地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用綜述

陳 浩，喻榮崗

(江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用綜述

陳 浩，喻榮崗

(江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

GIS；RS；GPS；水土保持；監(jiān)測管理

地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了管理工作的科學(xué)性和實(shí)效性。詳細(xì)論述了GIS、RS、GPS的優(yōu)勢和在水土保持監(jiān)管中的具體應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際探討了存在的有效時間分辨率影響水土保持整體效益的分析與評價,有效地面分辨率影響水土保持治理措施的成效，遙感影像的質(zhì)量造成水土保持效益監(jiān)測時段不連續(xù)，模型運(yùn)算空間分辨率影響水土保持監(jiān)測成效分析，完整的推廣示范體系未形成等問題，并提出了具體的建議。

伴隨著水土保持新技術(shù)、新方法的不斷出現(xiàn)，以及相關(guān)交叉學(xué)科的不斷引入，我國水土保持監(jiān)測管理工作的效率較以往有了較大的提高，尤其是引入地理信息系統(tǒng)、遙感、全球定位系統(tǒng)等地理信息技術(shù)后，借助于這些技術(shù)在數(shù)據(jù)管理、空間分析、宏觀決策等方面的性能優(yōu)勢，管理工作的科學(xué)性和實(shí)效性得到了進(jìn)一步提升。不僅有效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字小流域構(gòu)建、土壤侵蝕模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)、小流域水土保持信息管理系統(tǒng)開發(fā)等[1-4]，還可及時有效地跟蹤和了解不同小流域或區(qū)域內(nèi)水土保持措施狀況、水土流失時空分布和動態(tài)變化等內(nèi)容，從而提高監(jiān)測管理工作的精準(zhǔn)度與時效性，為開展水土保持工作提供了有力的技術(shù)支撐和科學(xué)的本底數(shù)據(jù)。

1 地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

水土保持是一門綜合性學(xué)科，要做好水土保持監(jiān)測管理工作，僅靠之前傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測方法，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前監(jiān)測管理工作的需要。地理信息技術(shù)作為一種基于宏觀層面的監(jiān)測分析技術(shù)，目前已在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)境、監(jiān)測等多個交叉學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從當(dāng)前發(fā)展趨勢來看，地理信息技術(shù)的應(yīng)用會對我國水土保持監(jiān)測管理工作產(chǎn)生重大的推動作用，可進(jìn)一步提升水土保持監(jiān)測管理工作的系統(tǒng)性和科學(xué)性。

1.1 遙感(RS)技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用

1.1.1 RS技術(shù)簡介

遙感(Remote Sensing，簡稱RS)一詞顧名思義，就是遙遠(yuǎn)的感知[5]。RS技術(shù)主要是通過特殊手段對地球表面地物及其特征進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測和識別的一種技術(shù)，主要從空中到地面乃至從空間到地面對全球進(jìn)行探測和監(jiān)測的多層次、多視角、多領(lǐng)域的觀測技術(shù)體系，主要包括空間信息采集系統(tǒng)、地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)、地面實(shí)況調(diào)查系統(tǒng)、信息分析應(yīng)用系統(tǒng)等4部分。RS技術(shù)因其宏觀性和綜合性強(qiáng)、綜合效益高、信息量大、技術(shù)先進(jìn)、獲取信息快、更新周期短、動態(tài)信息豐富等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

1.1.2 RS技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

RS技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在通過不同遙感平臺的影像資料，結(jié)合一定的遙感解譯方法和手段，開展水土保持治理動態(tài)效益監(jiān)測。動態(tài)效益監(jiān)測內(nèi)容主要有水土保持治理前后的土地利用變化情況、植被覆蓋度的變化情況、相關(guān)生態(tài)環(huán)境效益因子的動態(tài)變化等[6-7]。目前，低空遙感監(jiān)測與地面雷達(dá)監(jiān)測也在水土保持監(jiān)管中得到了一定的推廣應(yīng)用，特別是無人機(jī)遙感遙測技術(shù)克服了高空云層對獲取影像資料的限制，其監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新周期還可以根據(jù)項(xiàng)目的需要進(jìn)行自主設(shè)定，進(jìn)一步提高了遙感監(jiān)測的靈活性[8]。RS技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其具有強(qiáng)大的信息量和綜合效益，通過構(gòu)建適當(dāng)?shù)倪b感反演方法，可進(jìn)行宏觀大區(qū)域的水土保持治理效益分析，為政府宏觀決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 全球定位系統(tǒng)(GPS)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

1.2.1 GPS簡介

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測量導(dǎo)航技術(shù)的一種[5]。GPS主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成，具有全天候獲取數(shù)據(jù)、全球覆蓋、可移動定位、精度高、操作簡單等特點(diǎn)，是對RS技術(shù)應(yīng)用過程中的一個有效補(bǔ)充，特別是在大比例尺專題圖制作過程中，GPS應(yīng)用廣泛。

