陳 斌，李 俊，高 智，鄒小玲，季耀波(.中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 322；2.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 322)

“3S”技術(shù)在水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查中的應(yīng)用研究

陳 斌1,2，李 俊1，高 智1，鄒小玲1，季耀波1
(1.中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122)

野外核查；動態(tài)監(jiān)測；遙感監(jiān)測；水土流失；“3S”技術(shù)

為減少野外工作中的不確定性、提高野外核查的準確性和效率，筆者結(jié)合多年外業(yè)工作經(jīng)驗，總結(jié)了基于“3S”技術(shù)的水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查方法，并以太湖流域水土流失動態(tài)監(jiān)測項目為例，介紹了水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查工作中數(shù)據(jù)來源、前期準備、野外核查、內(nèi)業(yè)整理等方面的具體工作。實踐表明，采取基于“3S”技術(shù)的水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查工作方法，有助于規(guī)范工作流程、提高工作效率。

水土流失監(jiān)測是評價水土流失與生態(tài)環(huán)境狀況、水土流失預(yù)防保護措施和效果的重要手段。中共中央、國務(wù)院在2012年一號文件中明確提出要強化水土流失監(jiān)測預(yù)報[1]?！端筷P(guān)于加強水土保持監(jiān)測工作的通知》中特別指出“全面加強水土流失動態(tài)監(jiān)測”是水土保持監(jiān)測的重點任務(wù)之一。

目前，水土流失動態(tài)監(jiān)測多采用遙感監(jiān)測與野外抽樣調(diào)查復(fù)核相結(jié)合的方法。利用遙感監(jiān)測快速、宏觀、客觀的特點，監(jiān)測區(qū)域土地利用情況和植被狀況，并根據(jù)區(qū)域地形地貌，通過三因子綜合評價法評價區(qū)域水土流失狀況，進而從總體上監(jiān)測預(yù)防保護區(qū)情況，達到動態(tài)監(jiān)測的目的。但是在實際工作中，由于遙感影像存在同物異譜、異物同譜現(xiàn)象，以及受人為因素影響，在數(shù)據(jù)解譯后常常會存在與實際地物不符的情況，因此在專題信息提取分析之前，需要對數(shù)據(jù)進行野外調(diào)查復(fù)核[2]，以確保數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準確性。筆者基于太湖流域水土流失動態(tài)監(jiān)測項目，結(jié)合多年外業(yè)工作經(jīng)驗，在減少野外工作中的不確定性、提高野外核查準確性和效率的前提下，總結(jié)了一套野外核查方法。

1 數(shù)據(jù)來源及軟硬件設(shè)備

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)遙感數(shù)據(jù)。采用國產(chǎn)資源遙感衛(wèi)星影像，影像資料由水利部公開招標采購獲得，采集日期主要是每年的8、9月，要求項目區(qū)影像數(shù)據(jù)云量少于3%、重疊度不低于4%，采集區(qū)域為位于國家級重點預(yù)防保護區(qū)范圍內(nèi)的浙江省淳安縣、安徽省黃山市(徽州區(qū)、黃山區(qū)、屯溪區(qū))等，影像全色波段分辨率為2.1 m、多光譜分辨率為5.8 m。

(2)地形圖數(shù)據(jù)。地形圖數(shù)據(jù)來源于國家測繪地理信息局的1∶5萬地形圖，數(shù)據(jù)采用高斯克呂格投影、CGCS2000坐標系、6°分帶，通過航空攝影測量方法成圖。該比例尺地形圖可用于研究和評價地形情況，供工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地質(zhì)、氣象、環(huán)保等各部門勘察、規(guī)劃、設(shè)計、科研、教學(xué)等使用，可用于編寫小比例尺地形圖或作為繪制專題圖的基礎(chǔ)資料。

1.2 軟硬件條件

結(jié)合多年野外核查經(jīng)驗，綜合考慮現(xiàn)場核查中的各個過程，對軟硬件的要求如下。

(1)硬件配置。筆記本電腦，內(nèi)存4 GB以上，CPU Intel Core(TM)i5；GPS手持接收機，Garmin公司的eTrex 209x型號GPS(具備高靈敏度GPS+北斗接收芯片，定位精度95%概率優(yōu)于10 m，經(jīng)過差分后精度可提高至3 m)；數(shù)碼相機。另外還需要汽車、測距儀等裝備。

(2)軟件要求。GPS設(shè)備適配軟件，包括Garmin Basecamp 3.0、Unistrong GIS Office 2.2；地理數(shù)據(jù)處理軟件，ESRI ArcGIS；遙感圖像處理軟件，ENVI等。

2 前期準備

2.1 設(shè)計核查線路

按照先大后小、全面覆蓋的原則進行線路設(shè)計。先確定大尺度線路，如淳安縣—屯溪區(qū)—徽州區(qū)—黃山區(qū)的核查線路；再進行小尺度線路的設(shè)計，根據(jù)各個縣(區(qū))道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地形地貌特點，主要為南北向或者東西向，線路要盡可能多地貫穿核查區(qū)域，而第二年的線路方向應(yīng)與第一年不同。

