类型、植物季相节律、植被演化等情况展开分析,从而对矿山周遭的植被状态以及植物种类做出有效判断。

由于3S技术的信息获取与分析速度较快,能够实现对矿山周遭地区植被状态与植物种类的实时监测。

(3)三维激光扫描技术(TLS)在矿山修复与治理中的应用。

三维激光扫描技术在矿山修复与治理中发挥了较大的价值,该技术在矿山数字化和地图测绘方面获得了较为丰富的成果。

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其一,三维激光扫描技术在矿山的修复与治理过程中,该技术能够完成矿山复杂地形的测量工作,将使用该技术所获取的数据分别应用移动最小二乘法、拟合地形表面的DEM方法以及三次B样条曲线拟合地形等高线方法等方法展开数据分析,能够得到矿山数字地形图、DEM数据以及等高线等成果。

其二,使用三维激光扫描技术测量针对采空区的体积相关数据进行采集后,可以通过三维模型的建立完成对采空区体积的计算工作。

其三,三维激光扫描技术在矿山的修复与治理过程中能够通过对矿山的空区形状、方位、埋深等参数,给接下来的空区治理工作提供相应的数据信息。

3.3 ARCGIS与MAPGIS在矿山治理与修复中的应用
矿产作为我国重要的资源,主要存在分布范围广,分布不均匀;贫矿多,富矿少;单一矿源少,共生矿源多等特点。

随着一些富矿与浅层矿的开采完毕,矿山资源开发企业,开始针对一些埋藏深的贫矿进行了开发。

由于开采程度与开采深度的增加以及矿山地区本身地质条件较为复杂,在矿产资源的开发过程中,会对矿山生态环境造成了比较严重的破坏,甚至引发了一系列地质灾害的出现。

因为矿山地质环境比较复杂,又面临着地下水以及采空区的威胁,使得在完成矿山的修复与治理工作的过程中,需要整理和查看的数据类型众多,涵盖了地质、采矿、测绘、经济、建设、生产与管理等多方面的数据。

一旦出现文字、图像等数据丢失的情况,不但会给矿山开发企业带来巨大的损失,还会给矿山开采过程中以及矿山开采结束后的修复与治理工作带来巨大的难度。

矿山数据的保存对于矿山生态环境的治理与修复具有十分重要的意义。

例如,采空区的修复工作,地下水的治理工作以及塌陷区的复垦工作的开展都需要通过矿山数据对矿山的情况进行科学、合理的分析,如果缺失矿山数据,生态环境的修复与治理工作将无法展开。

而且即便不存在数据的缺失,想要在大体量的矿山数据中找到所需要的数据,并针对数据进行相应的处理、分析也是较为困难的。

MGIS与MAPGIS等地理信息系统的使用能够解决这一问题。

(1)MAPGIS在矿山治理与修复中的应用。

MAPGIS 在矿山数据的处理与分析上具有以下几点优势。

其一,MAPGIS地理信息系统支持扫描矢量化和数字化仪矢量化、边矢量化等数据转化功能,并且在完成相关操作后,能够自动完成数据库中相关数据信息的格式上的转化。

其二,MAPGIS地理信息系统在针对与矿山某一条件相关的数据进行数据属性、数据内容以及与数据相关的图形上的增删与修改后,该系统能够自动完成与后台数据库的对应工作。

其三,MAPGIS地理信息系统存在能够完成DXF格式的图形数据转换工作的接口。

其四,对在其它系统中编辑好的图形数据只要基本表结构与本系统要求的一致,便可通过批处理建立与后台数据库的对应关系。

(2)ArcGIS在矿山治理与修复中的应用。

现阶段,相关人员在针对矿山生态环境的修复与治理的方案制定过程中,还是更习惯于使用较为传统的数学估算法针对矿山中塌陷区的面积,但是由于这些塌陷区的地理位置的差异以及倾斜角度的不同,传统的数学计算存在较大误差,这不利于矿山生态的修复与治理方案的展开。

ArcGIS中存在一个可以给三维可视化、三维分析及表面生成等数据处理手段做出专业分析的扩展模块3DAnalyst。

这一模块能够完成矿山数据信息的可视化和分析。

在进行塌陷区的坡度确认工作时,就可以通过该模块完成矿山塌陷区的坡度提取与计算工作。

通过该模块获取的塌陷区坡度在准确度上远远高于传统的数学计算。

在明确了塌陷区的倾斜角度后,针对塌陷区的面积计算也会更加准确。

4结语
现阶段,由于我国人口基数大、经济发展速度较快,对矿产资源的需求不断增多,导致了我国很多矿山都出现了矿产资源开发不科学的情况,这使得我国矿山生态环境遭受了严重的破坏。

基于此,相关部门必须积极开展矿山生态的修复与治理,推动生态与发展之间的和谐共进。

矿山生态的修复与治理工作不仅有利于推动土地资源的再利用,缓解我国现阶段较为严重的土地资源紧张问题,还有有利于我国生态效益与经济效益的增加。

传统3S技术(RS、GIS、GNSS)、三维激光扫描技术(TLS)等重要的地理信息技术日新月异,以及MAPGIS、ArcGIS等地理信息技术与平台,在矿山生态的修复与治理过程中发挥了比较重要的作用。

目前我国矿山修复与治理的手段与技术还有待提升,相关人员应针对地理信息技术进行更加深入的研究,使得地理信息技术在矿山治理过程中发挥更大的作用。

(作者单位:南昌市土地测绘工程公司)
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