基于3S技術(shù)的小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)要點(diǎn)分析

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)很多地區(qū)水土流失，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、土壤結(jié)構(gòu)破壞，這成為限制農(nóng)業(yè)乃至社會(huì)發(fā)展的重要瓶頸。為了加強(qiáng)3S技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果，技術(shù)人員要根據(jù)具體監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)嶋H，科學(xué)使用3S技術(shù)，全面掌握3S技術(shù)的應(yīng)用方式，制定更加有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案。為此，以3S技術(shù)功能為切入點(diǎn)，從多方面闡述了基于3S技術(shù)的小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)要點(diǎn)。旨在通過合理布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，精確采集各類土壤侵蝕數(shù)據(jù)，以全面彰顯其綜合效益。

關(guān)鍵詞：3S技術(shù)"小流域"水土保持"生態(tài)監(jiān)測(cè)"數(shù)據(jù)采集

Analysis"of"Key"Points"for"Ecological"Monitoring"of"Soil"and"Water"Conservation"in"Small"Watersheds"Based"on"3S"Technology

LUOYang

Ganzhou"Institute"of"Water"Resources"and"Electric"Power"Investigation"and"Design，"Ganzhou，"Jiangxi"Province，"341000"China

Abstract："With"the"rapid"development"of"the"social"economy，"soil"erosion"in"many"regions"of"China"has"led"to"the"deterioration"of"the"ecological"environment"and"the"destruction"of"soil"structure，"which"is"an"important"bottleneck"restricting"agricultural"and"even"social"development."In"order"to"enhance"the"application"effect"of"3S"technology"in"dynamic"monitoring"of"soil"and"water"conservation，"technicians"should"scientifically"use"3S"technology"based"on"the"actual"monitoring"area，"comprehensively"master"the"application"methods"of"3S"technology，"and"formulate"more"effective"dynamic"monitoring"plans."Therefore，"taking"the"functions"of"3S"technology"as"the"starting"point，"the"key"points"of"ecological"monitoring"of"soil"and"water"conservation"in"small"watersheds"based"on"3S"technology"are"elaborated"from"various"aspects."It"aims"to"comprehensively"demonstrate"its"comprehensive"benefits"by"reasonably"setting"up"monitoring"stations"and"accurately"collecting"various"soil"erosion"data.

Key"Words："3S"technology;"Small"watershed;"Soil"and"water"conservation;"Ecological"monitoring;"Data"collection

當(dāng)前，我國(guó)自然條件下的土壤侵蝕問題愈發(fā)突出，這種不平衡狀態(tài)不僅嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭受破壞，制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還產(chǎn)生了大量淤泥等雜質(zhì)，在一定程度上削弱了水庫(kù)的調(diào)蓄能力，加劇了河流洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，為了深入掌握土壤侵蝕狀況的自然演變規(guī)律及其與氣候變化的相互作用機(jī)制，需借助3S技術(shù)對(duì)小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)，并采取科學(xué)有效的防治措施對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)與治理。

1"3S技術(shù)的功能

3S技術(shù)具體指地理信息系統(tǒng)（Geographic"Information"System，GIS）、遙感（Remote"Sensing，RS）技術(shù)與全球定位系統(tǒng)（Global"Positioning"System，GPS），其在信息化社會(huì)中扮演著數(shù)字化生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)的角色。這3項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用能夠充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成強(qiáng)大的綜合應(yīng)用能力。通過GPS和RS技術(shù)，可以精準(zhǔn)地獲取小流域范圍內(nèi)的空間信息；GIS技術(shù)則能夠?qū)@些信息進(jìn)行科學(xué)地分類、深入地分析、有效地存儲(chǔ)。最終，這些處理后的信息將以數(shù)字或圖形的方式直觀呈現(xiàn)，為水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)的決策者提供有力的科學(xué)依據(jù)[1]。

1.1數(shù)據(jù)采集與輸入

在GIS平臺(tái)的強(qiáng)大支撐下，野外調(diào)查數(shù)據(jù)和圖紙資料能夠被高效地轉(zhuǎn)化為具有精確地理位置信息的數(shù)字地圖。這一過程依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)大處理能力，將原始的、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別、可處理的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過巧妙地利用GIS技術(shù)，可以成功將實(shí)地調(diào)查和圖紙資料轉(zhuǎn)化為數(shù)字地圖，從而為基于3S技術(shù)的小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)提供寶貴的數(shù)據(jù)資源。

