基于RS和GIS的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究綜述

經(jīng)卓瑋，馬友華，王 靜，於忠祥，周 靜

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230036）

基于RS和GIS的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究是指將RS與GIS技術(shù)融入常見的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究[1-4]。RS能夠準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測和獲取生態(tài)環(huán)境信息，是GIS重要的信息源。GIS與RS圖像處理系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用[5]，為土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究包括監(jiān)測、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、整治、管理、預(yù)警等方面。本文主要對(duì)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、評(píng)價(jià)、預(yù)警進(jìn)行了簡要闡述。

1 土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測

土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜卻必不可少的工作。由于在監(jiān)測過程中會(huì)受到氣候變化、自然災(zāi)害、植物生長、人類活動(dòng)等因素的影響，僅靠肉眼觀察和簡單儀器難以完成。RS和GIS集成技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把遙感和地理信息系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，可快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測某一區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況，實(shí)現(xiàn)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測[6,7]。

我國利用遙感技術(shù)進(jìn)行土地質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測始于1999年。國土資源部綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)對(duì)全國重點(diǎn)城市建設(shè)占用耕地等土地利用變化情況進(jìn)行了監(jiān)測，累計(jì)監(jiān)測275個(gè)城市，面積達(dá)到180萬km2，為國土資源部開展各項(xiàng)工作提供了科學(xué)依據(jù)[8,9]。在監(jiān)測過程中，為加強(qiáng)利用RS技術(shù)開展土地資源調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)化，國土資源部還頒布實(shí)施了《土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)[10]。

伍育鵬等[11]構(gòu)建了適合中國國情的耕地質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系，認(rèn)為監(jiān)測體系不僅要包含空間屬性, 也要包含土地有效厚度、養(yǎng)分含量、容重、利用狀況等有關(guān)土地質(zhì)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)，在保留歷史數(shù)據(jù)的同時(shí)不斷更新，從而更加深入地了解耕地質(zhì)量的變化過程,具體分析造成變化的原因，并將遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)作為建立空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。Kurucu Yusuf等[12]利用RS和GIS對(duì)Torbali——一個(gè)無規(guī)劃的城市化和工業(yè)化導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)地區(qū)非農(nóng)用地進(jìn)行研究。1965年～2001年的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，由于工業(yè)化發(fā)展和城市擴(kuò)張，多數(shù)農(nóng)業(yè)用地已經(jīng)轉(zhuǎn)化為工業(yè)和城市用地，農(nóng)業(yè)土地流失和環(huán)境污染問題嚴(yán)重。5·12特大地震后，張飛等[13]以四川省北川縣為例，探討了以RS技術(shù)獲取專題信息，利用GIS技術(shù)開展災(zāi)后重建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的研究。結(jié)果表明，基于RS和GIS的評(píng)價(jià)避免了人為干擾，結(jié)果較為客觀，對(duì)災(zāi)后生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和恢復(fù)具有重要的意義。

2 土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是以監(jiān)測體系為基礎(chǔ)的研究，它通過RS空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)和GIS空間分析技術(shù)，提取某一區(qū)域內(nèi)的土地生態(tài)環(huán)境信息，利用這些數(shù)據(jù)建立與土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的指標(biāo)體系。采取層次分析法、指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊數(shù)學(xué)分析法、主成分分析法等先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法加以評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)結(jié)果在宏觀調(diào)控中得以應(yīng)用[14,15]。土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)可以看作是一個(gè)工具，但由于不同評(píng)價(jià)者的研究目的不一樣，導(dǎo)致到目前為止對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)沒有確定標(biāo)準(zhǔn)和固定的評(píng)價(jià)方法[16]。

運(yùn)用RS和GIS集成技術(shù)進(jìn)行土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，其結(jié)果和精度主要取決于RS和GIS自身的不斷發(fā)展以及評(píng)價(jià)體系的嚴(yán)密性、準(zhǔn)確性、全面性。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,充分利用RS和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，可以降低傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法中存在的誤差大、精度低、與實(shí)際不符、定性成分居多等問題，為評(píng)價(jià)結(jié)果的現(xiàn)實(shí)性、合理性提供重要保障，使評(píng)價(jià)結(jié)果更具說服力[17,18]。

