3S技術在生態環境監測中的應用分析

楊建波

（秀山縣生態環境局，重慶 409900）

生態環境是經濟社會可持續發展水平的重要評價依據。生態環境質量反映了社會生產與人居環境穩定和協調的程度。生態環境監測評價則是在時空上對特定區域范圍內生態系統的組合體類型、結構、功能及其組合要素開展的系統測定和觀察，并評價和預測人類活動對生態環境系統的影響，幫助人們認識和掌握生態環境狀況及潛在發展趨勢，為資源合理利用、生態環境保護提供決策依據。

近年來，隨著信息技術的快速發展，由遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）集成的3S 技術成為獲取、管理、分析和應用空間信息的核心支撐技術，并在生態環境監測和資源利用中得到了廣泛的應用。其中，RS 可在較大范圍內快速、高效獲取目標信息，GIS 可將獲取的數據信息進行綜合分析和歸類，而GPS 則可在短時間里對目標進行準確定位。因此，有必要將三者結合起來，更好地發揮各自優勢，為生態環境監測提供技術支持和服務。

1 RS、GIS、GPS 技術概述

1.1 遙感技術（RS）

遙感技術原理，是利用不同物體間產生的不同波普及反應，對物體進行監測，再利用專門的信息讀取軟件系統，對監測物體獲取的反射波普進行分析、還原，最終獲得被監測物體形象及性能狀態[1]。

1.1.1 RS 特點

RS 具有信息方式多樣化、信息采集范圍大（利用遙感衛星、遙感飛機進行監測信息采集）、信息收集效率高（實現信息收集、存儲、傳輸一體化）和受限小（山林、平原及深海地區均可進行勘查）等特點。

1.1.2 RS 技術在生態環境監測中的應用流程

將RS 技術應用于大氣環境、水環境、土地環境等領域進行生態環境監測，需要先將遙感器收集到的數據信息按照統一格式進行預處理，然后利用歸一化的方法對生態環境進行動態監測。獲取動態環境監測數據后，對這些監測數據信息進行分析處理，幫助人們了解生態環境狀況。

1.2 地理信息系統（GIS）

GIS 是在計算機技術支持下，對整個或部分地球表層（含大氣層）空間中相關地理分布數據進行采集、儲存、管理、處理、分析、顯示和描述的空間數據信息系統[2]。

1.2.1 GIS 特點

地理信息系統在生態環境監測中的應用特點主要表現為：大多直接選用商用GIS 軟件；多為生態環境專業人員建立和應用；在生態環境監測領域內的應用主要集中于耕地、植被、綠地等某一領域內的現象監測。

1.2.2 GIS 技術在生態環境監測中應用流程

GIS 應用于生態環境監測，是將存儲、處理空間信息系統，通過分析信息空間分布，監測各個時段信息變化，并比較不同空間數據信息，使數據更為直觀、生動。以水環境監測為例，其應用流程為：選定監測區域—對監測區域進行監測—收集監測數據—輸入監測數據—查詢監測數據—分析、評價監測數據。通常需要環境監測站、信息處理中心及監理所等部門共同完成。

1.3 全球定位系統（GPS）

利用衛星星座、地面控制及信號接收機對監測對象進行動態跟蹤及定位。利用GPS 系統功能配合環境信息后臺數據庫，實現對監測點及周邊環境空間、屬性數據采集，并建立完善的信息系統數據庫。

1.3.1 GPS 特點

將GPS 應用于環境監測中，能夠實現全天候測試，精確度更高，提升環境監測的質量和效率。

1.3.2 GPS 技術在生態環境監測中的應用流程

做好網形規劃及監測時段安排，并從找尋點位、架設儀器、記錄觀測手簿等方面做好擺站，然后將監測獲取的數據下載。

2 3S 技術特點及運行

圖1 3S 技術集成

3S 技術是將RS、GIS、GPS 三種技術進行應用合成（見圖1），其組成技術在空間信息管理方面發揮著各自的功能優勢。將3S 技術應用于生態環境監測中，可以形成多功能綜合系統，更好地發揮3S 技術在環境監測中的作用，為環境保護提供有效的監測數據資料。這有助于充分利用生態環境資源，實現人與自然和諧相處，促進經濟社會可持續發展。3S 技術結合了RS、GIS、GPS 技術的各自優勢，其中，GIS 具有較強的空間查詢、分析及綜合處理能力（不足：數據獲取較難）；RS 能夠快速、高效地獲取被監測區域的大面積信息資料（不足：數據定位及分類精度差）；GPS 能夠快速確定被監測區域的目標位置，具有很強的空間數據精準定位功能（不足：無法給出監測目標具體的地理屬性）。

