GIS 在農(nóng)業(yè)面源污染研究中的應(yīng)用及趨勢(shì)

胡光偉，梁業(yè)偉，莊少奇，許瀅，馮海麗，馬逸嵐

（1.大理大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，云南 大理 671003；2.湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，湖南 株洲 412007）

地理信息系統(tǒng)（Geographic information system，GIS）是集屬性信息、空間信息存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)分析和處理于一體的技術(shù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的交互與共享［1，2］。由于GIS 具有地圖可視化、地理分析和強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能，覆蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理分析、提供決策支持、實(shí)際應(yīng)用的全過程［1，3］，使得GIS被廣泛運(yùn)用到不同的領(lǐng)域，涉及地理學(xué)［4］、水文學(xué)［5］、環(huán)境科學(xué)、城市規(guī)劃、土地資源管理［6］和交通等領(lǐng)域［7，8］。GIS 技術(shù)在流域的農(nóng)業(yè)面源污染治理中也得到廣泛應(yīng)用，為政府進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染的精準(zhǔn)防控提供決策依據(jù)。

農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥、生活和生產(chǎn)等廢棄物和污水沒有經(jīng)過處理直接排入環(huán)境中，使得農(nóng)村環(huán)境遭受嚴(yán)重污染，危害人類健康，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展也帶來不確定性［9-11］，同時(shí)也引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)面源污染是因?yàn)镹、P 等營養(yǎng)元素、農(nóng)藥和其他有機(jī)物通過農(nóng)田徑流和土壤滲透作用進(jìn)入水源，是導(dǎo)致流域水質(zhì)惡化的重要原因，最終造成水體營養(yǎng)元素超標(biāo)［12］。中國63.6%的河流和湖泊呈富營養(yǎng)化狀態(tài)［13］，其中關(guān)鍵因素就是面源污染。但是，農(nóng)業(yè)面源污染具有分散性、隱蔽性等特點(diǎn)，其產(chǎn)生和擴(kuò)散受地形、氣候、土壤、水文等多種自然因素制約，所以面源污染的防控治理與監(jiān)測難度很大［10，11］。因此，研究面源污染需要借助于現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)一套可以及時(shí)、精準(zhǔn)處理污染數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)面源污染管理和防治服務(wù)的信息系統(tǒng)［11］。

1 GIS 在農(nóng)業(yè)面源污染研究中的應(yīng)用

1.1 農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)管理

GIS 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和處理能力，在農(nóng)業(yè)面源污染研究中，GIS 能實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的互聯(lián)和共享，建立符合使用者要求的農(nóng)業(yè)面源污染GIS 數(shù)據(jù)庫［14］。農(nóng)業(yè)面源污染需要處理大量的數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，具體為行政區(qū)劃、位置、土壤類型、DEM、土地利用、植被覆蓋等空間數(shù)據(jù)以及化肥、農(nóng)藥、氣象、水文等屬性數(shù)據(jù)［15-18］，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行批量計(jì)算、分類編碼和預(yù)處理，確立數(shù)據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系，建立農(nóng)業(yè)面源污染GIS 數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行存儲(chǔ)［14，19］。GIS 還能實(shí)現(xiàn)污染數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)更新，提供實(shí)時(shí)查詢服務(wù)。

GIS 在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、柵格與矢量數(shù)據(jù)的計(jì)算、空間分析等方面應(yīng)用廣泛。獲取數(shù)據(jù)方面，金苗等［20］使用ArcGIS Explorer 軟件獲取太湖流域遙感圖像，并計(jì)算太湖流域耕地面積；郭昳等［21］以小流域農(nóng)業(yè)面源污染為研究對(duì)象，建立GIS 數(shù)據(jù)庫，揭示空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)系；黃金良等［22］以五川小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，借助ArcView3.2 軟件建立農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模擬數(shù)據(jù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)計(jì)算方面，史健鵬等［23］以GIS 為技術(shù)手段，估算耕地面積和化肥的科學(xué)施用量；成杰民等［24］利用GIS 軟件的空間分析功能，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單元，建立USLE 模型估算南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源氮磷負(fù)荷；姜世英等［25］建立PSR 評(píng)價(jià)體系和GIS 空間分析模型，分析丹江口庫區(qū)面源污染的特征。

