摘要：本文在概括3S（GIS、RS、GPS）技术与矿山地质灾害的类型的基础上，全面介绍“3S”技术在矿山地质灾害评估、监测、预警和防治方面的应用，指出在Web-GIS环境下，“3S”技术集成技术促进我国地质灾害评估监测防治信息化的全面提速。
关键词：3S技术 矿山地质灾害 评估 检测 防治
中图分类号：TP7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0093-03
3S技术是地理信息系统（Geography information systems，GIS）、全球定位系统（Global positioning systems，GPS）和遥感技术（Remote sensing，RS）的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，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技术的发展，将全球卫星定位系统、地理信息系统、遥感技术紧密结合的“3S”一体化技术已显示出广阔的应用前景。将RS、GIS、GPS三种独立技术系统集成，构成一个强大的技术体系，实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。我国经济持续发展30年是我国矿业的快速发展期，在为经济社会发展提供资源保障的同时，也累积了严重的矿山地质环境问题，其中矿山地质灾害已经成为制约矿业经济可持续发展的重要因素，因此，加强对矿山地质灾害评估和检测防治工作，不仅对矿山环境地质灾害减少、对矿山及其周边环境的改善有重要积极意义。近年来，以“3S”技术为代表的信息化新技术日趋成熟，已成为矿山环境地质领域的重要技术手段。
1 3S技术概况
“3S”技术的技术集成实现了动态化、可视化、共享化、不同层次的高新技术在矿山环境地质的应用。
1.1 地理信息系统（GIS）
地理信息系统（GIS）是基于计算机系统平台，以数据库作为数据储存和使用的数据源，在计算机支持下对空间地理数据进行管理、处理、分析并由计算机程序模拟常规的专业性的全球空间分析即时技术，以解决矿山地质灾害信息查询、处理和预测等相关技术问题的信息系统。该系统从属性数据和空间数据信息的有效获取、储存、查询和处理入手，提供矿山地质灾害的动态信息显示、对地质环境做出相应的评价、区划，以及地质灾害的预测，从而为国家矿山相关部门提供决策服务[2]。
1.2 全球定位系统（GPS）
全球定位系统（GPS）是由空间部分、地面控制系统和用户设备部分3部分组成。此系统用于在任何时间，向地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息，或给用户提供其邻近者的这种信息。由处于2万千米高度的6个轨道平面中的24颗卫星组成。根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，接受多个卫星电波信号，以确定待测点的位置的技术。具有全天侯作业、定位精度高、实时定位、功能多、用途广、观测时间短、无需通视、可提供三维坐标等特点。广泛用于提供野外地理信息的测绘领域。
1.3 遥感技术（RS）
遥感技术（RS）是以航空摄影技术为基础，以目标物，传感器和测量方法为因素，利用机载遥感、星载遥感和地面遥感传感器，根据不同物体对波谱产生不同响应的原理。从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物，探测地面物体性质和周边环境的空间探测技术。具有探测范围广、采集数据快、能动态反映地面事物的变化、获取的数据具有综合性、获取信息的手段多，信息量大、成图速度快等特点。其应用领域随着空间技术发展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的发展及相互渗透。广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域。
综上所述：GPS用于快速、实时定位地质灾害目标；RS用于及时发现矿山环境的变化，对GIS数据库进行更新，最后GIS对多种来源的数据进行处理、管理、储存、分析、输出，从而运用于各领域。3S技术的集成，构成了整体的、适合动态的对地观测、分析和应用的系统，相对过去的人工野外勘测，数据采集、图件绘制的方式，在自动化、系统化、完备化程度上有了显著的提高。
