基于集成3S技術的平板電腦在石漠化監測中的應用

李富海，萬 猛*，劉 敏，張 莉

(河南省林業調查規劃院，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象，是巖溶地區土地退化的極端形式［1］。石漠化已經成為我國現階段突出的生態環境問題之一，盡管自20世紀80年代開始許多學者就已經有所關注，但對其形成機理尚不清楚，同時也缺乏系統的研究方法［2］，嚴重制約了區域經濟社會發展，危及國土生態安全。河南省南陽市是全國石漠化較嚴重的地區，也是全國石漠化分布的北緣，是全國巖溶區的重要組成部分，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。因此，為查清河南省石漠化的本底數據，揭示其演變規律，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技術與地面調查相結合的方法開展石漠化監測工作。

利用遙感技術將石漠化監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據庫，并根據高清影像進行小班區劃;然后，利用帶有GPS功能的設備到外業進一步修改完善小班邊界和屬性因子。通過3S集成技術的應用，將空間技術、傳感器技術、計算機技術、衛星導航定位技術和通訊技術相結合，實現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、信息轉播和應用［3］。

在外業調查中利用集成有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字筆方式進行人機對話，開、關機速度快，電池續航時間長;且平板電腦為固態硬盤，抗震性能強，更適合在野外移動環境中進行各種操作;能方便地接入無線網絡或3G通訊網絡，便于數據的傳輸。基于平板電腦的功能優勢，利用集成有3S功能的平板電腦進行石漠化監測是科學的，可以極大地減輕勞動強度，外業調查人員無需攜帶地形圖和各種遙感影像圖，實現外業信息采集全程無紙化，并提高數據采集精度。

1 監測區概況

河南省石漠化監測區范圍位于南水北調中線工程渠首所在地和重要水源區的南陽市，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 石漠化監測中3S技術的應用

2．1 基礎數據的收集 為做好石漠化監測工作，除收集監測區社會經濟情況、土壤、水文、氣象等資料外，還購買了監測區的綜合水文地質圖、最新的SPOT5衛星影像圖，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 基礎數據的整理

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據庫中通過融合生成監測區的縣、鄉行政界線圖層，圖層屬性中有縣、鄉(鎮)名稱，空間參考為Xian_1980_GK_CM_111E。

2．2．2 巖溶區邊界的生成。紙質圖掃描成的柵格圖件只有經過配準后才能與其他空間數據疊加在一起進行應用。將紙質的綜合水文地質圖進行掃描，利用Photoshop軟件進行旋轉、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，生成數字柵格地圖即DRG(Digital Raster Graphic);利用Arc-Catalog在縣、鄉行政界線圖層MDB數據中建立巖溶區邊界圖層，在ArcMap中與配準后的綜合水文地質圖進行疊加，用矢量化工具分鄉(鎮)區劃出巖溶區的邊界。

2．2．3 影像數據的處理。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據為參考，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，便于判讀區劃。

2．4 石漠化數據庫的建立 用ArcCatalog軟件直接在縣、鄉(鎮)行政界線圖層的MDB數據庫中建立石漠化圖斑圖層，屬性字段根據國家林業局《巖溶地區石漠化監測技術規定(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分析建立遙感解譯標志。在ArcMap中將其與巖溶區邊界圖層、糾正后的SPOT5影像、谷歌地圖或天地圖等圖層進行疊加。依據圖斑劃分條件和遙感影像上反映的色調、形狀、圖形、紋理、地域分布等特征與相應判讀類型之間的關系。通過目視解譯、同地類歸并、圖像分割、鄰近區域縮漲等方法，使用ArcMap對巖溶區石漠化、潛在石漠化及非石漠化圖斑圖層進行矢量化勾繪，把縣、鄉(鎮)名稱、圖斑號等屬性因子填寫完整，生成屬性數據庫［4］。

3 石漠化監測中平板電腦的應用

3．1 平板電腦用數據的制作

3．1．1 投影轉換。空間數據的來源各不相同，其空間參考也各不相同，但所有導入平板電腦的數據都要有統一的投影坐標系。用ArcToolbox的投影轉換功能，將不同投影信息的數據進行統一轉換。

3．1．2 影像數據的壓縮及格式轉換。由于遙感影像數據量較大，難以在移動設備上快速瀏覽，為了提高平板電腦處理遙感影像數據的功能和效率，對于分辨率高、占用系統資源過大的遙感影像數據采用高倍率數據壓縮算法進行處理，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測系統》桌面端軟件進行格式轉換。

3．1．3 數據的導入和導出。通過USB接口把區劃的石漠化圖斑數據圖層以及處理后的各種影像數據導入到平板電腦，并按《全國荒漠化和沙化監測系統》移動端軟件所要求的相應的文件夾存放，以便外業調查。

3．1．4 外業現地核實調查。在平板電腦中通過《全國荒漠化和沙化監測系統》移動端軟件把室內區劃的石漠化圖斑圖層以及各種影像數據圖層進行疊加，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;選擇有代表性的區域采集GPS坐標，作為GPS特征點并拍攝特征點所在現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。外業結束后，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，進行邏輯檢查和統計匯總。

4 監測數據的檢查

將在外業修正完善后的石漠化圖斑圖層數據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，還需要根據國家林業局中南林業調查規劃院編寫的《石漠化監測管理信息系統》進行邏輯錯誤的檢查并修改。

5 監測成果的生成

石漠化圖斑數據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《石漠化監測管理信息系統》生成各種報表;也可以把屬性因子導出，用Excel軟件的數據透視功能進行統計，并利用ArcMap軟件進行各種成果圖件的制作。

6 結論

在河南省石漠化監測工作中，首次采用3S技術以及集成3S技術的平板電腦與地面調查相結合的技術方法，環環相扣，結合緊密。通過RS技術從遙感影像中獲取基礎信息，利用ArcGIS建立數據庫并對遙感影像進行判讀區劃圖斑，利用帶有GPS功能的平板電腦進行現地核實調查;再把外業調查數據導入到計算機，利用ArcGIS進行拓撲檢查、面積求算等。

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

［1］巖溶地區石漠化監測技術規定(2011年修訂)［A］．國家林業局，2011．

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

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

［4］河南省巖溶地區石漠化監測實施細則［S］．河南省林業調查規劃院，2014．