1.2 空間分析與可視化

GIS 最初主要用于空間數(shù)據(jù)分析與計(jì)算機(jī)制圖等，隨著GIS 理論研究和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，GIS 技術(shù)取得迅速發(fā)展。GIS 從空間分析的基本問題研究逐步發(fā)展到關(guān)注地理要素與周圍環(huán)境之間的關(guān)系。如購房者關(guān)心房屋的采光、噪聲、交通和生活基本服務(wù)設(shè)施等；農(nóng)民關(guān)心農(nóng)作物的產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、退耕政策等；規(guī)劃學(xué)者更多地考慮城市的布局是否合理，垃圾處理廠、商場、學(xué)校、交通等設(shè)施的區(qū)位選擇問題；水利、環(huán)保等部門關(guān)注洪旱災(zāi)害、灌溉、泥石流等災(zāi)害事件［1］。

由此可見，GIS 空間分析在規(guī)劃、環(huán)保、災(zāi)害、資源評(píng)價(jià)、交通、軍事和醫(yī)療衛(wèi)生等各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，受到政府管理者和學(xué)者們的重視。

1.2.1 空間分析 GIS 具有良好的空間解析能力，能夠?qū)Ω鲄?shù)的空間分布和相互關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)解析與判定，農(nóng)業(yè)面源污染空間數(shù)據(jù)的獲取、計(jì)算、空間分析等方面都需要GIS 技術(shù)作支撐，在農(nóng)業(yè)面源污染評(píng)價(jià)等方面取得豐碩成果。黃金良等［26］借助GIS空間分析功能，基于九龍江流域柵格數(shù)據(jù)構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染分布式模型，識(shí)別農(nóng)業(yè)面源污染來源；帥紅［27］基于南海區(qū)的遙感影像土地利用解譯圖，應(yīng)用GIS 進(jìn)行空間解析和圖象重疊，并由此得到土地利用圖；GIS 空間分析手段在N、P 污染負(fù)荷的時(shí)空分異方面應(yīng)用廣泛［28］；此外，通過空間分布圖的繪制，可以實(shí)現(xiàn)面源污染的分級(jí)［29，30］。胡遠(yuǎn)安等［31］利用GIS 進(jìn)行空間插值、劃分子流域及信息提取，建立子流域面源污染模擬SWAT 模型，模擬精度達(dá)到要求。

1.2.2 空間可視化表達(dá) 農(nóng)業(yè)面源污染空間可視化包括風(fēng)險(xiǎn)源分布、污染程度等的空間可視化表達(dá)，有利于數(shù)據(jù)深層次信息的深入發(fā)掘［32，33］。有研究者利用GIS 空間分析功能，繪制N、P 污染指數(shù)圖［34］，也有研究者通過統(tǒng)計(jì)農(nóng)藥、化肥投入密度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥化肥污染程度分布空間表達(dá)［35］。朱亮等［36］以南京市溧水區(qū)方便水庫為研究對(duì)象，運(yùn)用GIS 和RS 技術(shù)相結(jié)合的方法，解析流域污染源，模擬流域內(nèi)污染排放量分布狀況，進(jìn)而生成水庫保護(hù)區(qū)污染物年排放量分布圖。此外，通過GIS 軟件還可以制作各類風(fēng)險(xiǎn)圖，如DRASTIC 風(fēng)險(xiǎn)圖、LDRASTIC 風(fēng)險(xiǎn)圖、地下水風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖和土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)分布圖等［17，37］；通過對(duì)DEM 進(jìn)行3D 分析，進(jìn)而提取坡度坡長圖［38］。GIS技術(shù)的空間可視化表達(dá)能更有效、便捷地分析農(nóng)業(yè)面源污染的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)也便于決策者在后期分析中快速查看和提高決策效率。

1.3 農(nóng)業(yè)面源污染模型

1.3.1 農(nóng)業(yè)面源污染模型的集成 具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的GIS 技術(shù)與面源污染模型相結(jié)合是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，可以解決面源污染的復(fù)雜問題［39］。GIS 與面源污染模型的集成能實(shí)現(xiàn)不同模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、共享與反饋，也能通過圖形的方式表達(dá)結(jié)果，直觀地展示給環(huán)境管理人員，并利用模型對(duì)流域水質(zhì)進(jìn)行多情景預(yù)測和模擬分析［2］。

國內(nèi)外面源污染研究的熱點(diǎn)之一就是GIS 技術(shù)與面源污染模型的集成。國外開發(fā)出很多模型，常用的有GIS 與NLEAP 模型［40］、ARC/INFO 與CMLS模型［41］、GIS 與DRASTIC 模型［42］、ARC/INFO 與AGNPS 模型［43］、GIS 與USLE 模型［44］、流量模型（ANSWERS、SWACROP、RORB）、以地形為基礎(chǔ)的水文模型（TOPMODEL）等［9］，除此之外還有GIS 與SWAT模型［45］、AnnAGNPS、HSPF、ARM、CREAMS-GLEAMS等模型也得到廣泛應(yīng)用，不同模型適用于不同的時(shí)空尺度，有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)［46］。

