“3S”技術(shù)在我國(guó)土壤風(fēng)蝕研究中的應(yīng)用進(jìn)展

張 偉，岳德鵬，楊貴森，徐曉桃，李 寧，殷 建

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院省部共建森林資源培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持監(jiān)測(cè)總站，新疆烏魯木齊830002;3.北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京100084)

土壤風(fēng)蝕是一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題，是干旱和半干旱地區(qū)形成風(fēng)沙流、沙漠化與沙塵暴的首要原因。我國(guó)是世界上受沙漠化危害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，土壤風(fēng)蝕及土地沙漠化影響面積已占到國(guó)土面積的1/2以上，正嚴(yán)重威脅著人們的生產(chǎn)生活，制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［1］。近年來(lái)土壤風(fēng)蝕研究方法正在從定性描述向半定量、定量研究轉(zhuǎn)變［2］，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以GIS為核心的“3S”技術(shù)逐步成為地學(xué)定量化研究的科學(xué)方法之一［3］，促進(jìn)了土壤風(fēng)蝕研究的迅速發(fā)展。

1 “3S”技術(shù)在國(guó)內(nèi)土壤風(fēng)蝕研究中的應(yīng)用

1.1 風(fēng)沙地貌與沙漠化研究的數(shù)字化

傳統(tǒng)研究方法主要以紙質(zhì)圖形式表達(dá)，不僅不利于深入分析，而且不利于風(fēng)沙地貌的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)更新，在一定程度上限制了對(duì)風(fēng)沙地貌的研究。利用GPS可以對(duì)主要風(fēng)沙地貌類(lèi)型進(jìn)行快速、精確、高效、方便的定位，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化將貯存在GPS接收機(jī)中的沙丘位置坐標(biāo)及調(diào)查數(shù)據(jù)直接形成風(fēng)沙地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)，這有利于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)［4］;RS可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人力難以到達(dá)的沙漠地區(qū)，尤其是沙漠腹地，獲得傳統(tǒng)手段難以獲得的信息;GIS能夠根據(jù)遙感影像解譯的風(fēng)沙地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)建立風(fēng)沙地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)沙丘類(lèi)型、空間分布、數(shù)量特征進(jìn)行有效的組織、管理和分析。上述三者緊密結(jié)合形成了一個(gè)增益系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙地貌定位、定量、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)的分發(fā)、共享、分析模擬與災(zāi)害評(píng)價(jià)創(chuàng)造了條件［5］。此外，針對(duì)不同的沙漠化問(wèn)題，許多學(xué)者運(yùn)用“3S”技術(shù)在沙漠化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估、土地沙漠化災(zāi)害危險(xiǎn)度分區(qū)與評(píng)價(jià)、沙漠化景觀格局分析、沙漠化預(yù)警與模擬等方面進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果［6－9］。

1.2 多尺度多時(shí)相的土壤風(fēng)蝕影響因子獲取

土壤風(fēng)蝕是一個(gè)復(fù)雜的自然地理過(guò)程，受多種因子的影響和制約，其作用的大小、強(qiáng)弱除了跟風(fēng)力、土壤濕度、植被覆蓋、土地利用等因素相關(guān)外，還與地表粗糙度、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)層、農(nóng)作措施、作物殘茬高度、地表結(jié)構(gòu)破損等因素有關(guān)［10］。目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)RS在土壤風(fēng)蝕影響因子提取和應(yīng)用方面的研究主要集中在土壤濕度反演、植被覆蓋度反演以及土地覆被因子獲取等方面。隨著土壤結(jié)層研究的深入和高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者正在直接或間接地利用遙感方法對(duì)土壤結(jié)層的光譜特征進(jìn)行分析。

GIS為土壤風(fēng)蝕影響因子的空間分析與制圖、各因子分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理提供了平臺(tái)。例如，張國(guó)平等(2001)借助GIS的空間分析功能，得到風(fēng)速、土壤干燥度、地表植被指數(shù)、土壤質(zhì)地和坡度等風(fēng)蝕影響因子的空間分布圖，并建立了全國(guó)1∶10萬(wàn)土壤風(fēng)力侵蝕數(shù)據(jù)庫(kù)［11］;趙峰等(2008)在北京市土壤類(lèi)型調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用D.W.Fryrear等人的計(jì)算公式，計(jì)算北京主要土壤類(lèi)型(亞類(lèi))表層的土壤可蝕量，建立了北京市可風(fēng)蝕性數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用Region Manager專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件制作了北京市土壤可風(fēng)蝕性分級(jí)圖，為正確評(píng)價(jià)北京土壤風(fēng)蝕危害提供了科學(xué)依據(jù)［12］;高尚玉等(2008)根據(jù)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS空間插值得到各級(jí)風(fēng)速累積時(shí)間空間分布圖［13］;師華定等(2009)借助GIS和RS技術(shù)，得到了內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕環(huán)境因子(干燥度、風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度、植被指數(shù)、地形起伏度)的空間分布圖，推動(dòng)了土壤風(fēng)蝕定量研究的發(fā)展［14］。

