基于集成3S技術(shù)的平板電腦在石漠化監(jiān)測中的應用

李富海，萬 猛*，劉 敏，張 莉

(河南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，河南鄭州450045)

石漠化指在熱帶、亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和巖溶極其發(fā)育的自然背景下，受人為活動干擾，地表植被遭受破壞，導致土壤嚴重流失，基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現(xiàn)象，是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式［1］。石漠化已經(jīng)成為我國現(xiàn)階段突出的生態(tài)環(huán)境問題之一，盡管自20世紀80年代開始許多學者就已經(jīng)有所關(guān)注，但對其形成機理尚不清楚，同時也缺乏系統(tǒng)的研究方法［2］，嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，危及國土生態(tài)安全。河南省南陽市是全國石漠化較嚴重的地區(qū)，也是全國石漠化分布的北緣，是全國巖溶區(qū)的重要組成部分，石漠化已成為南陽市的災害之源、貧困之根，直接影響了丹江口水庫庫容和水質(zhì)。因此，為查清河南省石漠化的本底數(shù)據(jù)，揭示其演變規(guī)律，進一步提出合理的治理措施，2014年河南省首次采用平板電腦集成3S技術(shù)與地面調(diào)查相結(jié)合的方法開展石漠化監(jiān)測工作。

利用遙感技術(shù)將石漠化監(jiān)測所用到的遙感影像進行幾何糾正、正射、融合、裁剪、鑲嵌等;利用ArcGIS軟件建立地理信息數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)高清影像進行小班區(qū)劃;然后，利用帶有GPS功能的設(shè)備到外業(yè)進一步修改完善小班邊界和屬性因子。通過3S集成技術(shù)的應用，將空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、衛(wèi)星導航定位技術(shù)和通訊技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了石漠化空間地理信息的快速采集、處理、管理、空間分析、多方式表達、信息轉(zhuǎn)播和應用［3］。

在外業(yè)調(diào)查中利用集成有3S功能的平板電腦進行。平板電腦體型小，攜帶方便，自帶GPS功能，可以用手指觸控方式或數(shù)字筆方式進行人機對話，開、關(guān)機速度快，電池續(xù)航時間長;且平板電腦為固態(tài)硬盤，抗震性能強，更適合在野外移動環(huán)境中進行各種操作;能方便地接入無線網(wǎng)絡(luò)或3G通訊網(wǎng)絡(luò)，便于數(shù)據(jù)的傳輸?；谄桨咫娔X的功能優(yōu)勢，利用集成有3S功能的平板電腦進行石漠化監(jiān)測是科學的，可以極大地減輕勞動強度，外業(yè)調(diào)查人員無需攜帶地形圖和各種遙感影像圖，實現(xiàn)外業(yè)信息采集全程無紙化，并提高數(shù)據(jù)采集精度。

1 監(jiān)測區(qū)概況

河南省石漠化監(jiān)測區(qū)范圍位于南水北調(diào)中線工程渠首所在地和重要水源區(qū)的南陽市，共10縣(市)。南陽市位于河南省西南部，鄂、豫、陜3省交界處。東界駐馬店、信陽市，南接湖北省襄樊市、十堰市，西與陜西省的商州市相接，北與三門峽、洛陽、平頂山3市毗鄰。地理坐標為110°58′～113°49′E、32°17′～33°48′N，南北寬 155 km，東西長 225 km，總面積2．66 萬 km2。

2 石漠化監(jiān)測中3S技術(shù)的應用

2．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集 為做好石漠化監(jiān)測工作，除收集監(jiān)測區(qū)社會經(jīng)濟情況、土壤、水文、氣象等資料外，還購買了監(jiān)測區(qū)的綜合水文地質(zhì)圖、最新的SPOT5衛(wèi)星影像圖，收集了南陽市林地落界成果圖，同時還下載了最新的谷歌地圖、天地圖等。

