基于RS和GIS的土地生態環境質量研究綜述

經卓瑋，馬友華，王 靜，於忠祥，周 靜

（1. 安徽農業大學，安徽 合肥 230036）

基于RS和GIS的土地生態環境質量研究是指將RS與GIS技術融入常見的土地生態環境質量研究[1-4]。RS能夠準確、快速地監測和獲取生態環境信息，是GIS重要的信息源。GIS與RS圖像處理系統結合應用[5]，為土地生態環境質量研究提供了強有力的技術支持。土地生態環境質量研究包括監測、評價、規劃、整治、管理、預警等方面。本文主要對土地生態環境質量監測、評價、預警進行了簡要闡述。

1 土地生態環境質量監測

土地生態環境質量監測是一個相對復雜卻必不可少的工作。由于在監測過程中會受到氣候變化、自然災害、植物生長、人類活動等因素的影響，僅靠肉眼觀察和簡單儀器難以完成。RS和GIS集成技術充分利用計算機技術，把遙感和地理信息系統有機地結合起來，可快速、準確地監測某一區域土地生態環境質量的變化情況，實現土地生態環境質量的動態監測[6,7]。

我國利用遙感技術進行土地質量動態監測始于1999年。國土資源部綜合應用“3S”技術對全國重點城市建設占用耕地等土地利用變化情況進行了監測，累計監測275個城市，面積達到180萬km2，為國土資源部開展各項工作提供了科學依據[8,9]。在監測過程中，為加強利用RS技術開展土地資源調查的標準化，國土資源部還頒布實施了《土地利用動態遙感監測規程》等標準[10]。

伍育鵬等[11]構建了適合中國國情的耕地質量動態監測體系，認為監測體系不僅要包含空間屬性, 也要包含土地有效厚度、養分含量、容重、利用狀況等有關土地質量的數據指標，在保留歷史數據的同時不斷更新，從而更加深入地了解耕地質量的變化過程,具體分析造成變化的原因，并將遙感監測數據作為建立空間數據庫的基礎。Kurucu Yusuf等[12]利用RS和GIS對Torbali——一個無規劃的城市化和工業化導致的農業地區非農用地進行研究。1965年～2001年的監測數據表明，由于工業化發展和城市擴張，多數農業用地已經轉化為工業和城市用地，農業土地流失和環境污染問題嚴重。5·12特大地震后，張飛等[13]以四川省北川縣為例，探討了以RS技術獲取專題信息，利用GIS技術開展災后重建生態環境質量變化的研究。結果表明，基于RS和GIS的評價避免了人為干擾，結果較為客觀，對災后生態環境的監測和恢復具有重要的意義。

2 土地生態環境質量評價

土地生態環境質量評價是以監測體系為基礎的研究，它通過RS空間數據處理技術和GIS空間分析技術，提取某一區域內的土地生態環境信息，利用這些數據建立與土地生態環境質量相關的指標體系。采取層次分析法、指數評價法、模糊數學分析法、主成分分析法等先進的數學方法加以評價，使評價結果在宏觀調控中得以應用[14,15]。土地生態環境質量評價可以看作是一個工具，但由于不同評價者的研究目的不一樣，導致到目前為止對質量評價沒有確定標準和固定的評價方法[16]。

運用RS和GIS集成技術進行土地生態環境質量評價，其結果和精度主要取決于RS和GIS自身的不斷發展以及評價體系的嚴密性、準確性、全面性。隨著相關技術的不斷發展,充分利用RS和GIS技術實現土地生態環境質量綜合評價，可以降低傳統評價方法中存在的誤差大、精度低、與實際不符、定性成分居多等問題，為評價結果的現實性、合理性提供重要保障，使評價結果更具說服力[17,18]。

劉昌蓉[19]根據瀘定縣的區域特點以及評價指標選取的原則，綜合采用層次分析法和基于GIS的圖形疊置法，建立了瀘定縣土地生態環境質量評價體系。通過制定各評價因子圖，利用層次分析法求得各因子權重，然后充分運用GIS的緩沖分析和疊置分析等空間分析功能和處理屬性數據的能力得到評價結果圖，將瀘定縣土地生態質量分為5個等級，有效地反映出土地生態環境質量的實際情況。趙小南、趙利舜[20]利用RS和GIS技術提取黑龍江省賓縣1996年和2005年的生態環境狀況評價信息并加以分析。結果表明，耕地、林地和草地三者的比例之和處于絕對優勢地位,區域以農林牧業生產為主；兩期區域土地生態環境狀況總體一般,2005比1996年相對較好。李妮婭等[21]采用遙感方法，結合評價指標體系和計算方法等要求，對白水河流域的生態環境質量進行評價，分析了該流域目前存在的主要生態問題并提出了相應的對策措施。

3 土地生態環境質量預警

為了保障土地生態環境的安全性，僅對土地生態環境質量進行監測和評價分析是遠遠不夠的，還需要根據該區域土地現狀進行預測，對未來可能會出現的土地生態環境質量問題進行防范調控，從而避免或減少相關損失[22]。土地生態環境質量預警系統是土地生態環境質量研究體系的重要組成部分之一，其技術流程可概括為發現警情、分析警兆、尋找警源、判斷警度以及排除警情5個步驟。它以遙感和GIS為技術支撐，將遙感數據與自然、社會、經濟等基礎數據相結合，利用這些柵格數據及GIS軟件建立基礎空間數據庫，并根據科學性、全面性、可操作性、相對獨立性、動態性的原則選取指標因子，構建數學模型，模擬土地生態環境現狀，預測土地生態環境質量的未來變化趨勢[23-26]。

