殷寶庫(kù)，曹　煒，王　略，王　帆，陳桂榮,張建國(guó)

(黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710021)

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黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)體系及能力建設(shè)

殷寶庫(kù)，曹煒，王略，王帆，陳桂榮,張建國(guó)

(黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710021)

水土保持；監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；遙感監(jiān)測(cè)；地面觀測(cè)；信息采集；監(jiān)測(cè)能力建設(shè)；黃河流域

從黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)體系建設(shè)出發(fā)，梳理了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的現(xiàn)狀，介紹了近幾年開展的水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和取得的豐碩成果。針對(duì)目前黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)體系及能力建設(shè)存在的問題，如信息采集自動(dòng)化程度需要進(jìn)一步提高、應(yīng)用系統(tǒng)及信息資源共享不能滿足監(jiān)測(cè)工作發(fā)展、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)覆蓋不全等，提出了設(shè)想和建議。

1　監(jiān)測(cè)體系及能力建設(shè)現(xiàn)狀

1.1監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)站網(wǎng)是水利部水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，主要由黃河水利委員會(huì)(簡(jiǎn)稱“黃委”)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)和省區(qū)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)組成。黃委監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)包括黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、鄭州監(jiān)控中心和天水、西峰、榆林、臨潼等4個(gè)直屬監(jiān)測(cè)分中心；省區(qū)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)由黃河流域各省區(qū)監(jiān)測(cè)總站、地市監(jiān)測(cè)分站和縣市水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。目前，黃河流域已建成10個(gè)省區(qū)監(jiān)測(cè)總站、35個(gè)地市監(jiān)測(cè)分站、 215個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水土保持監(jiān)測(cè)站網(wǎng)(組織體系見圖1)。

圖1　黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)站網(wǎng)組織體系示意

為了充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，加快黃河流域水土保持信息化發(fā)展步伐，提高水土保持預(yù)防保護(hù)與治理水平，服務(wù)黃河的治理開發(fā)與管理，黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心建立了水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(“3S”技術(shù))，輔以自動(dòng)化的地面觀測(cè)、實(shí)地調(diào)查和巡測(cè)，建立高效的水土保持信息采集系統(tǒng)，強(qiáng)化流域水土保持宏觀信息采集；利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立快速的水土保持信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，加快信息傳輸速度；利用計(jì)算機(jī)海量信息(數(shù)據(jù))存儲(chǔ)技術(shù)，建立規(guī)范的信息存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，強(qiáng)化信息資源管理；結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)工作流程，建立方便、實(shí)用的水土保持應(yīng)用系統(tǒng)，服務(wù)于水土保持規(guī)劃、科研、監(jiān)督、管理、示范等各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

1.2遙感監(jiān)測(cè)

近5年來(lái)，黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)完成了多項(xiàng)水土保持遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的實(shí)施提高了技術(shù)水平，鍛煉了隊(duì)伍，獲得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(1)黃河中游多沙粗沙區(qū)重點(diǎn)支流水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，將數(shù)字航空攝影及其數(shù)據(jù)處理、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)成功應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)工作，獲得了覆蓋面積達(dá)2萬(wàn)km2的皇甫川、清水川、孤山川、窟野河、禿尾河、石馬川、佳蘆河等7條支流流域0.38 m的高分辨率正射航攝影像及水土保持措施、土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目分布等監(jiān)測(cè)成果。

(2)黃河上中游水土保持措施效益與評(píng)價(jià)項(xiàng)目，在水土保持措施調(diào)查范圍、內(nèi)容和精度方面創(chuàng)黃土高原地區(qū)之最。在黃土高原地區(qū)64萬(wàn)km2土地上開展了321個(gè)樣區(qū)0.90萬(wàn)km2的水土保持措施數(shù)量地面調(diào)查和3.30萬(wàn)km2的水土保持措施數(shù)量遙感調(diào)查，調(diào)查范圍和精度均超過了以往黃土高原地區(qū)水土保持措施調(diào)查。該項(xiàng)目采用資料收集、地面調(diào)查、遙感調(diào)查和抽樣調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相結(jié)合的綜合調(diào)查方法，既充分發(fā)揮了各種調(diào)查方法的特點(diǎn)，又對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用進(jìn)行了創(chuàng)新。