2．2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理

2．2．1 行政界線的生成。利用ArcGIS軟件從南陽市林地落界的矢量數(shù)據(jù)庫中通過融合生成監(jiān)測區(qū)的縣、鄉(xiāng)行政界線圖層，圖層屬性中有縣、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))名稱，空間參考為Xian_1980_GK_CM_111E。

2．2．2 巖溶區(qū)邊界的生成。紙質(zhì)圖掃描成的柵格圖件只有經(jīng)過配準后才能與其他空間數(shù)據(jù)疊加在一起進行應用。將紙質(zhì)的綜合水文地質(zhì)圖進行掃描，利用Photoshop軟件進行旋轉(zhuǎn)、拉伸和裁邊處理;利用ArcCatalog軟件進行空間參考信息的定義，并在ArcMap中加載后進行幾何校正和配準，生成數(shù)字柵格地圖即DRG(Digital Raster Graphic);利用Arc-Catalog在縣、鄉(xiāng)行政界線圖層MDB數(shù)據(jù)中建立巖溶區(qū)邊界圖層，在ArcMap中與配準后的綜合水文地質(zhì)圖進行疊加，用矢量化工具分鄉(xiāng)(鎮(zhèn))區(qū)劃出巖溶區(qū)的邊界。

2．2．3 影像數(shù)據(jù)的處理。用ArcCatalog軟件對 SPOT5影像、谷歌地圖或天地圖進行空間參考信息定義后，以南陽市林地落界時的影像數(shù)據(jù)為參考，用ArcMap軟件進行幾何精校正。為了增加圖像的可識別性，對經(jīng)過精糾正的圖像分別進行直方圖均衡化處理和分段線性拉伸處理，使得圖像的色彩、紋理清晰，便于判讀區(qū)劃。

2．4 石漠化數(shù)據(jù)庫的建立 用ArcCatalog軟件直接在縣、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))行政界線圖層的MDB數(shù)據(jù)庫中建立石漠化圖斑圖層，屬性字段根據(jù)國家林業(yè)局《巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(2011修訂)》的標準建立［1］，如圖斑號、面積、土地利用類型、基巖裸露度、優(yōu)勢植物種類、巖溶土地石漠化狀況、石漠化程度等39項因子。通過野外踏查和室內(nèi)分析建立遙感解譯標志。在ArcMap中將其與巖溶區(qū)邊界圖層、糾正后的SPOT5影像、谷歌地圖或天地圖等圖層進行疊加。依據(jù)圖斑劃分條件和遙感影像上反映的色調(diào)、形狀、圖形、紋理、地域分布等特征與相應判讀類型之間的關(guān)系。通過目視解譯、同地類歸并、圖像分割、鄰近區(qū)域縮漲等方法，使用ArcMap對巖溶區(qū)石漠化、潛在石漠化及非石漠化圖斑圖層進行矢量化勾繪，把縣、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))名稱、圖斑號等屬性因子填寫完整，生成屬性數(shù)據(jù)庫［4］。

3 石漠化監(jiān)測中平板電腦的應用

3．1 平板電腦用數(shù)據(jù)的制作

3．1．1 投影轉(zhuǎn)換。空間數(shù)據(jù)的來源各不相同，其空間參考也各不相同，但所有導入平板電腦的數(shù)據(jù)都要有統(tǒng)一的投影坐標系。用ArcToolbox的投影轉(zhuǎn)換功能，將不同投影信息的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

3．1．2 影像數(shù)據(jù)的壓縮及格式轉(zhuǎn)換。由于遙感影像數(shù)據(jù)量較大，難以在移動設(shè)備上快速瀏覽，為了提高平板電腦處理遙感影像數(shù)據(jù)的功能和效率，對于分辨率高、占用系統(tǒng)資源過大的遙感影像數(shù)據(jù)采用高倍率數(shù)據(jù)壓縮算法進行處理，且影像顯示不失真。為了在使用中不失密，需要用《全國荒漠化和沙化監(jiān)測系統(tǒng)》桌面端軟件進行格式轉(zhuǎn)換。

