水土流失動態(tài)監(jiān)測中遙感與地理信息系統(tǒng)技術的應用

劉曉靜，閆璐瑤，羅麗芳，李昱霏

（1.黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，甘肅 西峰 745000；2.黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局，甘肅 綏德 719000）

水土流失是世界范圍內最為嚴重的環(huán)境問題之一，對生活環(huán)境影響巨大。水土流失形成機理和形成過程復雜，憑借單一的研究方法很難揭示其過程。應用遙感技術、地理信息系統(tǒng)技術等先進技術可以幫助人們更加高效、準確地監(jiān)測土壤侵蝕分布的動態(tài)變化，做好分級分類工作，為科學決策提供可靠依據(jù)。

一、遙感技術和地理信息系統(tǒng)

1、遙感技術（RS）

遙感技術產生于20 世紀60 年代，借助電磁波原理以及各類傳感器，實現(xiàn)對目標輻射及反射電磁波信息的遠距離收集和處理，得到相應的圖像，完成物體識別。地質工作中，遙感技術通過單一波段轉換構建多元化模型，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息及時傳遞給地面中心，實現(xiàn)對水工環(huán)地質的分析。

遙感技術中，傳感器是核心設備之一，不同類型的傳感器在反應成像方面存在一定差異。目前，常用傳感器包括紅外攝影傳感器、光攝影傳感器以及光譜掃描傳感器等。在不斷發(fā)展中，遙感技術的分辨率有了很大提高，監(jiān)測范圍也在持續(xù)拓展，傳感器波段增加，通過與超光譜成像儀相互配合，能進一步提升圖像的最終分辨率[1]。

2、地理信息系統(tǒng)（GIS）

GIS 能夠對數(shù)據(jù)空間內幾乎所有類型的數(shù)據(jù)信息進行采集和整理，在保證數(shù)據(jù)真實性、準確性和完整性的同時，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高度整合。應用中，GIS 技術對計算機硬件設備和軟件系統(tǒng)有嚴格要求，通過硬件與軟件的結合，能夠就地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、運算、分析和顯示。作為一門以信息技術為基礎發(fā)展起來的綜合性學科，GIS 通過3D 視圖與具體地理空間坐標結合，能對相關地理數(shù)據(jù)進行輸入、存儲、查詢以及分析。

GIS 系統(tǒng)本身附帶相應的圖形用戶界面，目標用戶能夠對可視化地圖中的數(shù)據(jù)進行查看和操控。這個功能的基礎是GIS 引擎，其作為系統(tǒng)核心能夠為數(shù)據(jù)庫供給、拓撲功能等提供支撐，方便用戶使用[2]。信息化時代背景下，GIS 技術發(fā)展迅速，相關研究人員越來越重視對GIS 用戶界面的研究。

二、水土流失動態(tài)監(jiān)測運用遙感和地理信息系統(tǒng)的必要性

1、傳統(tǒng)監(jiān)測手段落后

20 世紀80 年代開始，國家先后進行4 次水土保持或土壤侵蝕普查工作。由于監(jiān)測技術水平的限制，這4 次普查都存在監(jiān)測周期長、時效性弱、成果單一的問題。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測設備需要專業(yè)人員手動操作，測量速度慢、精度不高、數(shù)據(jù)更新不及時，發(fā)現(xiàn)水土流失問題時已發(fā)展到難以治理的程度。尤其是一些新興經濟開發(fā)項目周邊區(qū)域，如果缺乏實時性、動態(tài)性的水土流失數(shù)據(jù)，會給監(jiān)管和防治工作帶來很大難度[3]。

2、數(shù)據(jù)信息質量不高

水土流失監(jiān)測需要采集、分析和處理很多數(shù)據(jù)，并設定相應的時間界限，人工操作費時、費力，容易產生紕漏。日常水土流失監(jiān)測管理中，人工數(shù)據(jù)采集點設置過于集中，實時監(jiān)測無法固定指標，只能檢測部分點，得到的水體流失數(shù)據(jù)代表性差，存在數(shù)據(jù)質量不高的問題。

3、評價方法存在缺陷

在缺乏現(xiàn)代技術支撐時，水土流失評價方法存在很多缺陷。以第2 次和第3 次全國土壤侵蝕調查為例，因為基礎數(shù)據(jù)欠缺，采用了專家定性分析的方法，依照土壤侵蝕分類、分級標準，對土壤侵蝕的類型、強度以及面積等進行評價[4]。這種方法本身存在很強的主觀性，不能保證結果的準確性。與之相比，第4 次全國水土保持情況普查使用了遙感影像配合抽樣統(tǒng)計分析評價的方法，雖然同樣忽略了部分影像因子，但是相比較前一種準確度提高很多。

4、可視化的管理需求

在現(xiàn)代水土流失動態(tài)監(jiān)測中，應用傾斜攝影技術、視頻監(jiān)控技術可提供立體、直觀、可視化的交互方式，改善了監(jiān)測站工作人員的操作體驗，滿足監(jiān)測站可視化管理的需求。

將RS 和GIS 技術應用到水土流失動態(tài)監(jiān)測中，能有效解決上述問題，提升水土流失動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的準確性和有效性，為水土流失的預防和治理提供支持[5]。

