地理信息技術在水土保持監測管理中的應用綜述

陳 浩，喻榮崗

(江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029)

地理信息技術在水土保持監測管理中的應用綜述

陳 浩，喻榮崗

(江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029)

GIS；RS；GPS；水土保持；監測管理

地理信息技術在水土保持監測管理中的應用，進一步提升了管理工作的科學性和實效性。詳細論述了GIS、RS、GPS的優勢和在水土保持監管中的具體應用，結合實際探討了存在的有效時間分辨率影響水土保持整體效益的分析與評價,有效地面分辨率影響水土保持治理措施的成效，遙感影像的質量造成水土保持效益監測時段不連續，模型運算空間分辨率影響水土保持監測成效分析，完整的推廣示范體系未形成等問題，并提出了具體的建議。

伴隨著水土保持新技術、新方法的不斷出現，以及相關交叉學科的不斷引入，我國水土保持監測管理工作的效率較以往有了較大的提高，尤其是引入地理信息系統、遙感、全球定位系統等地理信息技術后，借助于這些技術在數據管理、空間分析、宏觀決策等方面的性能優勢，管理工作的科學性和實效性得到了進一步提升。不僅有效地實現了數字小流域構建、土壤侵蝕模型數據庫建設、小流域水土保持信息管理系統開發等[1-4]，還可及時有效地跟蹤和了解不同小流域或區域內水土保持措施狀況、水土流失時空分布和動態變化等內容，從而提高監測管理工作的精準度與時效性，為開展水土保持工作提供了有力的技術支撐和科學的本底數據。

1 地理信息技術在水土保持監測管理中的應用

水土保持是一門綜合性學科，要做好水土保持監測管理工作，僅靠之前傳統的常規監測方法，已遠遠不能滿足當前監測管理工作的需要。地理信息技術作為一種基于宏觀層面的監測分析技術，目前已在農業、林業、水利、環境、監測等多個交叉學科領域得到了廣泛應用。從當前發展趨勢來看，地理信息技術的應用會對我國水土保持監測管理工作產生重大的推動作用，可進一步提升水土保持監測管理工作的系統性和科學性。

1.1 遙感(RS)技術在水土保持監管中的應用

1.1.1 RS技術簡介

遙感(Remote Sensing，簡稱RS)一詞顧名思義，就是遙遠的感知[5]。RS技術主要是通過特殊手段對地球表面地物及其特征進行遠距離探測和識別的一種技術，主要從空中到地面乃至從空間到地面對全球進行探測和監測的多層次、多視角、多領域的觀測技術體系，主要包括空間信息采集系統、地面接收和預處理系統、地面實況調查系統、信息分析應用系統等4部分。RS技術因其宏觀性和綜合性強、綜合效益高、信息量大、技術先進、獲取信息快、更新周期短、動態信息豐富等特點，應用領域非常廣泛。

1.1.2 RS技術在水土保持監測管理中的應用

RS技術在水土保持監測管理中的應用主要體現在通過不同遙感平臺的影像資料，結合一定的遙感解譯方法和手段，開展水土保持治理動態效益監測。動態效益監測內容主要有水土保持治理前后的土地利用變化情況、植被覆蓋度的變化情況、相關生態環境效益因子的動態變化等[6-7]。目前，低空遙感監測與地面雷達監測也在水土保持監管中得到了一定的推廣應用，特別是無人機遙感遙測技術克服了高空云層對獲取影像資料的限制，其監測數據的更新周期還可以根據項目的需要進行自主設定，進一步提高了遙感監測的靈活性[8]。RS技術在水土保持監管中的應用優勢主要體現在其具有強大的信息量和綜合效益，通過構建適當的遙感反演方法，可進行宏觀大區域的水土保持治理效益分析，為政府宏觀決策提供數據支撐。