2 矿山地质灾害的类型
根据矿山地质灾害的成因和空间分布将矿山地质灾害分为四类[1]即岩土体变形导致的灾害，包括矿山地面、采空区塌陷、地面塌陷、地表沉降、采矿场边坡失稳、滑坡与岩崩、坑内岩爆、场库失稳等、地表环境恶化采矿诱发地震。例如广西大厂矿田新洲塌陷；不合理开采引起的环境地质灾害问题，如土地资源的占用和破坏、粉尘及酸性水污染，大厂矿属于碳酸盐岩矿山，存在着尾矿酸化及由酸化所引起的环境问题，研究表明由于尾矿酸化释放的酸水中含有由金属硫化物氧化及碳酸盐矿物溶解产生的SO42-、HCO3-，以及金属离子（Fe、Al、Mn、Ca等），生成的硫酸盐（及复杂硫酸盐）、碳酸盐、氢氧化物等稳定次生矿物（如石膏、水绿矾等）；地下水位改变引起的灾害问题，如矿坑突水涌水、坑内溃沙涌泥、环境污染，发生于2001年7月17日的大厂拉甲坡锡矿的特大透水矿难；矿体内因引起的灾害问题，如矿坑火灾、地热和煤矿常见的瓦斯爆炸。
3 3S技术在矿山地质灾害评估、监测与防治中的应用
GIS可组成地理位置、地形地貌、地层岩性、地质构造、滑坡、泥石流、岩溶渗漏分段等项目，每个项目又可由视图、表格、图表、制图等文档组成，系统具有库区地质资料管理、各类统计分析、大型滑坡稳定性分析及三维模型分析等功能。利用GIS的各种功能，建立地质灾害空间信息管理系统、管理地质灾害调查资料，显示并查询地质灾害的空间分布特征信息，评价地质灾害的危害程度、地质灾害易发程度分区，地质灾害风险性、分析地质灾害和影响因素之间的关系，提出减轻和防治地质灾害的措施，对将来可能发生的地质灾害进行预警监测，以及地质灾害应急指挥工作等地质灾害评估和防治中。
3.1 GIS地质灾害信息管理、评估、监测与防治中的应用
地质灾害信息分析是涉及地质、地貌、气象、水文、人类活动等诸多领域，然而面对大量复杂的信息、模型、数据结构和类型，如何对其高效的进行多层次综合分析处理，过去的数据存储和管理方式已经不能满足需要。因此GIS所具备的能够存储、处理、分析、计算和成图显示空间数据而著称的地理信息系统，为这一问题提供了一个良好的平台和方法。GIS以数据库作为数据储存和使用的数据源，利用GIS强大的空间数据管理功能，对大量存储在数据库的信息进行有效的获取、处理和查询，并很好的解决其相关性，复杂性，使各种地质灾害信息可以有效的获取、存储、处理、查询，从而实现地质灾害分析的实时性、动态性、多源性的特征。主要应用如下：
3.1.1 地质灾害的危险等级区划评估
基于GIS技术采用灰色聚类分析、模糊综合分析、信息嫡评判、层次分析法方法来计算地质灾害危险性指数，来分析评价区的地质灾害危险性程度，构建矿山地质环境评价模型。对研究区进行地质灾害危险性等级的划分，为地质灾害的管理、防治和预警决策提供技术支持。例如矿山形态分析，用于萃取由地表形态反映出地貌特征参数，包括数字标高模式（DEM）以及面向DEM的各种地貌参数：坡度、坡向、起伏度等；矿山区域评估，根据单个或多个地貌特征分析，评估矿山环境对农林、建筑、工程、居住条件、土地资源的影响，以及评估对各种矿山地质灾害发生、发展以及防治的影响；矿山地质灾害成因分析，内动力成因分析：由地壳内部能产生内动力，利用有效元素法对矿山内动力成因分析，从几何效应和力学基质分析矿山格局和骨架。外动力成因分析：地球受重力以及人类活动影响，人类不合理开采，滞后的保护机制造成地质灾害的发生；矿山地质灾害的预测，采用理论矿山地质灾害预测模型，以成因分析为基础，采用树立模型进行整体和局部模拟；利用系统矿山地质灾害预测模型，在历史数据的基础上，采用统计分析方法，预测发展趋势。在灾害预测中需要收集相应的矿山地质信息，计算灾害强度和持续时间，以及在历史过程中灾害发生的情况；矿山地质灾害的评估，需识别灾害类型、源地，然后创建相应模型，并根据受损程度评估灾害等级。
3.1.2 地质灾害危险性评价
地质灾害危险性评价是通过对地质灾害活动程度以及各种活动条件的综合分析，评价地质灾害活动的危险程度，确定地质灾害活动的密度、强度（规模）、发生概率（发展速率）以及可能造成的危害区的位置、范围[3]。GIS技术将各种地质灾害信息，与各种致灾环境因素相联系，从空间和时间上评估矿区内易引发地质灾害的采空区、不稳定区域等危险源，分析其类型和特征以及发生的概率、强度、密度、以及灾害经济损失。GIS空间分析不仅反映了地质灾害危险性程度的现势规律，而且实现了对该区域地质灾害的空间和时间上的预测。将GIS作为地质灾害危险性评价的分析工具，可以加速危险性评价的过程，提高危险性评价的精度，并通过危险性制图来反映评价的结果，具有直观性。