在生態環境監測中，GPS 承擔快速、實時監測目標位置的職能；RS 為環境監測后臺監測技術人員提供地表物理及環境幾何地理信息變化過程數據信息；GIS則通過多種時空數據綜合分析，構建3D虛擬模型，幫助環境監測技術人員直觀地觀測現場狀況。

在生態環境監測中，三種技術的聯合應用較少，大多是兩兩集成應用。例如，GPS 與GIS 集成，實現生態環境動態監測與管理；RS 與GPS 集成，實現生態環境自動定時數據采集及災害環境預測；GIS 與RS 集成，能夠提供生態環境動態監測、土地利用變化分析及空間環境數據自動更新等。周昊昊利用RS 與GIS 技術，分析了琿春市1996年、2004年和2015年三個時期的遙感影像，并對應提取當期土地利用、植被覆蓋數據以及土壤侵蝕數據分析，獲得全市整體生態環境變化結果，為全市資源開發和利用提供了具體資源信息指導[3]。

3 3S 技術在生態環境監測中的應用

3.1 城市環境污染監測

當前，人們可以將3S 技術應用于城市環境污染監測。其中，RS 進行前期城市污染資料收集，GIS 則提供技術平臺，將RS 與GIS 技術聯合可編繪出清晰的城市大氣、水環境污染源的分布圖，再結合航空多光譜攝影技術，監測大氣及水環境中的主要污染物及其空間分布。此外，GIS 可應用于城市生態環境現狀調查以及污染源監測、生態環境功能及環境影響評價等領域，為城市生態環境總體規劃提供詳細的數據資料。目前，我國大部分地區建立了環境基礎數據庫，并開發了城市環境地理信息系統、城市環境污染應急預警預報系統，人們可以結合GIS 制作出具體的污染源分布圖、大氣質量功能區劃圖等，為環境監測提供詳細的環境空間數據。例如，收集區域遙感圖像，結合城市地面污染物監測數據，利用3S 技術，對城市熱島效應進行調查、分析，并確定具體的城市熱源、熱場位置、分布區域范圍、熱島強度等，進行動態監測分析，從而監測出城市的熱力分布規律及變化特點。

3.2 土壤變化監測

將3S 技術應用于土壤變化監測，主要是通過土壤水分、土壤沙漠化、鹽堿化以及侵蝕等監測研究，分析土壤變化。通過區域土壤荒漠化的動態演化模擬分析和區域水土流失的遙感監測，人們可以掌握區域水土流失現狀，為生態環境建設及治理決策提供依據。高云騰等采用3S 技術，對山東省南四湖地區2000-2005年的土地利用變化情況進行了動態監測，其中濕地、草地分別減少了195 km2、771 km2，城市建筑用地增加了665 km2。整體來看，該區域森林、濕地、草地占比較小，農田和城市建筑用地占比較大，后期要做好不同類型的土地利用規劃[4]。

3.3 水體污染監測

區域水環境中的污染物濃度差異會使水體的密度、透明度、顏色和溫度發生變化。3S 技術利用水體的上述差異變化所導致的水體反射波普能量變化，可實現對區域水質和水量的實時監測，使人精準地標識出不同區域的水環境質量狀況及變化特點，分析區域水環境質量變化趨勢和規律，利用模擬直觀確定具體的污染源、排污口等具體環境要素在水環境中的空間分布，為水環境治理提供依據。

3.4 植被演化監測

植被是生態環境的重要組成部分，也是評價地表環境質量的重要指標。RS 可以進行大范圍植被的實時監測，通過不同時間段的植被監測結果比對人類誘導及自然環境影響產生的植被變化，并分析這種變化的原因和結果，為植被生態環境保護提供預測、評價和決策提供科學依據，從而實現區域資源開發和環境保護。GIS 技術可對區域植被演化進行分析和監測，了解植被的動態演化進程，為相關部門決策提供服務。目前，3S 技術廣泛應用于植被演化監測，主要包括植被種類識別，植被類型、植物退化演替和植物生物量研究以及植物季相節律研究等。來永斌采用3S 技術對撫順市森林為主的區域景觀空間格局進行監測，分別獲得了景觀破碎度、景觀中嵌塊體等生態景觀結構嵌塊，并對區域景觀空間結構和景觀的穩定性進行評價，為后期的區域生態環境保護提供了現實指導[5]。

4 結論

3S 技術在生態環境監測中的應用取得了良好效果。但是，目前以兩兩結合為主，更多的是RS 與GIS的結合應用，但這兩種技術的結合缺少統一坐標空間，獲取的空間數據與光譜數據不同步。3S 技術集成應用尚處于起始階段，在生態環境監測領域的應用方法和理論還需完善，尤其是環境污染遙感監測體系。當前，生態環境監測質量要求越來越高，3S 技術的一體化集成將逐步得到完善，最終形成3S 技術監測系統。人們可以將其作為國家生態環境監測的重要技術手段，不斷提升重大環境污染事故的應對處置能力。