1.2"數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換

當(dāng)數(shù)據(jù)被錄入計(jì)算機(jī)后，GIS系統(tǒng)能夠智能地解析命令，敏銳地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的潛在問題，并及時(shí)提示用戶進(jìn)行必要的修正。經(jīng)過修正的數(shù)據(jù)將被妥善地保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以確保其安全性和可訪問性。由于數(shù)據(jù)來源的多樣性，所以，數(shù)據(jù)預(yù)處理成了一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。例如：通過RS技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)可以采用Excel等通用格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并與GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過專業(yè)軟件，將其轉(zhuǎn)化為具有精確空間坐標(biāo)的矢量數(shù)據(jù)。此外，還可以將遙感影像與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，從而更加直觀地展示特定坐標(biāo)系下的地表影像細(xì)節(jié)，為水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)提供更加精確、直觀的信息支持。

2"基于3S技術(shù)的小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

在農(nóng)田項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期間，為了提升單位面積農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，常發(fā)生過度施用化肥和化學(xué)農(nóng)藥現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著改變，還使土壤硬化、肥力逐漸衰退。加之雨水沖刷，地表肥沃土壤大量流失，土壤侵蝕問題愈發(fā)嚴(yán)峻[2]。

2.1"監(jiān)測(cè)籌備階段

在小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)工作前，需要完成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備的研發(fā)任務(wù)，以強(qiáng)化信息資料的高效搜集與整理能力。在硬件配置上，需要確保設(shè)備具備出色的計(jì)算能力，以滿足高負(fù)荷圖形處理任務(wù)的需求。具體配置要求包括電腦內(nèi)存不低于128"MB、硬盤容量超過20"G、顯示屏尺寸至少為17英寸。在軟件選用上，采用Arcview軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并搭載Windows操作系統(tǒng)。在信息數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，應(yīng)優(yōu)先采用最新的TM遙感圖像數(shù)據(jù)，并同步收集與之相關(guān)的地形圖、多種比例尺的水土保持圖、土地利用現(xiàn)狀圖、林業(yè)圖、地質(zhì)圖、氣候圖及一系列文本資料。水土保持監(jiān)測(cè)工作具有系統(tǒng)性與專業(yè)性，其實(shí)施過程中必須配備高水平的專業(yè)技術(shù)人員，他們不僅需要精通水土保持領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，還需熟練掌握遙感技術(shù)、地質(zhì)地形地貌分析、土壤地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與計(jì)算機(jī)操作技能[3]。

2.2"確立解譯標(biāo)識(shí)

在采用3S技術(shù)對(duì)小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)的過程中，不同地域的地質(zhì)地貌特征、土壤利用模式與植被覆蓋狀況均展現(xiàn)出各自獨(dú)特的光譜響應(yīng)，并在遙感圖像上形成了各異的地貌輪廓、色彩分布與紋理細(xì)節(jié)。依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與TM遙感影像的固有特性，通過系統(tǒng)收集與分析地質(zhì)地貌的多樣信息，可以構(gòu)建起土壤侵蝕關(guān)鍵影響因素與遙感圖像特征之間的映射關(guān)系。

2.2.1"地質(zhì)地貌解譯

地質(zhì)地貌解譯是對(duì)圖像上的巖石紋理與顏色密切相關(guān)進(jìn)行解譯。例如：巖石在圖像上普遍顯示為灰色調(diào)，而在春、秋季節(jié)，受光照條件和植被覆蓋變化的影響，巖石色彩可能轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨驕\黃色；山區(qū)地形在圖像上呈現(xiàn)出顯著的紋理差異，邊緣輪廓清晰，脊線與溝谷的界線分明，明暗對(duì)比強(qiáng)烈，且色彩保持相對(duì)一致性；在山區(qū)向平原的過渡區(qū)域，圖像上常出現(xiàn)不規(guī)則的黃白交錯(cuò)圖案，以及由地形變化引起的圖像分割現(xiàn)象；相比之下，平原地形顯得更為開闊，地表平坦，紋理結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.2.2"土壤利用解譯

土壤利用解譯主要依據(jù)季節(jié)性的植被覆蓋及農(nóng)作物生長(zhǎng)情況來進(jìn)行土壤分析。一般而言，在春季，土壤在圖像上呈現(xiàn)灰色調(diào)；在夏季，土壤則因植被生長(zhǎng)旺盛而轉(zhuǎn)為紅色。在特定區(qū)域，如旱季，土壤顯示為灰色，進(jìn)入夏季后則轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色或粉色，且邊緣清晰，紋理細(xì)膩。在春、秋季節(jié)，這些區(qū)域的土壤可能呈現(xiàn)出暗灰色或紅色，并可觀察到如碗狀等特定的紋理特征。

