現(xiàn)代技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

柳小康，尹金花，李 斌

（1.云南省地質(zhì)工程勘察總公司；2.云南巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院，昆明 650051；3.云南地礦建設(shè)工程有限責(zé)任公司，昆明 650299；4.昆明滇池水務(wù)集鎮(zhèn)污水處理有限公司，昆明 650000）

我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一[1]。水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測就是對水土流失的類型、成因、程度、影響范圍、分布特征、危害及其防治效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和評估[2]。地面觀測、調(diào)查監(jiān)測等傳統(tǒng)水土流失監(jiān)測方法成本較高，更新速度較慢，監(jiān)測結(jié)果精度較低，實(shí)時(shí)性較差，難以實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)控[3-4]。隨著科技水平的提高，現(xiàn)代新技術(shù)初步探索運(yùn)用到水土保持項(xiàng)目監(jiān)測，也逐漸發(fā)展成為實(shí)現(xiàn)水土流失及水土保持效益實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和預(yù)報(bào)的重要手段。

1 3S 集成技術(shù)及其應(yīng)用

3S 集成技術(shù)，即RS、GIS、GPS 和數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)等結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對地觀測、分析和應(yīng)用的綜合技術(shù)[4]。國內(nèi)諸多研究以不同分辨率的遙感影像為數(shù)據(jù)源，集成3S、數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)等技術(shù)，開展了多尺度的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測，比如以3S、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、決策系統(tǒng)等技術(shù)綜合集成建立的全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)、云南省水土保持3S 集成智能決策系統(tǒng)等[5-8]。無人機(jī)遙感技術(shù)作為一種便捷、準(zhǔn)確的手段，應(yīng)用領(lǐng)域近幾年也逐漸得到拓展，該技術(shù)能有效提高水土保持監(jiān)測的精度、效率及自動(dòng)化程度[9]。運(yùn)用3S 集成技術(shù)開展水土流失遙感監(jiān)測，可以有效管理、分析和使用區(qū)域內(nèi)與水土流失有關(guān)的大量信息，這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。

2 4D 技術(shù)及其應(yīng)用

4D 技術(shù)是指DEM、DOQ、DRG、DLG 或DTI 四種數(shù)字產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)，其集合了3S 技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，具有精確度高、更新速度快、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[10-11]。4D 技術(shù)可以提供地形、土壤等地表狀況的基地信息，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕變化和土地利用變化的動(dòng)態(tài)信息，從而為土壤侵蝕預(yù)測、流域治理決策提供實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精確度高的科學(xué)依據(jù)。例如，閆慧敏等在黃土高原不同地貌和生態(tài)類型區(qū)進(jìn)行了以4D 產(chǎn)品構(gòu)建數(shù)字流域的空間數(shù)據(jù)框架的試驗(yàn)研究[11]。4D 技術(shù)將會(huì)為水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測開拓出一條高效率、高精度、簡便易行之路。

3 自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用

自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)就是利用自動(dòng)化設(shè)備對水土保持監(jiān)測點(diǎn)的降雨、徑流、泥沙、土壤水分等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、GPRS 傳輸、存儲(chǔ)和分析[12]。自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了高頻率的連續(xù)采集、艱苦環(huán)境下監(jiān)測和精確觀測，大幅提高了動(dòng)態(tài)分析的精度[13]。湯崇軍等應(yīng)用水土流失自動(dòng)監(jiān)測集成系統(tǒng)，對紅壤坡地進(jìn)行水土流失監(jiān)測，結(jié)果表明，溫度、濕度、雨量、水位、土壤含水量等的自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果與人工測定結(jié)果之間呈良好的線性相關(guān)關(guān)系，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定[14]。運(yùn)用操作簡單、性能可靠及自動(dòng)化程度高的自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，逐漸促進(jìn)了水土保持監(jiān)測的現(xiàn)代化、智能化和信息化。

4 三維激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)是一種使用激光和相機(jī)捕獲坐標(biāo)和圖像信息的高精度立體掃描技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)的測量系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成[15]。常用類型包括機(jī)載型、地面型和手持型三種。三維激光掃描技術(shù)具有大面積、高密度采集空間三維數(shù)據(jù)的能力，已探索運(yùn)用到水土流失強(qiáng)度和范圍、土地?cái)_動(dòng)土方量、水土保持措施面積及相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描儀可以直觀地監(jiān)測坡面各點(diǎn)的微地形變化，很好地對坡面細(xì)溝侵蝕過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，基于三維激光掃描技術(shù)估算侵蝕量的平均精度達(dá)到了96.85%，與傳統(tǒng)方法實(shí)測值的誤差較小，其測量精度能滿足水土保持監(jiān)測及水土保持方案的要求，且多次試驗(yàn)?zāi)芙档推錅y量誤差[16-18]。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測，能快速提高工作效率和實(shí)時(shí)監(jiān)測的精度，是對傳統(tǒng)監(jiān)測方法的擴(kuò)展與補(bǔ)充。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)或稱靈境技術(shù)，是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成交互式的三維環(huán)境，為用戶提供沉浸感覺的一種技術(shù)，具有沉浸感、交互感和想象感等特征[19]。通過構(gòu)建流域的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)景觀能真實(shí)、直觀地反映土壤侵蝕、土地利用和植被覆蓋等現(xiàn)狀信息，大幅減少水土保持監(jiān)測中遙感影像分類模版的誤差，減少野外調(diào)查次數(shù)，通過室內(nèi)飛行瀏覽觀察人類不能到達(dá)的區(qū)域圖像，提高分類精度，從而為水土保持規(guī)劃和管理部門及時(shí)提供現(xiàn)狀信息[20-21]。

6 結(jié)論

水土保持監(jiān)測是一項(xiàng)關(guān)乎國計(jì)民生的基礎(chǔ)性工作，新水土保持法也進(jìn)一步明確了水土保持監(jiān)測的地位和作用。現(xiàn)代新技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的探索和應(yīng)用前景非常廣闊，但也存在諸多需要改進(jìn)的方面。首先，現(xiàn)代技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用大多還處于初步探索階段，尚有大量技術(shù)性問題需要研究和解決，新技術(shù)應(yīng)用成本也比較高，新技術(shù)應(yīng)用效益也有不足[22]。其次，土壤侵蝕和水土流失監(jiān)測等基礎(chǔ)性研究限制了水土保持監(jiān)測方法的發(fā)展，比如定量監(jiān)測難度大，尚無適合我國實(shí)際的土壤侵蝕監(jiān)測和預(yù)報(bào)模型等。此外，水土保持監(jiān)測還存在不同管理尺度、管理層次和監(jiān)測數(shù)據(jù)來源的尺度分異問題，不同尺度監(jiān)測數(shù)據(jù)未能建立有效聯(lián)系，急需加強(qiáng)水土保持監(jiān)測不同尺度轉(zhuǎn)換和融合問題的探索和研究。