3.1.3 GIS在地质灾害监测与防治中的应用
借助GIS的叠加分析以及空间统计分析等功能，通过WebGIS（万维网地理信息系统）把分布在国土资源部门的地质灾害数据、气象部门的降雨数据、测绘部门的空间数据等有机地集成起来，建立历史灾情数据库，对地质灾害的发展趋势进行预测，实现地质灾害的动态评估，从而实现地质灾害的实时监测和预警。在地质灾害预警中将RS与GIS相结合。RS动态更新和提供地质灾害空间数据，GIS提供数据。GIS用于遥感信息的自动提取，对遥感解译的地质灾害信息进行分析。GIS使各种地质灾害空间数据在同一空间环境中进行集成分析，综合处理。
当灾害发生时，GIS强大的信息分析处理功能能够帮助指挥者指挥物资输出、指挥应急救援、进行人员管理等更为准确的信息。应急管理系统对突发灾害进行科学预测和危险性评估，从而动态生成优化的事故处置方案和资源调配方案，以及未来害发展趋势、预期后果、干预措施、应急决策、预期救援结果评估等信息。实现救援资源科学有效的调度，提高抢险救灾应变能力实现行动行救灾的最优化。
3.2 遥感技术（RS）的应用
随着遥感技术朝着多光谱、高分辨率、多时像和商业化服务方面发展，更加显示其具有动态、多时相采集空间信息的能力，遥感信息已经成为GIS的主要信息源，RS与GIS的综合应用可以贯穿于地质灾害调查、监测、预警、评估的全过程，获取大范围数据资料、时效性强、具数据综合可比性、经济性特点。
3.2.1 遥感技术在滑坡、泥石流、地裂缝、崩塌等地质灾害调查和监测应用
利用遥感技术克服了地形、气候、观测条件的限制，可以实现大范围的滑坡区域调查以及针对滑坡不同阶段实行动态监测。在遥感影像上，滑坡常常沿着地球应力形变的形迹——线性构造分布，是一种斜坡变形形式，并多产在不稳定物质覆盖的地区，如山地、丘陵地区的斜坡等。期望通过遥感预测每一次滑坡的发生相当困难，但通过对不同时相遥感资料的对比分析，就可以对地表线性构造和不稳定物质覆盖区进行解译和判断，从而预测、圈定滑坡地质灾害易发区，对已发生的滑坡地质灾害进行调查。
“数字滑坡”遥感检测技术，就是以遥感（RS）和空间定位（GPS或地面控制）方法为主，结合其它调查手段所获取的滑坡基本信息；利用GIS技术存贮和管理这些信息；在此基础上，根据滑坡地学原理进行空间分析，服务于滑坡调查、监测、研究、滑坡灾害评价、危险预测、灾情评估、减灾和防治等。大致可分为4部分：识别滑坡、滑坡基本信息获取、信息存贮和管理及空间分析。
矿区山高坡陡，岩石破碎，有丰富的松散固体物质，一旦矿区流域、沟谷进入雨季。山洪暴发、强大暴雨、融冰等导致大量的水资源的汇集。暴发大规模泥石流的几率变高，直接威胁着矿区的安全生产和生命安全。泥石流的遥感调查方法可以采用直接解译法、动态对比法和干涉雷达等方法。泥石流的形成必须同时具备三个要素：汇水区内有丰富的松散固体物质、有陡峻的地形和较大的沟床纵坡、流域中上游有强大的暴雨，急骤的融雪、融冰或水库的溃决。从航片上可直接解译泥石流，标准型的泥石流流域可清楚地看到供给区、通过区、沉积区的情况。泥石流形成区一般呈瓢形，山坡陡峻，岩石风化严重，松散固体物质丰富；通过区沟床较直，纵坡较形成地段缓，但较沉积地段陡，沟谷一般较窄，两侧山坡坡表较稳定沉积区位于沟谷出门处，纵坡平缓.常形成洪积扇或冲出锥，洪积扇轮廓明显，呈浅色调，扇面无固定沟槽，多呈漫流状态[4]。可见，遥感技术易于识别泥石流的灾害程度，有利于灾害检测、防治。
在地裂缝、崩塌动态监测方面前景广阔：由于地下开采和露天采矿，岩体变形导致的地裂缝，造成的采空区塌陷、地面塌陷是矿区安全管理的重要方面。遥感技术在其中可实现采矿崩塌、地裂缝的动态监测。地裂缝发育特征受地质条件、地下采空区特征等因素控制。一般地面塌陷范围与地裂缝级别相辅相成，地面塌陷区范围大，则地裂缝规模随之增大，而往往随着地裂缝的增大，又可能带来另一次的崩塌。遥感技术实时、动态监测着地裂缝和塌陷地的具体情况。且与GIS相结合，以高分辨率的遥感图像提取地裂缝、塌陷地，应用光谱特征、地学特征与信息、领域和专家知识及其他统计数据辅助进行遥感图象处理与专题信息提取，处理、分析数据。从而实现地裂缝、崩塌监测。
3.2.2 遥感技术在灾前预测和灾后评估的应用