國內(nèi)農(nóng)業(yè)面源模型起步于21 世紀(jì)初，AGNRS 模型、AnnAGNPS 模型和SWAT 模型應(yīng)用較廣泛。趙剛等［47］將AGNPS 模型運(yùn)用于模擬云南省撈魚河小流域土壤侵蝕防治效果；洪華生等［48］驗(yàn)證AnnAGNPS 模型在中國東南丘陵山區(qū)九龍江流域的適用性問題；蘇保林等［49］集成流域數(shù)字高程模型（DEM）、水文與水質(zhì)、土壤、農(nóng)業(yè)管理措施等數(shù)據(jù)，將SWAT模型應(yīng)用到密云水庫面源污染模型中，應(yīng)用于該流域的污染負(fù)荷模擬和預(yù)測；黃金良等［22］利用GIS 和相關(guān)資料率定模型參數(shù)，并檢驗(yàn)了連續(xù)分布式參數(shù)模型AnnAGNPS 的適用性。HSPF 模型、CREAMS 模型、ULES 模型和GLEAMS 模型也被引入國內(nèi)，廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域［2］。

1.3.2 兩種主要的GIS 農(nóng)業(yè)面源污染模型 國內(nèi)外使用較廣泛的兩種農(nóng)業(yè)面源污染模型為AnnAGNPS模型和SWAT 模型，二者都屬于每日時(shí)間步長、流域尺度和污染物負(fù)荷模型，可用于模擬農(nóng)業(yè)流域的長期徑流、泥沙、養(yǎng)分和污染物輸移。

1）AnnAGNPS（Annualized agricultural non-point source pollutant loading model）模型。該模型是美國農(nóng)業(yè)部聯(lián)合自然資源保護(hù)局在AGNPS 基礎(chǔ)上開發(fā)的一種分布式農(nóng)業(yè)面源污染模型［50］，最初是用于評(píng)價(jià)流域農(nóng)業(yè)管理措施的影響，適用于流域尺度。該模型與GIS 融合之后，模型的輸入數(shù)據(jù)得到簡化，而且能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，還能實(shí)現(xiàn)空間分析和可視化輸出［51，52］。

AnnAGNPS 模型能較好地反映整個(gè)區(qū)域的污染負(fù)荷和侵蝕產(chǎn)沙量，并能分析每個(gè)分室單元的徑流、侵蝕產(chǎn)沙和污染物負(fù)荷分布，同時(shí)也能評(píng)價(jià)不同的農(nóng)業(yè)管理措施（如耕作制度、施肥方式、施用農(nóng)藥、點(diǎn)源污染負(fù)荷和養(yǎng)殖場管理等）對(duì)水文和水質(zhì)的影響，以便制定多種最優(yōu)的管理方案（BMPs），然后再進(jìn)行BMPs 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和費(fèi)用的效益分析［53，54］，在流域侵蝕產(chǎn)沙、污染物負(fù)荷測算、農(nóng)業(yè)管理措施的影響等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。婁永才等［55］采用了AnnAGNPS 模型對(duì)流域的N、P 流失負(fù)荷進(jìn)行定量計(jì)算和模擬，并取得較好的模擬效果。

2）SWAT（Soil and water assessment tool）模型。該模型是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的分布式流域水文物理模型［56］，適用于較大流域尺度，通過模擬流域的水量與水質(zhì)狀況，分析不同地理尺度下農(nóng)業(yè)面源污染物的輸出特征，進(jìn)而研究農(nóng)業(yè)面源污染的輸出效應(yīng)［57］，在農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的計(jì)算中應(yīng)用廣泛。模型在模擬水質(zhì)和水量、土地利用方式、氣候變化的影響等領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用［57，58］，在國內(nèi)的不同區(qū)域有較多的研究成果。吳春蕾等［59］構(gòu)建了巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染SWAT 模型；翟玥等［60］運(yùn)用SWAT 模型定量分析云南洱海流域污染源結(jié)構(gòu)，篩選出該流域重點(diǎn)農(nóng)業(yè)污染源；李爽等［61］利用SWAT 模型模擬了南四湖流域氮磷污染情況，結(jié)果表明在起伏較大的地區(qū)能取得更高的精度；胡文慧等［62］采用SWAT模型定量模擬汾河灌區(qū)汛期氮和磷的流失情況，結(jié)果表明灌區(qū)TN、TP 發(fā)生在汛期的流失量分別占全年負(fù)荷量的58.5%和76.0%；喬衛(wèi)芳等［63］利用SWAT模型模擬了流域內(nèi)不同土地利用類型的農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷量。

