“3S”技術在水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查中的應用研究

陳 斌，李 俊，高 智，鄒小玲，季耀波(.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 322；2.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 322)

“3S”技術在水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查中的應用研究

陳 斌1,2，李 俊1，高 智1，鄒小玲1，季耀波1
(1.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122)

野外核查；動態(tài)監(jiān)測；遙感監(jiān)測；水土流失；“3S”技術

為減少野外工作中的不確定性、提高野外核查的準確性和效率，筆者結合多年外業(yè)工作經驗，總結了基于“3S”技術的水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查方法，并以太湖流域水土流失動態(tài)監(jiān)測項目為例，介紹了水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查工作中數據來源、前期準備、野外核查、內業(yè)整理等方面的具體工作。實踐表明，采取基于“3S”技術的水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查工作方法，有助于規(guī)范工作流程、提高工作效率。

水土流失監(jiān)測是評價水土流失與生態(tài)環(huán)境狀況、水土流失預防保護措施和效果的重要手段。中共中央、國務院在2012年一號文件中明確提出要強化水土流失監(jiān)測預報[1]?！端筷P于加強水土保持監(jiān)測工作的通知》中特別指出“全面加強水土流失動態(tài)監(jiān)測”是水土保持監(jiān)測的重點任務之一。

目前，水土流失動態(tài)監(jiān)測多采用遙感監(jiān)測與野外抽樣調查復核相結合的方法。利用遙感監(jiān)測快速、宏觀、客觀的特點，監(jiān)測區(qū)域土地利用情況和植被狀況，并根據區(qū)域地形地貌，通過三因子綜合評價法評價區(qū)域水土流失狀況，進而從總體上監(jiān)測預防保護區(qū)情況，達到動態(tài)監(jiān)測的目的。但是在實際工作中，由于遙感影像存在同物異譜、異物同譜現象，以及受人為因素影響，在數據解譯后常常會存在與實際地物不符的情況，因此在專題信息提取分析之前，需要對數據進行野外調查復核[2]，以確保數據的科學性和準確性。筆者基于太湖流域水土流失動態(tài)監(jiān)測項目，結合多年外業(yè)工作經驗，在減少野外工作中的不確定性、提高野外核查準確性和效率的前提下，總結了一套野外核查方法。

1 數據來源及軟硬件設備

1.1 基礎數據

(1)遙感數據。采用國產資源遙感衛(wèi)星影像，影像資料由水利部公開招標采購獲得，采集日期主要是每年的8、9月，要求項目區(qū)影像數據云量少于3%、重疊度不低于4%，采集區(qū)域為位于國家級重點預防保護區(qū)范圍內的浙江省淳安縣、安徽省黃山市(徽州區(qū)、黃山區(qū)、屯溪區(qū))等，影像全色波段分辨率為2.1 m、多光譜分辨率為5.8 m。

(2)地形圖數據。地形圖數據來源于國家測繪地理信息局的1∶5萬地形圖，數據采用高斯克呂格投影、CGCS2000坐標系、6°分帶，通過航空攝影測量方法成圖。該比例尺地形圖可用于研究和評價地形情況，供工業(yè)、農業(yè)、林業(yè)、水利、地質、氣象、環(huán)保等各部門勘察、規(guī)劃、設計、科研、教學等使用，可用于編寫小比例尺地形圖或作為繪制專題圖的基礎資料。

1.2 軟硬件條件

結合多年野外核查經驗，綜合考慮現場核查中的各個過程，對軟硬件的要求如下。

(1)硬件配置。筆記本電腦，內存4 GB以上，CPU Intel Core(TM)i5；GPS手持接收機，Garmin公司的eTrex 209x型號GPS(具備高靈敏度GPS+北斗接收芯片，定位精度95%概率優(yōu)于10 m，經過差分后精度可提高至3 m)；數碼相機。另外還需要汽車、測距儀等裝備。

(2)軟件要求。GPS設備適配軟件，包括Garmin Basecamp 3.0、Unistrong GIS Office 2.2；地理數據處理軟件，ESRI ArcGIS；遙感圖像處理軟件，ENVI等。

2 前期準備

2.1 設計核查線路

按照先大后小、全面覆蓋的原則進行線路設計。先確定大尺度線路，如淳安縣—屯溪區(qū)—徽州區(qū)—黃山區(qū)的核查線路；再進行小尺度線路的設計，根據各個縣(區(qū))道路網絡系統(tǒng)和地形地貌特點，主要為南北向或者東西向，線路要盡可能多地貫穿核查區(qū)域，而第二年的線路方向應與第一年不同。