3．1．3 數(shù)據(jù)的導入和導出。通過USB接口把區(qū)劃的石漠化圖斑數(shù)據(jù)圖層以及處理后的各種影像數(shù)據(jù)導入到平板電腦，并按《全國荒漠化和沙化監(jiān)測系統(tǒng)》移動端軟件所要求的相應的文件夾存放，以便外業(yè)調(diào)查。

3．1．4 外業(yè)現(xiàn)地核實調(diào)查。在平板電腦中通過《全國荒漠化和沙化監(jiān)測系統(tǒng)》移動端軟件把室內(nèi)區(qū)劃的石漠化圖斑圖層以及各種影像數(shù)據(jù)圖層進行疊加，到野外實地修正圖斑邊界;完善土地利用類型、巖溶土地石漠化狀況、石漠化程度、母巖、土壤、植被及地形地貌等屬性因子;選擇有代表性的區(qū)域采集GPS坐標，作為GPS特征點并拍攝特征點所在現(xiàn)地照片以及對相應影像圖截屏，所拍攝的照片帶有GPS坐標信息。外業(yè)結(jié)束后，把帶有屬性因子的石漠化矢量圖層、特征點照片等通過USB接口從平板電腦導出到計算機中，進行邏輯檢查和統(tǒng)計匯總。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢查

將在外業(yè)修正完善后的石漠化圖斑圖層數(shù)據(jù)從平板電腦中導出到計算機中，用ArcCatalog軟件對此圖層建立拓撲，拓撲的規(guī)則一般定義為不能重疊和不能有縫隙，在Arc-Map中進行拓撲檢查并修改錯誤。同時，還需要根據(jù)國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院編寫的《石漠化監(jiān)測管理信息系統(tǒng)》進行邏輯錯誤的檢查并修改。

5 監(jiān)測成果的生成

石漠化圖斑數(shù)據(jù)在空間與屬性因子檢查無誤后，圖斑面積自動生成，可以通過《石漠化監(jiān)測管理信息系統(tǒng)》生成各種報表;也可以把屬性因子導出，用Excel軟件的數(shù)據(jù)透視功能進行統(tǒng)計，并利用ArcMap軟件進行各種成果圖件的制作。

6 結(jié)論

在河南省石漠化監(jiān)測工作中，首次采用3S技術(shù)以及集成3S技術(shù)的平板電腦與地面調(diào)查相結(jié)合的技術(shù)方法，環(huán)環(huán)相扣，結(jié)合緊密。通過RS技術(shù)從遙感影像中獲取基礎(chǔ)信息，利用ArcGIS建立數(shù)據(jù)庫并對遙感影像進行判讀區(qū)劃圖斑，利用帶有GPS功能的平板電腦進行現(xiàn)地核實調(diào)查;再把外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)導入到計算機，利用ArcGIS進行拓撲檢查、面積求算等。

通過集成3S技術(shù)的平板電腦和無線通訊(3G)技術(shù)的應用，有效克服了外業(yè)調(diào)查人員攜帶地形圖、衛(wèi)片，現(xiàn)地調(diào)查中遇到的找明顯地物、對照地形過程中經(jīng)常出現(xiàn)衛(wèi)片、地形圖和現(xiàn)地確定困難、圖斑位置區(qū)劃不準確等問題，節(jié)省了大量的人力、物力，減輕了外業(yè)調(diào)查人員勞動強度，確保調(diào)查成果的真實性、地理位置的準確性以及面積求算的精準性，提高了石漠化監(jiān)測調(diào)查的精度和效率，實現(xiàn)了石漠化監(jiān)測調(diào)查的無紙化、高效化。

［1］巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(2011年修訂)［A］．國家林業(yè)局，2011．

［2］王曉紅，劉耀林，彭恢鉻．應用RS和GIS技術(shù)監(jiān)測石漠化的研究［J］．中國水土保持，2006(5):47-50．

［3］黃寧輝．淺談“3S”技術(shù)在廣東省巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測中的應用［J］．防護林科技，2006(6):59-60．

［4］河南省巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測實施細則［S］．河南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，2014．