1.4 基于GIS 的農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)查詢與顯示

利用GIS 技術(shù)的二次開發(fā)功能開發(fā)的模塊集中在污染模擬、污染負(fù)荷計(jì)算和污染源實(shí)時(shí)監(jiān)測等，將面源污染數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析，形成一套環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)，更好地滿足各方個(gè)性化需求［64］。施加春等［14］利用GIS 二次開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，以杭嘉湖平原為研究區(qū)，構(gòu)建了基于WebGIS 的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染的各種信息數(shù)據(jù)的查詢與檢索；史志華等［65］基于GIS 和RS 技術(shù)，構(gòu)建一套面源污染實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、綜合治理規(guī)劃決策的信息系統(tǒng)；王玉坤等［18］建立了基于GIS 的化肥農(nóng)藥實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理系統(tǒng)。GIS 的可視化彌補(bǔ)了傳統(tǒng)研究的缺陷，將復(fù)雜的大數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)展示出來，能夠直觀地為污染防治提供決策服務(wù)。

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷成熟，將其與GIS 系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)耕地各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，定點(diǎn)采集面源污染數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)中同步展示耕地污染狀態(tài)分布，應(yīng)用于精準(zhǔn)施肥［66］、農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測［67］和污染擴(kuò)散模擬［68］等領(lǐng)域；朱亮等［36］以溧水區(qū)方便水庫為研究對(duì)象，運(yùn)用GIS 模擬污染排放空間分布，并繪制污染物年排放量空間分布圖；周理等［69］利用GIS 繪制污染源空間分布圖。

1.5 面源污染環(huán)境預(yù)警與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.5.1 預(yù)警預(yù)測 農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害頻發(fā)，為政府等機(jī)構(gòu)提供專業(yè)的環(huán)境應(yīng)急預(yù)警方案是保障農(nóng)村經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的前提。GIS 技術(shù)能夠?yàn)榉罏?zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)，得益于GIS 具有預(yù)測預(yù)警的強(qiáng)大功能。GIS 能夠?qū)ξ廴緮?shù)據(jù)的位置、屬性等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，建立面源污染環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)面源污染的模擬與預(yù)警提供解決方案。通過構(gòu)建區(qū)域面源污染預(yù)警體系，可以對(duì)污染源的位置、屬性、敏感區(qū)及其屬性等進(jìn)行高效的監(jiān)管，模擬面源污染物的擴(kuò)散過程，以便管理者及時(shí)提出應(yīng)對(duì)預(yù)案［70］。在發(fā)生農(nóng)業(yè)災(zāi)害時(shí)，GIS 的空間分析和計(jì)算功能可以提供受災(zāi)面積數(shù)據(jù)并估算經(jīng)濟(jì)損失［71］。對(duì)掌握了大量歷史數(shù)據(jù)的地區(qū)，GIS 可以對(duì)災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律、空間分布和時(shí)間序列規(guī)律進(jìn)行模擬和預(yù)測，為防災(zāi)、減災(zāi)提供預(yù)測和預(yù)警，提出有針對(duì)性的對(duì)策［72，73］。

1.5.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 在農(nóng)業(yè)面源污染控制中，識(shí)別關(guān)鍵源區(qū)并加以重點(diǎn)控制是治理流域面源污染的有效手段，因此實(shí)施污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是必要的。GIS具備集成氣候、水文、土壤、人類活動(dòng)與地理信息數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，能夠客觀和全面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境質(zhì)量，反映區(qū)域面源污染程度和空間分異特征，因此，GIS 成為評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量的科學(xué)工具，為各級(jí)政府和相關(guān)部門提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的決策。GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用主要集中在水土流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、污染物空間分布和關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別等方面［2］。Cooke 等［74］以美國密歇根州農(nóng)業(yè)流域?yàn)槔?，引入GIS 技術(shù)模擬災(zāi)害發(fā)生基本規(guī)律。雷能忠等［75］建立了杭埠河流域GIS 空間分析模型，制作完成多尺度面源污染風(fēng)險(xiǎn)程度分布圖。楊悅所等［76］基于DRASTIC 和GIS 開發(fā)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，對(duì)北愛爾蘭Upper Bann 流域地下水的硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，GIS 技術(shù)有效解決了DRASTIC 方法沒有涵蓋風(fēng)險(xiǎn)性的缺點(diǎn)。宋月君等［77］利用GIS 的空間分析功能和養(yǎng)分平衡計(jì)算的方法，對(duì)黃河流域主要農(nóng)用地進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源磷污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該流域?qū)儆谵r(nóng)用地磷流失風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)中等流域。丁恩俊等［78］應(yīng)用GIS 方法繪制出三峽庫區(qū)王家溝小流域土壤養(yǎng)分空間分布圖，對(duì)養(yǎng)分狀況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。陳梅［79］構(gòu)建了農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，定量計(jì)算了長江丘陵地帶農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷空間特征，并對(duì)潛在的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)，識(shí)別污染源，再制定科學(xué)的監(jiān)管體系；李飛等［80］通過構(gòu)建農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜污染及畜禽養(yǎng)殖污染的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用聚類分析法將中國東部沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分為高、中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)不同類型。還有學(xué)者利用GIS 的空間信息計(jì)算出發(fā)生農(nóng)業(yè)災(zāi)害區(qū)域的面積大小，以此評(píng)估所受到的經(jīng)濟(jì)損失［71］。