2.2 篩選核查點位

核查點布設(shè)以縣(區(qū))為單元，根據(jù)遙感解譯的土地利用類型及圖斑總數(shù)等，進行隨機抽樣核查。核查點的數(shù)目必須滿足不少于5‰的比例要求，且只有核查點正確率高于90%時，解譯成果才算合格。

具體篩選過程：第一步利用ArcGIS軟件feature to point命令，將解譯的土地利用面要素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點要素數(shù)據(jù)，點要素數(shù)據(jù)保留了原土地利用中心點的經(jīng)緯度和土地利用類型屬性等信息；第二步通過 Python語言隨機采樣代碼random.sample(population,k)，對點數(shù)據(jù)進行1.5%左右(即5‰要求的2～3倍)數(shù)量的隨機采樣抽點；第三步加載設(shè)計好的線路，對采樣點進行刪減，直至點數(shù)滿足要求。

第二年篩選核查點位時，第一步先獲取由第二年土地利用面要素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的點要素數(shù)據(jù)；第二步用第一年的土壤侵蝕強度等級數(shù)據(jù)，按不同侵蝕強度等級對轉(zhuǎn)換的點要素數(shù)據(jù)進行分類，此時點要素數(shù)據(jù)多了一層土壤侵蝕強度等級屬性；第三步對分類的點要素數(shù)據(jù)分別進行1.5%左右數(shù)量隨機采樣；第四步加載設(shè)計線路，對采樣點進行刪減，直至滿足要求。之后，利用遙感圖像處理軟件從影像中提取變化圖斑，對前后兩期影像進行波段運算，通過 Majority/Minority Analysis 工具對小碎斑進行過濾，再進行聚類分析處理進一步過濾小碎斑，矢量化后利用ArcGIS將面積較小的圖斑刪除，得到有變化屬性的圖斑。此類圖斑若無法通過影像判斷其變化屬性，則將其加入核查點中進行野外核查確認。

2.3 設(shè)計調(diào)查記錄表

根據(jù)水利部要求和新安江預(yù)防保護區(qū)動態(tài)監(jiān)測的實際需要，考慮野外核查的特點，調(diào)查記錄表的內(nèi)容應(yīng)包括縣(區(qū))域名稱、樣點號、經(jīng)緯度、地貌類型、蓋度照片、郁閉度照片、遠景照片、近景照片、工作照片、備注、記錄者、時間等。將篩選好的核查點按ID編號并保留其經(jīng)緯度和土地利用屬性做成核查點總表。

2.4 確定野外判別標準

根據(jù)水利部水土保持監(jiān)測中心發(fā)布的《水土流失重點區(qū)域監(jiān)測成果整編工作手冊(試行)》中的附表《野外調(diào)查單元土地利用分類表》規(guī)定：一級大類有8類，分別是耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地；二級類有16類，如耕地二級類分別是水田、水澆地、旱地。二級類分類后附帶名稱含義解釋，如水田是指用于種植水稻、蓮藕等水生農(nóng)作物的耕地。

3 野外核查

3.1 查勘點定位

通過Basecamp或GIS Office軟件將篩選好的核查點按ID編號(確保點號與核查點總表中保持一致)并導(dǎo)入GPS。在使用前要把GPS拿到室外空曠處或者車窗外，避免高樓和樹木的干擾，開啟后機器會自行搜索衛(wèi)星信號進行定位。一般情況下，GPS接收到3顆衛(wèi)星信號即可進行定位，4顆及以上衛(wèi)星信號不僅能定位還可以對所在位置海拔進行測定。當臨近核查點位時，由一人手持GPS在前方帶路尋找點位，到達點位后將核查點號報給記錄人員并指出點位所在具體位置，若無法近前則需通過GPS測算點位的方向和距離，并通過測距儀進行識別。

3.2 判別點位土地利用屬性

以土地利用分類表中的含義為依據(jù)，結(jié)合專業(yè)知識和經(jīng)驗，根據(jù)現(xiàn)場周邊的土地利用類型、林草植被覆蓋度、地貌類型及其他復(fù)雜情況，對核查點位進行土地利用屬性判別。為排除核查點總表中核查點位的土地利用屬性先入為主的干擾，采取先由人工進行初步判斷，再與總表比對進行二次判斷。默認總表中的土地利用屬性正確，若二者接近則以表中屬性為準，若二者相去甚遠，則對該點進行方圓50 m范圍繞點查看，避免因GPS的偏移導(dǎo)致誤判的可能。若判別結(jié)果與表中不符，則做好標記留待內(nèi)業(yè)加載影像圖后再次進行核對比較。