生態環境質量預警一直是環境科學的一個研究熱點，從1972年的全球環境監測系統（GEMS）[27]提出至今，國內外專家針對生態環境質量預警系統開發設計及模型建立開展了大量研究。1982年，美國成功開發出AGENT系統，將美國中西部6個州的區域管理問題，在預警的基礎上實施全面的優化調控和智能決策，成為聯邦政府決策體系的基本組成部分[28]。張鴻輝等[29]結合WebGIS技術，對耕地預警信息系統的結構、功能進行初步設計，提出了C/S和B/S模式相結合的系統框架，并闡述了系統實現的關鍵技術，以期為區域耕地保護提供一個可行的系統實現方案。孟慶香[30]采用遙感和地理信息系統等手段,對黃土高原生態環境因子進行深入分析,分析并預測生態環境發展趨勢,為實現我國西部大開發的協調發展提供支持。

4 展 望

縱觀土地生態環境質量研究可以看出，RS和GIS技術在土地生態環境質量方面的應用已日趨成熟，兩者的集成提高了土地生態環境質量研究的時效性、科學性。但在推廣和應用過程中也存在不足：一是由于對遙感數據源的精度要求比較高，且研究過程比較復雜，推廣速度較為緩慢；二是目前RS和GIS技術雖有了一定的發展，但仍因缺乏專業的技術人員，在專業應用軟件的使用上存在困擾，給相關研究帶來限制。將來的研究和應用，要不斷開拓新的應用領域和研究方法，加強RS和GIS技術的融合，進一步縮小誤差，提升RS和GIS的精確度，實現“3S”技術的集成；建立多個部門信息平臺，為土地生態環境質量研究及時提供監測信息。同時，要完善和加強相關的技術培訓以及對專業技術人員的考核機制，提高技術人員的專業素質。另外，對土地生態環境質量影響較大的重金屬指標研究還較少，將是未來相關研究的發展方向。

[1]WWF.Living Planet Report 2012[S].

[2]國務院.全國土地利用總體規劃綱要(2006—2020年) [S].

[3]梅安新.遙感導論[M].北京：高等教育出版社,2001

[4]李軍.農業信息技術[M].北京:科學出版社,2006

[5]金鵬.3S技術在生態和環境信息系統中的應用[J].現代農業科技,2008(12):308-309

[6]李松林.生態監測技術與我國生態監測工作現狀綜述[J].Value Engineering, 2010(23):109

[7]張銀輝,趙庚星,趙文武.縣級耕地遙感動態監測方法研究[J].測繪通報,2002(3):25-27

[8]田燕,孫婷婷,馬軍成,等. 基于“3S”技術的耕地質量動態監測初探[J].畜牧與飼料科學,2009,30(6):17-18

[9]顏國強,楊洋.耕地質量動態監測初探[J].國土資源情報,2005(3):41-43

[10]TD/T 1010-1999.土地利用動態遙感監測規程[S].

[11]伍育鵬,鄖文聚,李武艷.用標準樣地進行耕地質量動態監測與預警探討[J].中國土地科學,2006,20(4):40-45

[12]Yusuf K,Chiristina N K.Monitoring the Impacts of Urbanization and Industrialization on the Agricultural Land and Environment of the Torbali,Izmir region,Turkey[J].Environmental Monitoring and Assessment, 2008，136(1/3)：289-297

[13]張飛,史海霞,楊斌.5·12地震災區生態環境變化研究[J].測繪科學,2013,38(1):104-105

[14]劉洪岐. 基于RS和GIS的北京市生態環境評價研究[D].北京:首都師范大學，2008

[15]張笑楠.基于GIS的潛江市土地生態環境質量評價與農用地分等研究[D].武漢：華中農業大學,2006

[16]全國農業技術推廣服務中心，中國農科院農業資源與區劃所.耕地質量演變趨勢研究[M].北京：中國農業科學技術出版社,2008

[17]陳濤,徐瑤.基于RS和GIS的四川生態環境質量評價[J].西華師范大學學報：自然科學版,2006,27(2):153-157

[18]呂巧靈,張雷,吳克寧，等.鄭州市郊區土地生態環境質量評價[J].農業資源與環境科學,2007,23(1):118-122

[19]劉昌蓉.基于GIS的瀘定縣土地生態環境質量評價[D].成都:成都理工大學，2008

[20]趙小南,趙利舜.基于RS和GIS的賓縣土地利用變化的生態環境研究[J].黑龍江水專學報,2010,37(3):74-77

[21]李妮婭,唐瑤,楊麗，等.基于遙感技術的白水河流域生態環境質量現狀研究[J].華中師范大學學報：自然科學版,2013,47(1):103-107

[22]吳冠岑.土地生態系統和安全預警[M].上海:上海交通大學出版社,2012

[23]梅寶玲,陳舜華.內蒙古生態環境預警指標體系研究[J].南京氣象學院學報,2003(3):385-394

[24]孫凡,趙靖明,張富華，等. 重慶市生態質量監測評價及生態安全的預警系統構建研究[J]. 西南大學學報：自然科學版,2012,34(12):81-86

[25]梅寶玲,陳舜華.內蒙古生態環境預警指標體系研究[J].南京氣象學院學報,2006,26(3):384-394

[26]廖永豐,聶承靜,楊林生,等.洪澇災害風險監測預警評估綜述[J].地理科學進展,2012,31(3):361-367

[27]湯建平.GEMS:全球環境監測系統[J].遙感信息,1992(4):41

[28]傅伯杰.區域生態環境預警的原理與方法[J].資源開發與保護,1991,7(3):138-141

[29]張鴻輝,劉友兆,繆瑞林.基于WebGIS技術的耕地預警信息系統的初步設計[J].國土資源信息化,2003(5):22-25

[30]孟慶香.基于遙感、GIS和模型的黃土高原生態環境質量綜合評價[D].楊凌:西北農林科技大學,2006