1.2.2 GPS在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

GPS具有精度高、獲取數(shù)據(jù)全天候等特點(diǎn)，常用于水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工放樣、竣工驗(yàn)收、水土流失監(jiān)測和土地利用情況調(diào)查，以及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持動態(tài)監(jiān)測[9-10]。采用該技術(shù)還可以進(jìn)行不同水土流失區(qū)界線實(shí)地驗(yàn)證和調(diào)整，通過布設(shè)不同密度點(diǎn)位網(wǎng)，進(jìn)行綜合治理小流域和實(shí)施區(qū)域數(shù)字地形圖的構(gòu)建[11]，為后期土壤侵蝕預(yù)測與分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。GPS在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其不受天氣限制、精度高，可為水土保持監(jiān)測提供有力的技術(shù)保障。

1.3 地理信息系統(tǒng)(GIS)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

1.3.1 GIS簡介

地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，簡稱GIS)是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，研究并處理各種空間實(shí)體及空間關(guān)系為主的技術(shù)系統(tǒng)[12]，主要分為綜合性地理信息系統(tǒng)、區(qū)域性地理信息系統(tǒng)、專題性地理信息系統(tǒng)三大類[5]。從總體來看地理信息系統(tǒng)處理與管理的對象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)間關(guān)系，主要包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題[2]。由于在處理空間實(shí)體與空間關(guān)系方面具有較大優(yōu)勢，GIS目前已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域規(guī)劃與管理、資源與環(huán)境調(diào)查、災(zāi)害監(jiān)測、土地資源管理等多個領(lǐng)域[5]。

1.3.2 GIS在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

GIS在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：利用GIS的空間分析功能，在相關(guān)本底數(shù)據(jù)(DEM、河網(wǎng)數(shù)據(jù)等)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小流域的提取[13]，從而構(gòu)建數(shù)字化小流域；結(jié)合水土流失預(yù)測預(yù)報(bào)模型(USLE、RUSLE、CSLE模型等)[14-15]和水文預(yù)測預(yù)報(bào)模型[16-17](AGNPS、ANSWERS、MATSALU、SWAT、STREAM、SWIM、TOPMODEL等)，進(jìn)行小流域土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報(bào)和水土保持治理成效分析；結(jié)合小流域的水土保持治理情況，搜集相關(guān)信息，并進(jìn)行矢量化和屬性賦值處理，構(gòu)建小流域自然環(huán)境本底數(shù)據(jù)庫、水土保持治理信息庫模型[18]；通過WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的共享和水土保持協(xié)同分析[19]，使水土保持部門和相關(guān)職能部門對小流域情況有一個宏觀上的把握，便于多部門統(tǒng)籌協(xié)作，制定區(qū)域性的水土保持規(guī)劃和其他發(fā)展規(guī)劃；通過計(jì)算機(jī)語言二次開發(fā)，構(gòu)建專業(yè)的水土保持監(jiān)測管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)管工作的信息化和規(guī)范化。

1.4 地理信息集成(“3S”)技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

1.4.1 “3S”技術(shù)簡介

地理信息集成技術(shù)，也就是通常所說的“3S”技術(shù)，即集成GPS、RS和GIS技術(shù)的整體，這種系統(tǒng)不僅具有自動、實(shí)時地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能，而且能夠智能分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)，為各種應(yīng)用提供科學(xué)決策咨詢，并提供解決方案。RS和GPS技術(shù)可以提供海量數(shù)據(jù)，然后通過GIS技術(shù)的空間提取與分析功能，提取有用數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行綜合性分析，形成了一套綜合、完整的對地監(jiān)測系統(tǒng)，為“數(shù)字地球”構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1.4.2 “3S”技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用

“3S”技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用，主要是通過集成GIS、GPS、RS技術(shù)，從整體上構(gòu)建水土保持綜合管理及監(jiān)測平臺，從而更好地開展小流域水土保持和區(qū)域水土保持監(jiān)測管理工作，當(dāng)前已有一些學(xué)者將“3S”技術(shù)應(yīng)用到了水土保持監(jiān)管中，并嘗試性地構(gòu)建了水土保持監(jiān)測管理系統(tǒng)[20-22]?！?S”技術(shù)的優(yōu)勢就是集中了GIS的空間分析、RS的宏觀決策、GPS的高精度監(jiān)測等技術(shù)優(yōu)勢于一身，形成技術(shù)合力，使水土保持監(jiān)測管理步入信息化時代。