(3)國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題“黃河中游來(lái)沙銳減主要驅(qū)動(dòng)力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”項(xiàng)目，基于2.1 m分辨率衛(wèi)星影像，完成了黃河上中游17萬(wàn)km2主要來(lái)沙區(qū)梯田的解譯工作，同時(shí)通過調(diào)查獲得了大量梯田、林草、淤地壩的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目構(gòu)建了大空間尺度的梯田、林草減沙作用評(píng)價(jià)方法，提出了現(xiàn)狀梯田、林草的年均減沙作用，闡明了不同地區(qū)梯條田和林草在極端暴雨條件下的減沙作用；基于第一次全國(guó)水利普查等數(shù)據(jù)，結(jié)合300余座淤地壩的野外調(diào)查，核實(shí)了研究區(qū)淤地壩的建壩時(shí)間、已淤庫(kù)容等指標(biāo)，建立了淤地壩攔沙量計(jì)算方法；開發(fā)的“基于成因分析的下墊面變化減沙相應(yīng)測(cè)算系統(tǒng)”，取得了中華人民共和國(guó)國(guó)家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書。

(4)黃河流域(片)全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目，涉及青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東、新疆等9省區(qū)，以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的5個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)治理區(qū)、4個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)預(yù)防區(qū)的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)。該項(xiàng)目采用固定監(jiān)測(cè)區(qū)域、連續(xù)開展、逐年增加的方式，利用2.1 m分辨率衛(wèi)星影像獲取典型縣域土地利用、植被覆蓋、水土保持措施等信息，進(jìn)而判定水土流失侵蝕強(qiáng)度等級(jí)。目前，該項(xiàng)目已連續(xù)開展了4年，獲得了10余萬(wàn)km2的高分辨率衛(wèi)星影像及準(zhǔn)格爾旗、神木、吳起等近20個(gè)典型縣旗的多期監(jiān)測(cè)成果。

通過水土保持遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，擁有了高精度RTK GPS、全站儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備，ArcGIS、ERDAS等專業(yè)分析處理軟件和面向?qū)ο蟮倪b感信息快速提取軟件eCognition，積累了豐富的遙感影像處理、影像解譯、專題圖制作等經(jīng)驗(yàn)，形成了集采集、處理、分析于一體的水土保持遙感監(jiān)測(cè)體系，培養(yǎng)了一批水土保持遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)人員，為黃河流域水土保持遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3地面觀測(cè)

從20世紀(jì)四五十年代開始，黃委的天水、西峰、綏德水土保持試驗(yàn)站就開展了水土流失試驗(yàn)觀測(cè)，獲得了多年的水土流失觀測(cè)資料，為水土保持科學(xué)研究提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)三站有控制站16個(gè)、徑流場(chǎng)63個(gè)、雨量站90個(gè)，已被納入全國(guó)水土保持基本監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

依托全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目，黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心聯(lián)合流域省級(jí)監(jiān)測(cè)總站(中心)和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所屬管理單位開展了40多個(gè)典型監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水土流失監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括降雨、徑流、泥沙、植被覆蓋度(郁閉度)、土壤水分等，其中降雨、徑流、土壤水分、水位與流量監(jiān)測(cè)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

近年來(lái)黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心開展了70余個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)，其中鐵路、公路和輸油輸氣管道等線型項(xiàng)目50多個(gè)，大部分項(xiàng)目等級(jí)為大型及以上。項(xiàng)目分布在青海、甘肅、四川、寧夏、陜西、山西、河南、新疆等省區(qū)，涉及范圍廣，地貌類型復(fù)雜，水土保持監(jiān)測(cè)的開展有效地促進(jìn)了人為水土流失防治。

1.4數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

基于黃河流域水土保持本底數(shù)據(jù)庫(kù)和三站原型觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心對(duì)基礎(chǔ)信息、自然資源、基礎(chǔ)地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水土流失、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)、計(jì)劃管理、綜合治理、預(yù)防監(jiān)督、淤地壩管理、監(jiān)測(cè)等水土保持專業(yè)數(shù)據(jù)的有效管理，保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的安全性和易用性，為水土保持模型研究奠定了基礎(chǔ)。