2.2 篩選核查點位

核查點布設以縣(區(qū))為單元，根據遙感解譯的土地利用類型及圖斑總數等，進行隨機抽樣核查。核查點的數目必須滿足不少于5‰的比例要求，且只有核查點正確率高于90%時，解譯成果才算合格。

具體篩選過程：第一步利用ArcGIS軟件feature to point命令，將解譯的土地利用面要素數據轉換為點要素數據，點要素數據保留了原土地利用中心點的經緯度和土地利用類型屬性等信息；第二步通過 Python語言隨機采樣代碼random.sample(population,k)，對點數據進行1.5%左右(即5‰要求的2～3倍)數量的隨機采樣抽點；第三步加載設計好的線路，對采樣點進行刪減，直至點數滿足要求。

第二年篩選核查點位時，第一步先獲取由第二年土地利用面要素數據轉換的點要素數據；第二步用第一年的土壤侵蝕強度等級數據，按不同侵蝕強度等級對轉換的點要素數據進行分類，此時點要素數據多了一層土壤侵蝕強度等級屬性；第三步對分類的點要素數據分別進行1.5%左右數量隨機采樣；第四步加載設計線路，對采樣點進行刪減，直至滿足要求。之后，利用遙感圖像處理軟件從影像中提取變化圖斑，對前后兩期影像進行波段運算，通過 Majority/Minority Analysis 工具對小碎斑進行過濾，再進行聚類分析處理進一步過濾小碎斑，矢量化后利用ArcGIS將面積較小的圖斑刪除，得到有變化屬性的圖斑。此類圖斑若無法通過影像判斷其變化屬性，則將其加入核查點中進行野外核查確認。

2.3 設計調查記錄表

根據水利部要求和新安江預防保護區(qū)動態(tài)監(jiān)測的實際需要，考慮野外核查的特點，調查記錄表的內容應包括縣(區(qū))域名稱、樣點號、經緯度、地貌類型、蓋度照片、郁閉度照片、遠景照片、近景照片、工作照片、備注、記錄者、時間等。將篩選好的核查點按ID編號并保留其經緯度和土地利用屬性做成核查點總表。

2.4 確定野外判別標準

根據水利部水土保持監(jiān)測中心發(fā)布的《水土流失重點區(qū)域監(jiān)測成果整編工作手冊(試行)》中的附表《野外調查單元土地利用分類表》規(guī)定：一級大類有8類，分別是耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地；二級類有16類，如耕地二級類分別是水田、水澆地、旱地。二級類分類后附帶名稱含義解釋，如水田是指用于種植水稻、蓮藕等水生農作物的耕地。

3 野外核查

3.1 查勘點定位

通過Basecamp或GIS Office軟件將篩選好的核查點按ID編號(確保點號與核查點總表中保持一致)并導入GPS。在使用前要把GPS拿到室外空曠處或者車窗外，避免高樓和樹木的干擾，開啟后機器會自行搜索衛(wèi)星信號進行定位。一般情況下，GPS接收到3顆衛(wèi)星信號即可進行定位，4顆及以上衛(wèi)星信號不僅能定位還可以對所在位置海拔進行測定。當臨近核查點位時，由一人手持GPS在前方帶路尋找點位，到達點位后將核查點號報給記錄人員并指出點位所在具體位置，若無法近前則需通過GPS測算點位的方向和距離，并通過測距儀進行識別。

3.2 判別點位土地利用屬性

以土地利用分類表中的含義為依據，結合專業(yè)知識和經驗，根據現場周邊的土地利用類型、林草植被覆蓋度、地貌類型及其他復雜情況，對核查點位進行土地利用屬性判別。為排除核查點總表中核查點位的土地利用屬性先入為主的干擾，采取先由人工進行初步判斷，再與總表比對進行二次判斷。默認總表中的土地利用屬性正確，若二者接近則以表中屬性為準，若二者相去甚遠，則對該點進行方圓50 m范圍繞點查看，避免因GPS的偏移導致誤判的可能。若判別結果與表中不符，則做好標記留待內業(yè)加載影像圖后再次進行核對比較。