2 地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中應(yīng)用存在的問題

水土保持重點(diǎn)治理工程、國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水土保持項(xiàng)目、坡耕地水土流失綜合整治項(xiàng)目等一系列水土保持重點(diǎn)工程的實(shí)施，對當(dāng)前水土保持監(jiān)管工作提出了更高的要求，不僅要提升監(jiān)管的實(shí)施力度更要充分體現(xiàn)監(jiān)管效能。地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)管宏觀決策和動態(tài)監(jiān)管方面，優(yōu)勢明顯。土地利用現(xiàn)狀、植被等基礎(chǔ)信息可以通過地理信息技術(shù)體系當(dāng)中的空間屬性模塊來直接獲取，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、貯存、分析等，以數(shù)據(jù)圖層的形式很直觀地呈現(xiàn)出來，從而便于技術(shù)人員提取地理環(huán)境中的坡度、坡向等指標(biāo)[12]。以往，這些環(huán)節(jié)的工作往往需要進(jìn)行現(xiàn)場勘察或測量，現(xiàn)階段，借助GIS的優(yōu)勢性能，能彌補(bǔ)水土保持監(jiān)測管理過程中的技術(shù)缺失，突顯各類型地理數(shù)據(jù)信息的利用實(shí)效，從而改善水土保持監(jiān)測管理的效率。

但是，當(dāng)前地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用也存在一些急需解決的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是有效時間分辨率。在進(jìn)行水土保持監(jiān)測管理時，由于不同的水土保持措施產(chǎn)生的效益時段不同，在選取遙感影像時，選取時間的不同會影響水土保持整體效益的分析與評價。二是有效地面分辨率。在進(jìn)行水土保持效益分析時，不同地面分辨率的遙感影像往往造成分析結(jié)果不一，特別是坡度、坡向、林草覆蓋率等信息，會導(dǎo)致人為夸大或縮小某種水土保持治理措施的成效。三是遙感影像的質(zhì)量。在基于RS技術(shù)獲取影像資料時，往往由于天氣問題，造成某時段遙感影像資料的缺失，使得水土保持效益監(jiān)測時段不連續(xù)。四是模型運(yùn)算空間分辨率。在進(jìn)行基于地理信息技術(shù)模型運(yùn)算時，一般會將所有運(yùn)算圖層轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一地面分辨率再進(jìn)行模型的運(yùn)算，這樣往往會影響模型的最終運(yùn)算結(jié)果，從而影響水土保持監(jiān)測成效分析。五是研究人員雖然對水土保持管理信息系統(tǒng)開展了一些有益的嘗試，但是由于各級水保部門和實(shí)地配套原位監(jiān)測設(shè)備的缺失，目前還沒有形成一個完整的推廣示范體系。

3 幾點(diǎn)建議

針對當(dāng)前地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用存在的問題，建議結(jié)合實(shí)地采樣調(diào)查、徑流小區(qū)定位試驗(yàn)研究，對各項(xiàng)水土保持措施效益進(jìn)行科學(xué)分析，從而構(gòu)建水土保持措施時效數(shù)據(jù)庫，以便于選擇最佳時段遙感影像，開展合理的水土保持成效分析；利用不同分辨率的遙感影像結(jié)合實(shí)地監(jiān)測，開展不同水土保持措施效益分析，篩選最優(yōu)空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù)庫，為后期的水土保持成效分析提供最優(yōu)數(shù)據(jù)源；大力推進(jìn)近地?cái)z影測量技術(shù)，不僅操作簡單，而且大大提高了水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度；大力推進(jìn)無人機(jī)遙感遙測技術(shù)，彌補(bǔ)因天氣原因而造成的遙感影像缺失等問題；結(jié)合坡面徑流小區(qū)試驗(yàn)、集水區(qū)和小流域定位監(jiān)測，積極開展不同尺度的水土保持效益模型運(yùn)算研究，為模型運(yùn)算的最優(yōu)空間分辨率確定提供數(shù)據(jù)支撐；進(jìn)一步加強(qiáng)各級水土保持部門的軟硬件配套，完善和新增水土保持監(jiān)測點(diǎn)，并進(jìn)行監(jiān)測設(shè)備的更新。

從當(dāng)前地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用來看，地理信息本身的優(yōu)勢較為明顯，特別是地理信息集成技術(shù)在數(shù)據(jù)管理、空間分析等環(huán)節(jié)的優(yōu)勢是其他技術(shù)無法比擬的[23]。今后，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)水土保持監(jiān)管的軟硬件配套，科學(xué)論證地理信息技術(shù)數(shù)據(jù)源的有效性，搭建數(shù)據(jù)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，為地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測管理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和技術(shù)保障，為我國水土保持監(jiān)測管理工作的有序開展保駕護(hù)航。

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(責(zé)任編輯 孫占鋒)

S157

C

1000-0941(2015)06-0062-04

陳浩(1982—)，男，上海市人，助理工程師，學(xué)士，從事水土保持工作；通信作者喻榮崗(1977—)，男，江西德安縣人，高級工程師，碩士研究生，從事水土保持監(jiān)測工作。

2015-04-10