劉昌蓉[19]根據(jù)瀘定縣的區(qū)域特點(diǎn)以及評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則，綜合采用層次分析法和基于GIS的圖形疊置法，建立了瀘定縣土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。通過制定各評(píng)價(jià)因子圖，利用層次分析法求得各因子權(quán)重，然后充分運(yùn)用GIS的緩沖分析和疊置分析等空間分析功能和處理屬性數(shù)據(jù)的能力得到評(píng)價(jià)結(jié)果圖，將瀘定縣土地生態(tài)質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí)，有效地反映出土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的實(shí)際情況。趙小南、趙利舜[20]利用RS和GIS技術(shù)提取黑龍江省賓縣1996年和2005年的生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)信息并加以分析。結(jié)果表明，耕地、林地和草地三者的比例之和處于絕對(duì)優(yōu)勢地位,區(qū)域以農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)為主；兩期區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境狀況總體一般,2005比1996年相對(duì)較好。李妮婭等[21]采用遙感方法，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和計(jì)算方法等要求，對(duì)白水河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析了該流域目前存在的主要生態(tài)問題并提出了相應(yīng)的對(duì)策措施。

3 土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預(yù)警

為了保障土地生態(tài)環(huán)境的安全性，僅對(duì)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)價(jià)分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要根據(jù)該區(qū)域土地現(xiàn)狀進(jìn)行預(yù)測，對(duì)未來可能會(huì)出現(xiàn)的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題進(jìn)行防范調(diào)控，從而避免或減少相關(guān)損失[22]。土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)是土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究體系的重要組成部分之一，其技術(shù)流程可概括為發(fā)現(xiàn)警情、分析警兆、尋找警源、判斷警度以及排除警情5個(gè)步驟。它以遙感和GIS為技術(shù)支撐，將遙感數(shù)據(jù)與自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用這些柵格數(shù)據(jù)及GIS軟件建立基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)科學(xué)性、全面性、可操作性、相對(duì)獨(dú)立性、動(dòng)態(tài)性的原則選取指標(biāo)因子，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，模擬土地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，預(yù)測土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的未來變化趨勢[23-26]。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預(yù)警一直是環(huán)境科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，從1972年的全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（GEMS）[27]提出至今，國內(nèi)外專家針對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)及模型建立開展了大量研究。1982年，美國成功開發(fā)出AGENT系統(tǒng)，將美國中西部6個(gè)州的區(qū)域管理問題，在預(yù)警的基礎(chǔ)上實(shí)施全面的優(yōu)化調(diào)控和智能決策，成為聯(lián)邦政府決策體系的基本組成部分[28]。張鴻輝等[29]結(jié)合WebGIS技術(shù)，對(duì)耕地預(yù)警信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，提出了C/S和B/S模式相結(jié)合的系統(tǒng)框架，并闡述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，以期為區(qū)域耕地保護(hù)提供一個(gè)可行的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。孟慶香[30]采用遙感和地理信息系統(tǒng)等手段,對(duì)黃土高原生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行深入分析,分析并預(yù)測生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢,為實(shí)現(xiàn)我國西部大開發(fā)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供支持。

4 展 望

縱觀土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究可以看出，RS和GIS技術(shù)在土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面的應(yīng)用已日趨成熟，兩者的集成提高了土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究的時(shí)效性、科學(xué)性。但在推廣和應(yīng)用過程中也存在不足：一是由于對(duì)遙感數(shù)據(jù)源的精度要求比較高，且研究過程比較復(fù)雜，推廣速度較為緩慢；二是目前RS和GIS技術(shù)雖有了一定的發(fā)展，但仍因缺乏專業(yè)的技術(shù)人員，在專業(yè)應(yīng)用軟件的使用上存在困擾，給相關(guān)研究帶來限制。將來的研究和應(yīng)用，要不斷開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域和研究方法，加強(qiáng)RS和GIS技術(shù)的融合，進(jìn)一步縮小誤差，提升RS和GIS的精確度，實(shí)現(xiàn)“3S”技術(shù)的集成；建立多個(gè)部門信息平臺(tái)，為土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究及時(shí)提供監(jiān)測信息。同時(shí)，要完善和加強(qiáng)相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)以及對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的考核機(jī)制，提高技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)。另外，對(duì)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響較大的重金屬指標(biāo)研究還較少，將是未來相關(guān)研究的發(fā)展方向。

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