3.3 調查記錄表填寫

GPS定位后把樣點號記錄好并填寫記錄的日期和時間，待土地利用屬性判別完后，若實際核查屬性與總表中一致，則在表中對應的地貌類型的方框中打鉤，若不一致，則打叉并將實際的土地利用屬性在表中標注。

3.4 拍照記錄

每個核查點都需要進行遠景和近景拍照記錄，包括GPS和現場的工作照，并對記錄完畢的調查記錄表進行拍照記錄。

4 內業(yè)整理

4.1 GPS數據導出

將GPS的航跡數據導出，利用GIS Office軟件Tools菜單下的Covert Navi Date to GIS Date命令將其轉為線要素Shape file 矢量數據，并保留存檔，便于在下次線路設計時進行對照。

4.2 照片資料歸類

將記錄照片按“核查順序+樣點號”文件夾命名的方式進行分類，每個文件內至少包含有遠景照片、近景照片、GPS+記錄表照片、工作照4張記錄照片資料，將照片分別放入調查記錄表電子版相應位置，建檔保存。

4.3 核查記錄檢查匯總

在ArcGIS中把核查記錄表中做標記的核查點導入，加載最新影像圖進行核對，并確定該點的土地利用類型。此時默認該點所在圖斑的土地利用屬性為野外核查結果，除非通過影像圖判斷核查結果錯誤，比如該圖斑內有多種土地利用屬性，野外核查結果的屬性占該圖斑總面積比例很小。之后對整個核查結果進行匯總，統(tǒng)計正確率。

4.4 對預處理數據進行修改

若正確率不低于90%，則將核查中發(fā)現的預處理中存在錯誤圖斑的土地利用屬性進行修改，預處理數據可用來進行下一步工作。若低于90%，則將數據返回重新處理，再次進行核查驗證，直到滿足水利部的統(tǒng)一要求為止。

4.5 結果與分析

利用“3S”技術在水土流失動態(tài)監(jiān)測中進行野外核查，有利于在工作流程上規(guī)范操作。以某年黃山市屯溪區(qū)野外核查為例，先通過兩期影像進行變化自動檢測分析。圖1為兩期影像初次運算的結果，白色表示未發(fā)生變化，黑色斑點表示兩期影像存在不同。再進行過濾和聚類操作，得出土地利用發(fā)生變化的圖斑分布情況的一個初步結果，依據此結果進行核查線路設計。圖2為某年黃山市屯溪區(qū)東西向的核查線路圖。在實地核查時，因為地貌類型復雜多變，所以有些核查點較難到達。圖3為黃山市屯溪區(qū)某處核查點位內業(yè)土地利用數據修改示意，其中“×”處為現場核查時人員定位點，“·”處為所核查土地利用圖斑的中心點。比如，圖3、表1中的0010地物類型為有林地，其中心點(“·”處)位于山丘之上，現場核查時人員可在0010點(“×”處)借助測距儀進行核查，并在內業(yè)整理時，根據GPS線路和GPS新增點位進行再次確認，保證了數據核查結果的準確性。

圖1 某年黃山市屯溪區(qū)兩期影像初次運算的結果

圖2 某年黃山市屯溪區(qū)東西向核查線路

圖3 黃山市屯溪區(qū)某處核查點位內業(yè)土地利用數據修改示意

表1 土地利用核查點修改說明

5 結 語

隨著科學技術的發(fā)展，野外核查的技術方法和手段會越來越多樣?！?S”技術應用在水土流失動態(tài)監(jiān)測野外核查線路和點位的選擇、內外業(yè)工作流程規(guī)范，以及數據庫建立與應用方面均有重要作用。基于“3S”技術的野外核查方法與傳統(tǒng)方法相比在提高效率的同時，更避免了傳統(tǒng)方法由于操作人員技術水平參差不齊而帶來的誤差。后續(xù)工作中，我們將重點解決野外核查中耗時多的問題，借助“3S”技術實現快速準確定位，以大大提升野外核查效率。

[1] 姜德文.水土保持公報的改革方向與內容趨向[J].中國水土保持,2015(7):1-3,15.

[2] 丁鳳,陳文惠,張明鋒.運用3S技術進行福建省生態(tài)環(huán)境現狀遙感調查野外核查的實驗研究[J].福建地理,2002(4):60-62.

TP79;S157

A

1000-0941(2018)01-0062-03

陳斌(1988—)，男，江西上饒市人，助理工程師，碩士，主要研究方向為“3S”技術在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用。

2017-05-15

(責任編輯 李楊楊)