2.2.3"植被覆蓋解譯

植被覆蓋解譯?是指通過RS技術(shù)對(duì)地表植被覆蓋情況進(jìn)行定量和定性的分析和解釋。根據(jù)植被覆蓋程度的不同，圖像上展現(xiàn)出多樣的色彩與紋理特征。例如：某項(xiàng)目中，當(dāng)植被覆蓋度超過75%時(shí)，圖像呈現(xiàn)均勻的深紅色調(diào)；當(dāng)植被覆蓋度在60%～70%之間時(shí)，圖像為深紅色但帶有一定的鮮艷度；當(dāng)植被覆蓋度在45%～60%之間時(shí)，圖像出現(xiàn)條紋狀或斑塊狀色彩，以中紅或亮紅色為主，并伴有黃色斑點(diǎn)與細(xì)微的紋理切割痕跡；當(dāng)植被覆蓋度在30%～45%時(shí)，圖像顯示不規(guī)則形狀的陰影區(qū)域，色彩相對(duì)均衡，以黃色或黃白色為主，且紋理切割痕跡增多；當(dāng)植被覆蓋度低于30%時(shí)，圖像上呈現(xiàn)黃、黃白及紅色斑點(diǎn)，形狀極不規(guī)則[4]。

2.3"實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)所提出的小流域水土保持生態(tài)監(jiān)測(cè)方案的精確性，本文針對(duì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)被設(shè)計(jì)并實(shí)施，對(duì)水文、水環(huán)境及水生態(tài)三大驗(yàn)證性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行一致性驗(yàn)證，以評(píng)估監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異性。

2.3.1"實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

選取某地作為研究區(qū)域，利用3S技術(shù)進(jìn)行土壤－水文－生態(tài)綜合容量的觀測(cè)，以驗(yàn)證該模型在土壤－地下水－植被生態(tài)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果。該區(qū)域是一個(gè)由支流村溪組成的小型流域，流域總長(zhǎng)達(dá)104.17"km，總面積為1067.46"km2，均屬于山地型水系，在洪水季節(jié)易發(fā)生洪澇災(zāi)害，河道不同部位的生態(tài)環(huán)境存在差異。在布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，需根據(jù)空間分布和生態(tài)類型均衡地配置各類監(jiān)測(cè)斷面。表1是監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)選取的依據(jù)表。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，需要根據(jù)數(shù)量變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以確保環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，需要合理控制運(yùn)維成本，全面統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)成果，并持續(xù)優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)段。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，項(xiàng)目采用平均偏離度法，將斷面數(shù)據(jù)與總體成果相結(jié)合，作為解析指標(biāo)，對(duì)小流域進(jìn)行分類。在洪水監(jiān)測(cè)中，若需要對(duì)該區(qū)域洪水進(jìn)行綜合評(píng)估，則可以根據(jù)已有的降雨和水位數(shù)據(jù)，采用區(qū)劃方法分區(qū)預(yù)測(cè)，得出最終預(yù)報(bào)值[5]。

2.3.2"研究成果與解析

根據(jù)小流域生態(tài)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行聚類分析，得出各監(jiān)測(cè)斷面的聚類結(jié)果（見表2）。其中，甲地、D地和E地均被歸類為一類地區(qū)，具有較高的工業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)特征；B區(qū)和C區(qū)則屬于同一類型，由于這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于主河道上且距離較近，所以，在實(shí)際上，其水電設(shè)施和土地利用方式相同。

為了優(yōu)選監(jiān)測(cè)方案，選取了水文、水環(huán)境和水生態(tài)3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。本文對(duì)這3項(xiàng)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了一致性校驗(yàn)，并在α=0.03的顯著性水平下進(jìn)行驗(yàn)證。平均值的計(jì)算方法為

本文對(duì)這3項(xiàng)指標(biāo)的平均值進(jìn)行了計(jì)算，詳細(xì)結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，3項(xiàng)指標(biāo)的平均值均小于2.0，表明優(yōu)化后的數(shù)據(jù)無顯著差異。這說明各監(jiān)測(cè)斷面各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的取樣差異較小，保證了數(shù)據(jù)的一致性。

3"結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)小流域各類型區(qū)的生態(tài)環(huán)境承載能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。通過采取治理農(nóng)業(yè)污染、控制污水排放等措施，增強(qiáng)了土壤和地下水的保護(hù)力度，從而有效改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。通過優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案，在降低費(fèi)用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更全面的監(jiān)測(cè)成果，實(shí)現(xiàn)了小流域水環(huán)境的有效配置。本項(xiàng)目的研究成果為我國(guó)小流域水土氣耦合系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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