1.3 為風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)與模型評(píng)估提供快捷手段

目前，RS技術(shù)在風(fēng)蝕量測(cè)定與模型評(píng)估中的應(yīng)用可以概括為3點(diǎn):第一，RS的宏觀監(jiān)測(cè)能力能夠擴(kuò)大研究的尺度和范圍，節(jié)省人力、物力和財(cái)力;第二，RS的多時(shí)相性為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了可能;第三，RS的數(shù)據(jù)獲取能力為模型的快速運(yùn)行創(chuàng)造了條件。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者采用傳統(tǒng)野外測(cè)量方法和風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)風(fēng)蝕量的測(cè)定進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果［15－17］。在模型研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)具體研究區(qū)域提出了不同的模型，如風(fēng)蝕流失量模型［18］、隨機(jī)過(guò)程模型［19］、克拉洛維克模型［20］、農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模型［21］、137Cs風(fēng)蝕模型［22］、風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?3］。目前，“3S”技術(shù)與模型相結(jié)合進(jìn)行風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)的方法仍處于探索與發(fā)展階段，風(fēng)蝕定量研究及其應(yīng)用還有待于進(jìn)一步深入［23］。

1.4 為土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度制圖提供新思路

借助GIS和RS技術(shù)建立土壤風(fēng)力侵蝕的分級(jí)規(guī)則，從宏觀上建立不同侵蝕程度的空間格局。張?jiān)鱿榈?1998)依靠GIS和RS技術(shù)以及專(zhuān)家的幫助，兼顧相對(duì)指標(biāo)要素邏輯關(guān)系判斷和空間多要素疊加定量分析兩種方法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了劃分［24］;劉連友(1999)結(jié)合邊界下墊面類(lèi)型的遙感解譯和量測(cè)，計(jì)算了土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度［25］;趙羽(1989)根據(jù)相對(duì)風(fēng)蝕深度、植被蓋度和風(fēng)蝕面積所占百分?jǐn)?shù)等指標(biāo)，對(duì)內(nèi)蒙古土壤風(fēng)蝕進(jìn)行了強(qiáng)度分級(jí)，并利用MSS/TM資料，結(jié)合地面調(diào)查，完成了1∶100萬(wàn)內(nèi)蒙古土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度分級(jí)圖［26］。2000年水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心與中國(guó)科學(xué)院遙感技術(shù)應(yīng)用研究所等單位利用TM資料并結(jié)合地面調(diào)查，借助GIS技術(shù)完成了新的1∶400萬(wàn)全國(guó)土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度圖。師華定等(2009)采用GIS和RS技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙古高原風(fēng)蝕環(huán)境因子空間化，定量評(píng)價(jià)了各環(huán)境因子對(duì)土壤風(fēng)蝕發(fā)生、發(fā)展的影響程度［27］。

1.5 輔助沙塵暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

在沙塵暴的監(jiān)測(cè)方法中，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)方法受到許多因素的制約，不能很好地反映沙塵暴的全過(guò)程。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以從空間上捕捉沙塵天氣動(dòng)態(tài)信息，而且時(shí)間分辨率高，是目前最為有效的監(jiān)測(cè)、跟蹤、分析沙塵天氣的手段［28－29］。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用多源遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)沙塵暴、提取沙塵暴信息、定量分析沙塵暴的有關(guān)參數(shù)，已成為沙塵暴研究的熱點(diǎn)。通過(guò)遙感反演沙塵暴途經(jīng)區(qū)域下墊面的有關(guān)參數(shù)，分析其與天氣形成和演化間的關(guān)系方面的研究也取得了階段性成果［30－31］。相對(duì)于土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)，GIS在沙塵暴監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用更加深入。我國(guó)學(xué)者在沙塵暴信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、監(jiān)測(cè)、空間分布、強(qiáng)度變化、移動(dòng)模擬等方面都開(kāi)展了細(xì)致的研究［32］。

2 “3S”技術(shù)在國(guó)內(nèi)土壤風(fēng)蝕研究應(yīng)用中存在的問(wèn)題

“3S”技術(shù)的應(yīng)用極大地推動(dòng)了我國(guó)風(fēng)沙地貌與沙漠化研究、土壤風(fēng)蝕影響因子獲取、風(fēng)蝕量監(jiān)測(cè)與模型評(píng)估、土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度制圖、沙塵暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立等領(lǐng)域的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)土壤風(fēng)蝕信息提取的自動(dòng)化、智能化以及信息共享邁出了重要的一步。針對(duì)上述“3S”技術(shù)在我國(guó)土壤風(fēng)蝕研究領(lǐng)域的應(yīng)用，筆者認(rèn)為仍然存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)“3S”技術(shù)在土壤風(fēng)蝕研究中應(yīng)用的精度不高。出現(xiàn)這種情況的原因有:第一，土壤風(fēng)蝕模型本身精度不高，如模型對(duì)風(fēng)蝕復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)化以及模型因子測(cè)量方法本身的不準(zhǔn)確、模型選取不當(dāng)?shù)榷紩?huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生;第二，GIS技術(shù)在圖層疊加以及與模型結(jié)合時(shí)的非線性運(yùn)算會(huì)使誤差進(jìn)一步擴(kuò)大;第三，用于土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)的遙感數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，即遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率都有待提高，并且遙感數(shù)據(jù)類(lèi)型和遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量也急需改善;第四，遙感分類(lèi)和反演算法的精度以及遙感信息快速提取的效率不高，導(dǎo)致高空間分辨率和高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)很難同時(shí)滿足。