3.3 調(diào)查記錄表填寫

GPS定位后把樣點號記錄好并填寫記錄的日期和時間，待土地利用屬性判別完后，若實際核查屬性與總表中一致，則在表中對應(yīng)的地貌類型的方框中打鉤，若不一致，則打叉并將實際的土地利用屬性在表中標注。

3.4 拍照記錄

每個核查點都需要進行遠景和近景拍照記錄，包括GPS和現(xiàn)場的工作照，并對記錄完畢的調(diào)查記錄表進行拍照記錄。

4 內(nèi)業(yè)整理

4.1 GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將GPS的航跡數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用GIS Office軟件Tools菜單下的Covert Navi Date to GIS Date命令將其轉(zhuǎn)為線要素Shape file 矢量數(shù)據(jù)，并保留存檔，便于在下次線路設(shè)計時進行對照。

4.2 照片資料歸類

將記錄照片按“核查順序+樣點號”文件夾命名的方式進行分類，每個文件內(nèi)至少包含有遠景照片、近景照片、GPS+記錄表照片、工作照4張記錄照片資料，將照片分別放入調(diào)查記錄表電子版相應(yīng)位置，建檔保存。

4.3 核查記錄檢查匯總

在ArcGIS中把核查記錄表中做標記的核查點導(dǎo)入，加載最新影像圖進行核對，并確定該點的土地利用類型。此時默認該點所在圖斑的土地利用屬性為野外核查結(jié)果，除非通過影像圖判斷核查結(jié)果錯誤，比如該圖斑內(nèi)有多種土地利用屬性，野外核查結(jié)果的屬性占該圖斑總面積比例很小。之后對整個核查結(jié)果進行匯總，統(tǒng)計正確率。

4.4 對預(yù)處理數(shù)據(jù)進行修改

若正確率不低于90%，則將核查中發(fā)現(xiàn)的預(yù)處理中存在錯誤圖斑的土地利用屬性進行修改，預(yù)處理數(shù)據(jù)可用來進行下一步工作。若低于90%，則將數(shù)據(jù)返回重新處理，再次進行核查驗證，直到滿足水利部的統(tǒng)一要求為止。

4.5 結(jié)果與分析

利用“3S”技術(shù)在水土流失動態(tài)監(jiān)測中進行野外核查，有利于在工作流程上規(guī)范操作。以某年黃山市屯溪區(qū)野外核查為例，先通過兩期影像進行變化自動檢測分析。圖1為兩期影像初次運算的結(jié)果，白色表示未發(fā)生變化，黑色斑點表示兩期影像存在不同。再進行過濾和聚類操作，得出土地利用發(fā)生變化的圖斑分布情況的一個初步結(jié)果，依據(jù)此結(jié)果進行核查線路設(shè)計。圖2為某年黃山市屯溪區(qū)東西向的核查線路圖。在實地核查時，因為地貌類型復(fù)雜多變，所以有些核查點較難到達。圖3為黃山市屯溪區(qū)某處核查點位內(nèi)業(yè)土地利用數(shù)據(jù)修改示意，其中“×”處為現(xiàn)場核查時人員定位點，“·”處為所核查土地利用圖斑的中心點。比如，圖3、表1中的0010地物類型為有林地，其中心點(“·”處)位于山丘之上，現(xiàn)場核查時人員可在0010點(“×”處)借助測距儀進行核查，并在內(nèi)業(yè)整理時，根據(jù)GPS線路和GPS新增點位進行再次確認，保證了數(shù)據(jù)核查結(jié)果的準確性。

圖1 某年黃山市屯溪區(qū)兩期影像初次運算的結(jié)果

圖2 某年黃山市屯溪區(qū)東西向核查線路

圖3 黃山市屯溪區(qū)某處核查點位內(nèi)業(yè)土地利用數(shù)據(jù)修改示意

表1 土地利用核查點修改說明

5 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，野外核查的技術(shù)方法和手段會越來越多樣?！?S”技術(shù)應(yīng)用在水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查線路和點位的選擇、內(nèi)外業(yè)工作流程規(guī)范，以及數(shù)據(jù)庫建立與應(yīng)用方面均有重要作用?；凇?S”技術(shù)的野外核查方法與傳統(tǒng)方法相比在提高效率的同時，更避免了傳統(tǒng)方法由于操作人員技術(shù)水平參差不齊而帶來的誤差。后續(xù)工作中，我們將重點解決野外核查中耗時多的問題，借助“3S”技術(shù)實現(xiàn)快速準確定位，以大大提升野外核查效率。

[1] 姜德文.水土保持公報的改革方向與內(nèi)容趨向[J].中國水土保持,2015(7):1-3,15.

[2] 丁鳳,陳文惠,張明鋒.運用3S技術(shù)進行福建省生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調(diào)查野外核查的實驗研究[J].福建地理,2002(4):60-62.

TP79;S157

A

1000-0941(2018)01-0062-03

陳斌(1988—)，男，江西上饒市人，助理工程師，碩士，主要研究方向為“3S”技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。

2017-05-15

(責任編輯 李楊楊)