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(cè)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(cè)管理

地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)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(shì)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(shí)間分辨率影響水土保持整體效益的分析與評(píng)價(jià),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(cè)時(shí)段不連續(xù)，模型運(yùn)算空間分辨率影響水土保持監(jiān)測(cè)成效分析，完整的推廣示范體系未形成等問(wèn)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(guó)水土保持監(jiān)測(cè)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(shì)，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(kù)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(shí)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(shí)空分布和動(dòng)態(tài)變化等內(nèi)容，從而提高監(jiān)測(cè)管理工作的精準(zhǔn)度與時(shí)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(cè)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(cè)管理工作，僅靠之前傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前監(jiān)測(cè)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(cè)分析技術(shù)，目前已在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)境、監(jiān)測(cè)等多個(gè)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(shì)來(lái)看，地理信息技術(shù)的應(yīng)用會(huì)對(duì)我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)管理工作產(chǎn)生重大的推動(dòng)作用，可進(jìn)一步提升水土保持監(jiān)測(cè)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(jiǎn)介

遙感(Remote Sensing，簡(jiǎn)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(guò)特殊手段對(duì)地球表面地物及其特征進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)和識(shí)別的一種技術(shù)，主要從空中到地面乃至從空間到地面對(duì)全球進(jìn)行探測(cè)和監(jiān)測(cè)的多層次、多視角、多領(lǐng)域的觀測(cè)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(dòng)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(cè)管理中的應(yīng)用

RS技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在通過(guò)不同遙感平臺(tái)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(dòng)態(tài)效益監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)效益監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)變化等[6-7]。目前，低空遙感監(jiān)測(cè)與地面雷達(dá)監(jiān)測(cè)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(wú)人機(jī)遙感遙測(cè)技術(shù)克服了高空云層對(duì)獲取影像資料的限制，其監(jiān)測(cè)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(cè)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(shì)主要體現(xiàn)在其具有強(qiáng)大的信息量和綜合效益，通過(guò)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(cè)管理中的應(yīng)用

1.2.1 GPS簡(jiǎn)介

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS)是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)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(dòng)定位、精度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是對(duì)RS技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的一個(gè)有效補(bǔ)充，特別是在大比例尺專題圖制作過(guò)程中，GPS應(yīng)用廣泛。

1.2.2 GPS在水土保持監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[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(guò)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(cè)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(shì)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(cè)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(cè)管理中的應(yīng)用

1.3.1 GIS簡(jiǎn)介

地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，簡(jiǎn)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(lái)看地理信息系統(tǒng)處理與管理的對(duì)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(guò)程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問(wèn)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(shì)，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(cè)、土地資源管理等多個(gè)領(lǐng)域[5]。

1.3.2 GIS在水土保持監(jiān)測(cè)管理中的應(yīng)用

GIS在水土保持監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)報(bào)模型(USLE、RUSLE、CSLE模型等)[14-15]和水文預(yù)測(cè)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(cè)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(kù)、水土保持治理信息庫(kù)模型[18]；通過(guò)WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)小流域情況有一個(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言二次開發(fā)，構(gòu)建專業(yè)的水土保持監(jiān)測(cè)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(cè)管理中的應(yīng)用

1.4.1 “3S”技術(shù)簡(jiǎn)介

地理信息集成技術(shù)，也就是通常所說(shuō)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(dòng)、實(shí)時(shí)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(guò)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(duì)地監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)平臺(tái)，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(cè)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(cè)管理系統(tǒng)[20-22]。“3S”技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(cè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一身，形成技術(shù)合力，使水土保持監(jiān)測(cè)管理步入信息化時(shí)代。

2 地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)管理中應(yīng)用存在的問(wèn)題

水土保持重點(diǎn)治理工程、國(guó)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(duì)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(dòng)態(tài)監(jiān)管方面，優(yōu)勢(shì)明顯。土地利用現(xiàn)狀、植被等基礎(chǔ)信息可以通過(guò)地理信息技術(shù)體系當(dāng)中的空間屬性模塊來(lái)直接獲取，經(jīng)過(guò)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(lái)，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(chǎng)勘察或測(cè)量，現(xiàn)階段，借助GIS的優(yōu)勢(shì)性能，能彌補(bǔ)水土保持監(jiān)測(cè)管理過(guò)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(cè)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(cè)管理中的應(yīng)用也存在一些急需解決的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是有效時(shí)間分辨率。在進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)管理時(shí)，由于不同的水土保持措施產(chǎn)生的效益時(shí)段不同，在選取遙感影像時(shí)，選取時(shí)間的不同會(huì)影響水土保持整體效益的分析與評(píng)價(jià)。二是有效地面分辨率。在進(jìn)行水土保持效益分析時(shí)，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(huì)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(shí)，往往由于天氣問(wèn)題，造成某時(shí)段遙感影像資料的缺失，使得水土保持效益監(jiān)測(cè)時(shí)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(shí)，一般會(huì)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(huì)影響模型的最終運(yùn)算結(jié)果，從而影響水土保持監(jiān)測(cè)成效分析。五是研究人員雖然對(duì)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(jí)水保部門和實(shí)地配套原位監(jiān)測(cè)設(shè)備的缺失，目前還沒(méi)有形成一個(gè)完整的推廣示范體系。

3 幾點(diǎn)建議

針對(duì)當(dāng)前地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)管理中的應(yīng)用存在的問(wèn)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(duì)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(shí)效數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于選擇最佳時(shí)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(cè)，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(kù)，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(cè)量技術(shù)，不僅操作簡(jiǎn)單，而且大大提高了水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度；大力推進(jìn)無(wú)人機(jī)遙感遙測(cè)技術(shù)，彌補(bǔ)因天氣原因而造成的遙感影像缺失等問(wèn)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(cè)，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(jí)水土保持部門的軟硬件配套，完善和新增水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(lái)看，地理信息本身的優(yōu)勢(shì)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(shì)是其他技術(shù)無(wú)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(kù)，為地理信息技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)管理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和技術(shù)保障，為我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)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

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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(jí)工程師，碩士研究生，從事水土保持監(jiān)測(cè)工作。

2015-04-10