1.2 全球定位系統(GPS)在水土保持監測管理中的應用

1.2.1 GPS簡介

全球定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)是利用人造地球衛星進行點位測量導航技術的一種[5]。GPS主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分組成，具有全天候獲取數據、全球覆蓋、可移動定位、精度高、操作簡單等特點，是對RS技術應用過程中的一個有效補充，特別是在大比例尺專題圖制作過程中，GPS應用廣泛。

1.2.2 GPS在水土保持監測管理中的應用

GPS具有精度高、獲取數據全天候等特點，常用于水土保持規劃設計、施工放樣、竣工驗收、水土流失監測和土地利用情況調查，以及生產建設項目水土保持動態監測[9-10]。采用該技術還可以進行不同水土流失區界線實地驗證和調整，通過布設不同密度點位網，進行綜合治理小流域和實施區域數字地形圖的構建[11]，為后期土壤侵蝕預測與分析提供基礎數據源。GPS在水土保持監管中的應用優勢主要體現在其不受天氣限制、精度高，可為水土保持監測提供有力的技術保障。

1.3 地理信息系統(GIS)在水土保持監測管理中的應用

1.3.1 GIS簡介

地理信息系統(Geographical Information System，簡稱GIS)是在計算機軟硬件支持下，研究并處理各種空間實體及空間關系為主的技術系統[12]，主要分為綜合性地理信息系統、區域性地理信息系統、專題性地理信息系統三大類[5]。從總體來看地理信息系統處理與管理的對象是多種地理空間實體數據和數據間關系，主要包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據等，用于分析和處理在一定地理區域內分布的各種現象和過程，解決復雜的規劃、決策和管理問題[2]。由于在處理空間實體與空間關系方面具有較大優勢，GIS目前已被廣泛應用于區域規劃與管理、資源與環境調查、災害監測、土地資源管理等多個領域[5]。

1.3.2 GIS在水土保持監測管理中的應用

GIS在水土保持監測管理中的應用主要表現在：利用GIS的空間分析功能，在相關本底數據(DEM、河網數據等)的基礎上實現小流域的提取[13]，從而構建數字化小流域；結合水土流失預測預報模型(USLE、RUSLE、CSLE模型等)[14-15]和水文預測預報模型[16-17](AGNPS、ANSWERS、MATSALU、SWAT、STREAM、SWIM、TOPMODEL等)，進行小流域土壤侵蝕預測預報和水土保持治理成效分析；結合小流域的水土保持治理情況，搜集相關信息，并進行矢量化和屬性賦值處理，構建小流域自然環境本底數據庫、水土保持治理信息庫模型[18]；通過WebGIS技術，實現水土保持基礎數據庫的共享和水土保持協同分析[19]，使水土保持部門和相關職能部門對小流域情況有一個宏觀上的把握，便于多部門統籌協作，制定區域性的水土保持規劃和其他發展規劃；通過計算機語言二次開發，構建專業的水土保持監測管理信息系統，實現水土保持監管工作的信息化和規范化。

1.4 地理信息集成(“3S”)技術在水土保持監測管理中的應用

1.4.1 “3S”技術簡介

地理信息集成技術，也就是通常所說的“3S”技術，即集成GPS、RS和GIS技術的整體，這種系統不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數據的功能，而且能夠智能分析和運用數據，為各種應用提供科學決策咨詢，并提供解決方案。RS和GPS技術可以提供海量數據，然后通過GIS技術的空間提取與分析功能，提取有用數據，從而進行綜合性分析，形成了一套綜合、完整的對地監測系統，為“數字地球”構建提供了理論基礎和數據支撐。

1.4.2 “3S”技術在水土保持監測管理中的應用

“3S”技術在水土保持監管中的應用，主要是通過集成GIS、GPS、RS技術，從整體上構建水土保持綜合管理及監測平臺，從而更好地開展小流域水土保持和區域水土保持監測管理工作，當前已有一些學者將“3S”技術應用到了水土保持監管中，并嘗試性地構建了水土保持監測管理系統[20-22]。“3S”技術的優勢就是集中了GIS的空間分析、RS的宏觀決策、GPS的高精度監測等技術優勢于一身，形成技術合力，使水土保持監測管理步入信息化時代。