2 GIS 在農(nóng)業(yè)面源污染研究中應(yīng)用的未來趨勢(shì)

將GIS 技術(shù)引入農(nóng)業(yè)面源污染研究領(lǐng)域，使其成為提高相關(guān)部門和企業(yè)服務(wù)水平的重要工具，GIS在農(nóng)業(yè)面源污染方面的應(yīng)用也深得相關(guān)部門的認(rèn)可，并且使用范圍越來越廣泛和深入。

2.1 3S 集成的綜合應(yīng)用

3S 是遙感技術(shù)全球定位系統(tǒng)和GIS 技術(shù)的簡稱，其概念由中國學(xué)者提出，3S 技術(shù)集信息獲取、處理、應(yīng)用于一體，其特點(diǎn)是信息獲取與處理速度快、實(shí)時(shí)性高、應(yīng)用精度高、可量化［81］。在利用GIS 進(jìn)行面源污染模擬過程中，海量的數(shù)據(jù)資料除了可以用參數(shù)估算法和已有的數(shù)據(jù)庫外，還可以利用遙感技術(shù)提取信息提高其運(yùn)用潛力。具有多光譜、大范圍和多時(shí)段監(jiān)測特點(diǎn)的遙感技術(shù)不僅可以靈活且經(jīng)濟(jì)有效地獲取數(shù)據(jù)資料，而且在解決農(nóng)業(yè)面源污染模型構(gòu)建中使輸入的參數(shù)具有時(shí)空連續(xù)性。全球定位系統(tǒng)能為GIS 的空間定位提供高、精、準(zhǔn)的地理位置，擴(kuò)大了GIS 的使用范圍。遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)與GIS 技術(shù)的結(jié)合將有助于面源污染研究的進(jìn)一步發(fā)展。3S 相互結(jié)合使三者之間的相互作用形成了“大腦和雙眼”的關(guān)系，也就是遙感和全球定位系統(tǒng)提供GIS 所需的位置信息，然后使用GIS 技術(shù)進(jìn)行空間分析，從遙感和全球定位系統(tǒng)提供的海量數(shù)據(jù)中選取有用信息，并進(jìn)行綜合集成，使之成為決策的科學(xué)依據(jù)。

2.2 智能GIS 的廣泛應(yīng)用

智能GIS 是以知識(shí)專家系統(tǒng)模擬人腦進(jìn)行啟發(fā)式推理為基礎(chǔ)，將知識(shí)專家系統(tǒng)與遙感、GIS 相融合，可以有效解決面源污染中某些不確定的問題，同時(shí)在制定空間決策支持系統(tǒng)時(shí)可以發(fā)揮重要作用［82］。

2.3 GIS 技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染精準(zhǔn)防控中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)面源污染精準(zhǔn)防控是通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)、GIS 和自動(dòng)化控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)污染防控的科學(xué)性，從源頭對(duì)面源污染進(jìn)行防控，如利用大型的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行田間管理，能夠做到精確配方施肥、定點(diǎn)施藥，在減少投入的情況下增加或維持產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少環(huán)境污染、節(jié)約資源及保護(hù)生態(tài)環(huán)境?；?S 技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)可以精確計(jì)算出每一塊地所需的投入，從而達(dá)到減少不必要的投入、避免資源浪費(fèi)及提高效益的目的，以確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，防止農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通過地表徑流形成面源污染。綜上，3S 技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)面源污染防控的實(shí)現(xiàn)和操作上起到至關(guān)重要的作用，大大提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有效遏制了農(nóng)業(yè)面源污染的蔓延。