(2)以“3S”技術(shù)為手段的定量研究不夠成熟。研究人員通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和田間風(fēng)沙測(cè)量方法對(duì)土壤風(fēng)蝕做了大量研究，但是這種研究不能滿足人們對(duì)大尺度、連續(xù)、快速的風(fēng)蝕估算和預(yù)報(bào)要求。部分學(xué)者在風(fēng)蝕模型與“3S”相結(jié)合方面做了有益嘗試，但目前風(fēng)蝕模型與RS的結(jié)合還只是一種松散式結(jié)合，與GIS的結(jié)合則大多是松散連接和嵌入式集成，導(dǎo)致風(fēng)蝕模型、RS和GIS的優(yōu)勢(shì)均不能得到充分發(fā)揮，進(jìn)而限制了其推廣應(yīng)用。

(3)我國(guó)的土壤風(fēng)蝕信息化水平較低。盡管我國(guó)的土壤風(fēng)蝕研究和應(yīng)用取得了許多成果，但是在土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及信息服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建方面仍處于起步階段，許多研究成果無(wú)法集成、發(fā)布和共享。

3 “3S”技術(shù)在國(guó)內(nèi)土壤風(fēng)蝕研究中的應(yīng)用前景

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等的發(fā)展都加速了“3S”技術(shù)的集成，在數(shù)字地球的大趨勢(shì)下，“3S”技術(shù)在土壤風(fēng)蝕研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。綜合來(lái)說(shuō)，在土壤風(fēng)蝕研究領(lǐng)域，未來(lái)“3S”技術(shù)可望在以下幾個(gè)方面取得更大的發(fā)展。

(1)“3S”集成技術(shù)將推動(dòng)土壤風(fēng)蝕研究向廣度和深度的方向發(fā)展。憑借RS多波段、多時(shí)相、能迅速獲取信息，GIS強(qiáng)大的空間信息管理和綜合分析功能以及GPS的高精度定位能力，“3S”集成技術(shù)在研究風(fēng)蝕區(qū)域時(shí)空演變規(guī)律中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，今后更將應(yīng)用于風(fēng)蝕研究的全過(guò)程。隨著“3S”集成技術(shù)應(yīng)用的繼續(xù)深入，直接生成土壤濕度、植被覆蓋度等風(fēng)蝕影響因子數(shù)據(jù)，進(jìn)行多尺度、多時(shí)相、大范圍、長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的風(fēng)蝕定量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)將成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

(2)“3S”技術(shù)在土壤風(fēng)蝕研究中的應(yīng)用精度將進(jìn)一步提高。近年來(lái)，高分辨率衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、微波遙感技術(shù)、高光譜分辨率傳感器、“5S”技術(shù)(地理信息系統(tǒng)、遙感、全球定位系統(tǒng)、智能系統(tǒng)和多媒體系統(tǒng))的聯(lián)合應(yīng)用，使得地面監(jiān)測(cè)精度不斷提高，空間上可實(shí)現(xiàn)地塊上的風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)，時(shí)間上可實(shí)現(xiàn)月、日甚至更小時(shí)間尺度上的風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)。我國(guó)小衛(wèi)星群計(jì)劃的實(shí)施將解決時(shí)間分辨率和空間分辨率不能同時(shí)滿足的矛盾。另外，遙感分類(lèi)和反演算法精度的不斷提高、風(fēng)蝕定量模型和多元數(shù)據(jù)的相互融合、GPS的精確定位能力，都為土壤風(fēng)蝕應(yīng)用精度的提高奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)建立土壤風(fēng)蝕信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)土壤風(fēng)蝕信息共享網(wǎng)絡(luò)化。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，WebGIS和信息共享技術(shù)的不斷成熟、空間互操作技術(shù)的逐步應(yīng)用為土壤風(fēng)蝕信息空間數(shù)據(jù)發(fā)布、模型運(yùn)算、信息的檢索與技術(shù)共享提供了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，極大地推動(dòng)了風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)、模型和信息的共享，真正實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域(水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域)、跨信息平臺(tái)的信息服務(wù)，滿足實(shí)時(shí)更新監(jiān)測(cè)成果的要求，從而能為相關(guān)部門(mén)的應(yīng)急決策、政府辦公提供決策支持和服務(wù)。

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