2 地理信息技術在水土保持監測管理中應用存在的問題

水土保持重點治理工程、國家農業綜合開發水土保持項目、坡耕地水土流失綜合整治項目等一系列水土保持重點工程的實施，對當前水土保持監管工作提出了更高的要求，不僅要提升監管的實施力度更要充分體現監管效能。地理信息技術在水土保持監管宏觀決策和動態監管方面，優勢明顯。土地利用現狀、植被等基礎信息可以通過地理信息技術體系當中的空間屬性模塊來直接獲取，經過數據采集、貯存、分析等，以數據圖層的形式很直觀地呈現出來，從而便于技術人員提取地理環境中的坡度、坡向等指標[12]。以往，這些環節的工作往往需要進行現場勘察或測量，現階段，借助GIS的優勢性能，能彌補水土保持監測管理過程中的技術缺失，突顯各類型地理數據信息的利用實效，從而改善水土保持監測管理的效率。

但是，當前地理信息技術在水土保持監測管理中的應用也存在一些急需解決的問題，主要表現在以下幾個方面：一是有效時間分辨率。在進行水土保持監測管理時，由于不同的水土保持措施產生的效益時段不同，在選取遙感影像時，選取時間的不同會影響水土保持整體效益的分析與評價。二是有效地面分辨率。在進行水土保持效益分析時，不同地面分辨率的遙感影像往往造成分析結果不一，特別是坡度、坡向、林草覆蓋率等信息，會導致人為夸大或縮小某種水土保持治理措施的成效。三是遙感影像的質量。在基于RS技術獲取影像資料時，往往由于天氣問題，造成某時段遙感影像資料的缺失，使得水土保持效益監測時段不連續。四是模型運算空間分辨率。在進行基于地理信息技術模型運算時，一般會將所有運算圖層轉化為統一地面分辨率再進行模型的運算，這樣往往會影響模型的最終運算結果，從而影響水土保持監測成效分析。五是研究人員雖然對水土保持管理信息系統開展了一些有益的嘗試，但是由于各級水保部門和實地配套原位監測設備的缺失，目前還沒有形成一個完整的推廣示范體系。

3 幾點建議

針對當前地理信息技術在水土保持監測管理中的應用存在的問題，建議結合實地采樣調查、徑流小區定位試驗研究，對各項水土保持措施效益進行科學分析，從而構建水土保持措施時效數據庫，以便于選擇最佳時段遙感影像，開展合理的水土保持成效分析；利用不同分辨率的遙感影像結合實地監測，開展不同水土保持措施效益分析，篩選最優空間分辨率遙感影像數據庫，為后期的水土保持成效分析提供最優數據源；大力推進近地攝影測量技術，不僅操作簡單，而且大大提高了水土保持監測數據的精度；大力推進無人機遙感遙測技術，彌補因天氣原因而造成的遙感影像缺失等問題；結合坡面徑流小區試驗、集水區和小流域定位監測，積極開展不同尺度的水土保持效益模型運算研究，為模型運算的最優空間分辨率確定提供數據支撐；進一步加強各級水土保持部門的軟硬件配套，完善和新增水土保持監測點，并進行監測設備的更新。

從當前地理信息技術在水土保持監管中的應用來看，地理信息本身的優勢較為明顯，特別是地理信息集成技術在數據管理、空間分析等環節的優勢是其他技術無法比擬的[23]。今后，應進一步加強水土保持監管的軟硬件配套，科學論證地理信息技術數據源的有效性，搭建數據優選標準數據庫，為地理信息技術在水土保持監測管理中的應用提供數據和技術保障，為我國水土保持監測管理工作的有序開展保駕護航。

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(責任編輯 孫占鋒)

S157

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1000-0941(2015)06-0062-04

陳浩(1982—)，男，上海市人，助理工程師，學士，從事水土保持工作；通信作者喻榮崗(1977—)，男，江西德安縣人，高級工程師，碩士研究生，從事水土保持監測工作。

2015-04-10