以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為依托，結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的新需求開發(fā)了“黃河水土流失數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”和“小流域和監(jiān)測(cè)點(diǎn)等數(shù)據(jù)上報(bào)及資料整編系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)治理區(qū)水土流失監(jiān)測(cè)成果、典型小流域和監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)成果自動(dòng)入庫(kù)和統(tǒng)一管理，提高了工作效率，保障了成果質(zhì)量。通過不斷更新完善黃河流域水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，建成了黃河上中游地區(qū)數(shù)據(jù)資源目錄，促進(jìn)了數(shù)據(jù)共享，為流域水土保持工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)合“黃河水沙調(diào)控技術(shù)研究與應(yīng)用”課題，利用水文、氣象、林草植被、土地利用、水土保持措施等數(shù)據(jù)，基于下墊面因素對(duì)流域水沙變化影響的數(shù)學(xué)模型算法，開發(fā)了“基于成因分析的下墊面變化減沙響應(yīng)測(cè)算系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以支流、水文站控制范圍、小流域等不同空間尺度為單元分析計(jì)算淤地壩、梯田、林草等水土保持措施的減沙效益，結(jié)合氣象及水文資料，分析計(jì)算區(qū)域產(chǎn)沙模數(shù)。

2　存在問題

2.1信息采集自動(dòng)化程度需要進(jìn)一步提高

近年來(lái)，黃河流域監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)配置了大量的自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備，降雨、流量等指標(biāo)已基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè)，節(jié)省了大量人力物力。但缺少適用于高含沙水流的自動(dòng)徑流泥沙觀測(cè)設(shè)備，限制了黃土高原地區(qū)徑流泥沙的自動(dòng)化觀測(cè)。

隨著面向?qū)ο蟮闹悄芑跋穹治鲕浖Cognition的廣泛應(yīng)用，黃河流域監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的高分辨率遙感信息自動(dòng)化提取能力大幅提高，但仍存在人工反復(fù)試驗(yàn)特征有效性及特征閾值設(shè)置合理性等問題，無(wú)法快速準(zhǔn)確地構(gòu)建分類規(guī)則和規(guī)則集，快速自動(dòng)化提取仍存在一定問題。

2.2應(yīng)用系統(tǒng)及信息資源共享不能滿足監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展要求

隨著水土保持監(jiān)測(cè)工作的不斷深入，現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)已不能完全滿足監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展，缺少適用于具體監(jiān)測(cè)工作、智能化程度高的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。如缺少外業(yè)調(diào)查的移動(dòng)采集系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)工作外業(yè)工作者經(jīng)常還在用紙和筆進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，工作效率不高。

信息資源的有限性和不均衡性使信息資源的有效利用必須最大限度地實(shí)現(xiàn)信息資源共享。雖然黃委在數(shù)據(jù)共享方面已經(jīng)做了大量的工作，但是黃委與相關(guān)省(區(qū)、兵團(tuán))間及黃委內(nèi)部不同單位間的監(jiān)督、監(jiān)測(cè)、綜合治理等數(shù)據(jù)信息的及時(shí)交換尚未實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)成果不能及時(shí)為上級(jí)、相關(guān)省(區(qū)、兵團(tuán))和社會(huì)公眾提供服務(wù)，影響了黃委監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)工作職能的有效發(fā)揮。

2.3重點(diǎn)防治區(qū)監(jiān)測(cè)覆蓋不全，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布需要優(yōu)化

黃河流域涉及河龍區(qū)間多沙粗沙治理區(qū)等9個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)防治區(qū)。2013年以來(lái)，黃河流域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)取得了較為顯著的成績(jī)，但仍然存在一些問題亟待解決。

限于項(xiàng)目規(guī)劃和經(jīng)費(fèi)，黃河流域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍未能全面覆蓋重點(diǎn)防治區(qū)，監(jiān)測(cè)成果不能完整、全面地反映重點(diǎn)區(qū)域水土流失狀況及其防治成效；不同土壤侵蝕類型區(qū)部分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)代表性差，與重點(diǎn)防治區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果不能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)分析。