三、遙感和地理信息系統(tǒng)的應用路徑

1、RS 技術在水土流失動態(tài)監(jiān)測中的運用

RS 技術能夠在較遠的距離之外對物體進行探測和感知，基本不受地面條件影響，有廣泛的視域范圍。信息技術的飛速發(fā)展推動了RS 影像處理技術的成熟，能獲得異常豐富的影像資源，且圖像的分辨率高，更新周期短，是現(xiàn)階段水土流失動態(tài)監(jiān)測的一種重要手段，在水土保持和生態(tài)環(huán)境保護中發(fā)揮著不容忽視的作用。

不同區(qū)域中，遙感水土流失監(jiān)測可實現(xiàn)有效提取動態(tài)信息，信息的周期性和連續(xù)性能夠切實保證水土流失監(jiān)測的高效性。借助實時遙感圖像可有效監(jiān)測土壤侵蝕強度的動態(tài)變化，綜合分析區(qū)域內植被資源的動態(tài)變化，對照水土流失發(fā)展趨勢，及時就區(qū)域內可能出現(xiàn)水土流失加劇或生態(tài)環(huán)境惡化的地方進行警示，確保相關部門盡快防范和應對。

應用RS 技術還能合理分析相關資料，發(fā)布有效的水土保持成效公告。研究人員利用地面遙感監(jiān)測系統(tǒng)，針對水土流失問題進行了動態(tài)監(jiān)測，使部分監(jiān)測工作實現(xiàn)了自動化和數(shù)字化，推動了水土保持監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化[6]。

2、GIS 技術在水土流失動態(tài)監(jiān)測中的運用

GIS 技術有非常突出的空間信息處理能力，能根據(jù)不同用戶需求提供不同信息，并將數(shù)據(jù)處理結果通過地圖、圖形和數(shù)據(jù)等形式體現(xiàn)出來。

借助GIS 技術能管理遙感普查得到的數(shù)據(jù)資料，為水土保持工作的實施提供可靠的決策依據(jù)。地形因素對水土流失的影響極大，但在傳統(tǒng)水土流失監(jiān)測中，坡度和坡長都是人工勾繪的，需要消耗大量的時間和精力，而且繪圖的精度無法保證。應用GIS技術使工作人員可以利用DEM 和DTM 模型，生成和地形有關的空間分布特征，將地形輸入到系統(tǒng)中進行矢量化處理，獲得全國地面坡度分級圖。借助疊加分析模型對水土流失影響因素進行疊加，對照預先輸入的參數(shù)標準，GIS 系統(tǒng)能生成專題圖件，明確水土流失動態(tài)變化情況。然后對照相應的統(tǒng)計分析模型，對水土流失的發(fā)展趨勢和治理效益進行預測，確保水土保持工作順利展開。

水土保持動態(tài)監(jiān)測Web GIS 系統(tǒng)能解決水土保持動態(tài)監(jiān)測中涉及的海量數(shù)據(jù)處理問題，整合集成不同來源的數(shù)據(jù)，或提供桌面地圖排版以及專題地圖制作等服務。將GIS 系統(tǒng)應用到水土保持監(jiān)測中可發(fā)揮其在數(shù)據(jù)管理、空間分析以及可視化等方面的功能，總結系統(tǒng)應用優(yōu)勢，同時明確水土保持監(jiān)測發(fā)展的新方向[7]。

3、RS 與GIS 集成技術在水土流失動態(tài)監(jiān)測中的運用

水土流失動態(tài)監(jiān)測中，對RS 和GIS 技術集成應用能更好地收集水土流失現(xiàn)狀和水土流失治理信息，為水土保持提供充足依據(jù)。運用時應關注2 方面的內容：

一是遙感數(shù)據(jù)采集功能的強化。水土流失的誘發(fā)因素多種多樣，為從遙感數(shù)據(jù)中提取準確信息，可采用多種復合技術手段，全面收集和整理水土流失因素，如區(qū)域遙感信息多波段與多平臺復合方法、定性分析與定量分析結合方法、遙感信息與地圖復合方法等。這些方法和手段的應用可增強遙感數(shù)據(jù)采集功能，充分發(fā)揮RS 和GIS 技術的優(yōu)勢。

二是水土保持信息管理系統(tǒng)構建。在一些重點防治工程及重大開發(fā)建設項目中，可運用分辨率較高的三維動態(tài)模型，將水土流失預測預報模型引入到典型區(qū)域中，配合RS 技術和GIS 技術，構建數(shù)字化的水土保持信息管理系統(tǒng)，對各個區(qū)域內的重點區(qū)域水土流失情況進行全面動態(tài)監(jiān)測，提升管理的動態(tài)性和時效性，推動水土保持管理水平的提高，為政府決策提供可供參考依據(jù)，借助數(shù)字化、現(xiàn)代化的水土保持管理模式，確保水土保持工作高效完成[8]。

四、結語

在水土流失動態(tài)監(jiān)測中，RS 技術和GIS 技術發(fā)揮著非常重要的作用，將2 種技術整合應用可以提供多時相、多波段的信息來源，在保證遙感信息精度的同時，切實提升GIS 數(shù)據(jù)分析的智能化程度，推動一體化空間信息系統(tǒng)的建設和優(yōu)化，改善土地動態(tài)監(jiān)測工作效果。通過RS 技術和GIS 技術的整合應用，能夠同時發(fā)揮遙感技術高效、經濟以及地理信息系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的特點，對水土流失動態(tài)監(jiān)測工作方法進行創(chuàng)新，為生態(tài)環(huán)保性社會建設提供可靠技術支撐。