应用遥感技术进行灾害评估主要集中在灾中实时评估和灾后恢复重建评估两个阶段。评估的内容包括：受灾面积、农作物受灾面积、灾情等级、救灾路线选择评估等方面，主要表达形式包括受灾面积图、农作物受灾面积图、灾情等级图以及灾情遥感评估报告等[6]。在矿山地质灾害的评估中，主要利用未受灾和成灾后的影像数据进行对比分析，准确地查明受灾矿区住房、生产设备和道路所遭受的破坏程度以及数量与分布状况等，以便及时组织救灾、恢复生产，对受灾重建实现科学规划。
利用不同数据源、多时相的遥感数据，提供关于自然灾害发生背景和条件的大量信息。利用遥感技术可以对全地区的地质情况进行摸底分析，确定出易发地质灾害的区域。常见的地质灾害在遥感影像上都具备一定的特征。根据这些特征，可以从遥感影像划分出地质灾害易发区，进而绘制出地质灾害危险等级图[5]。根据地质灾害的危险等级，建立地质灾害预测应急预案，以前做好预防措施，确保人民生命安全和经济财产达到最低程度的损失。
3.3 全球定位系统（GPS）的应用
地质灾害的发生是缓慢蠕动的地质体（如滑坡体等）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很小而且稳定的，当突然增大时预示着灾害的即将到来。由于全球卫星定位系统（GPS）的差分精度达毫米级，可以满足对蠕动灾体监测的精度要求。因此，利用卫星定位系统可以全过程地进行地质灾害动态监测，在此基础上有效地进行地质灾害的预测、预报甚至临报和警报。GPS在灾害领域的应用主要在崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测方面。具体了解和掌握崩、滑体的演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，为崩塌及滑坡的正确评估分析、预测预报及治理工程等提供可靠的资料和科学依据。同时，监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评估及滑坡工程治理效果的尺度。
为了达到上述目的，滑坡、崩塌、泥石流地质灾害遥测系统总体设计思想是：形成点、线、面三维空间的监测网络和警报系统，有效地监测崩、滑体动态变化及其发展趋势，具体了解和掌握其演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，预报崩滑险情，防灾于未然。同时，为崩滑体的稳定性评估和防治提供可靠和及时的依据。主要使用以下几种技术模式：GPS实时动态、GPS动态定位、GPS准动态定位。GPS在地质灾害防治领域中的应用，对地质灾害监测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了地质灾害防治领域中观测精度和勘测效率。
4 结语
集成3S技术，利用遥感技术对矿山地质灾害信息的提取、全球定位系统对遥感图像从中提取的信息进行定位等基础数据的调查采集，利用地理信息系统对矿山地质环境及其周边地质环境信息进行组合、分析、修改、建立数据库等功能，实现数据的对比、查询、检索、动态更新、输出。随着Web-GIS（网络GIS）技术发展，逐渐应用到地质灾害监测评估与防治当中，成为地质灾害信息化防治技术的发展新趋势。通过Web-GIS，结合3S技术，可将技术系统、数据分布在网络，实现数据的实时更新、管理。从而使得地质灾害数据和地质灾害模型可以在全国范围内共享，为防灾减灾提供一个功能强大而又方便快捷的有效途径。可见，3S技术的集成以及与其他技术的结合，使得它们的各自的优势得以充分发挥，在矿山地质灾害防治中发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]李阜馨.浅析矿山地质灾害类型与防治措施[J].科技信息，2011，（10）：349.
[2]高佳.基于GIS的铜川市矿山地质灾害信息系统设计[D].西安科技大学，2011
[3]占辽芳，野翔，彭颖霞，李若瑶.GIS技术在地质灾害研究中的应用[J].测绘与空间地理信息，2011，31（1）：168-170.
[4]孙娅林.高分辨率遥感技术在地质灾害监测中的应用[J].科技信息，2011，（20）：675.
[5]潘荣贵，谢江涛.遥感技术在地质灾害调查中的作用[J].硅谷，2010，（1）：143
[6]谢谟文，李鹏飞，黄洁慧.遥感技术在地质灾害中的应用[J].矿山测量，2011（3）：5-8，+4.