3　設(shè)想與建議

3.1提高數(shù)據(jù)采集與信息處理能力

進(jìn)一步完善黃委自有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和黃河流域全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目省屬監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的升級(jí)改造，配置視頻監(jiān)管等監(jiān)控設(shè)備，全面推進(jìn)地面觀測(cè)視頻監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和預(yù)警等功能；積極推進(jìn)適合黃土高原的高含沙水流泥沙自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備的研發(fā)、試用、改進(jìn)和推廣，實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)的徑流泥沙自動(dòng)觀測(cè)。

開展基于面向?qū)ο蟮闹悄芑跋穹治鲕浖Cognition的分類規(guī)則和規(guī)則集快速構(gòu)建技術(shù)研究，形成適用于黃河流域的分類規(guī)則和規(guī)則集庫(kù)，進(jìn)一步提高高分辨率影像的自動(dòng)化提取水平。配備三維激光掃描儀、無(wú)人機(jī)等設(shè)備，推進(jìn)遙感數(shù)據(jù)的快速獲取應(yīng)用和無(wú)人機(jī)、易康、平板電腦、激光測(cè)距儀等現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備的一體化集成應(yīng)用。

3.2大力推進(jìn)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

結(jié)合生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)、病險(xiǎn)淤地壩核實(shí)等近期工作，應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)可從以下幾方面著手：

(1)開發(fā)和完善生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)信息采集系統(tǒng)，提高其智能化水平并逐步實(shí)現(xiàn)從平板采集向服務(wù)器管理的功能擴(kuò)展。

(2)結(jié)合黃土高原中型以上病險(xiǎn)淤地壩復(fù)核工作，開發(fā)黃土高原病險(xiǎn)淤地壩核查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為項(xiàng)目順利實(shí)施提供全過程的數(shù)據(jù)支持。

(3)開發(fā)原型觀測(cè)數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)黃委天水、西峰和綏德3個(gè)水土保持科學(xué)試驗(yàn)站歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化整編。

(4)對(duì)“基于成因分析的下墊面變化減沙響應(yīng)測(cè)算系統(tǒng)”進(jìn)行參數(shù)率定、模型校驗(yàn)，完善數(shù)學(xué)模型算法并推廣到更大區(qū)域。

(5)開發(fā)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以“十二五”課題成果結(jié)合公告項(xiàng)目監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行區(qū)域性嘗試，推廣應(yīng)用范圍。

3.3全面監(jiān)測(cè)、優(yōu)化監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

利用《全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目五年規(guī)劃(2018—2022年)》編制的契機(jī)，積極爭(zhēng)取全面開展黃河流域國(guó)家級(jí)重點(diǎn)防治區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以全面反映重點(diǎn)區(qū)域水土流失狀況；進(jìn)一步優(yōu)化不同侵蝕類型區(qū)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局，增強(qiáng)其代表性并實(shí)現(xiàn)與重點(diǎn)防治區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果的對(duì)應(yīng)分析。

3.4推動(dòng)數(shù)據(jù)共享，提高數(shù)據(jù)有效性

制定流域數(shù)據(jù)共享管理辦法，完善數(shù)據(jù)管理制度和水土保持?jǐn)?shù)據(jù)資源目錄，建設(shè)黃河流域水土保持?jǐn)?shù)據(jù)管理平臺(tái)，逐步實(shí)現(xiàn)黃委與水利部、流域各省區(qū)之間及黃委內(nèi)部的信息共享和服務(wù)，使數(shù)據(jù)真正成為有用的信息，進(jìn)而為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供專業(yè)服務(wù)。

4　結(jié)　語(yǔ)

隨著黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)體系和能力的發(fā)展，黃委和所涉各省(區(qū))將配置更為先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備、處理軟件和信息采集系統(tǒng)，全面開展流域重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，并進(jìn)一步加強(qiáng)黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)能力，完善隊(duì)伍建設(shè)，提高合作交流及數(shù)據(jù)共享水平，有效提升黃河流域水土保持科學(xué)管理水平，以期為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、政府決策和社會(huì)公眾提供更為堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

(責(zé)任編輯徐素霞)

S157.2

C

1000-0941(2016)09-0083-03

殷寶庫(kù)(1979—)，男，山東金鄉(xiāng)縣人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)工作。

2016-07-18