3S技術在生態環境監測中的應用現狀及問題分析

摘要：社會經濟的發展和人們對美好生活的需求，使得生態環境的質量和可持續發展被廣泛關注。生態環境監測體系的建立和完善也已經成為我國發展規劃中的重要內容。該文分析了RS、GIS和GPS技術在生態環境監測中的應用現狀和存在的問題，以期為未來的發展提供參考。

關鍵詞：3S技術;生態環境;監測應用

引言

生態文明建設是促進經濟社會全面綠色可持續發展的重要任務和舉措，也是人類文明發展的歷史趨勢。在大數據信息化的背景下，建立融合多源信息的生態環境監測機制，加強和完善生態環境治理保護系統已獲得廣泛關注。

隨著我國北斗衛星導航系統、無人機、大數據和5G網絡等信息技術的快速發展，使得以遙感（Remote Sensing，RS）、地理信息系統（Geography Information System，GIS）和全球定位系統（Global Positioning System，GPS）為基礎的3S技術，成為建設信息化生態環境監測機制的有利保障。

1.生態環境監測的特點

當前生態環境、生態城市等包含的“生態”含義更為廣泛，不僅有傳統意義上的環境保護，還有可持續發展、低消耗、資源節約、循環經濟、環境友好等新發展的內涵。監測的內容有湖泊、森林、濕地、城市生態環境等多種類型，因此也構成了宏觀和微觀兩個方面的生態系統監測體系。

生態環境的特征更具多樣性和復雜性，如何多角度，多維度的全面監測生態環境，提供更精準的數據為社會經濟發展服務成為問題的關鍵。

現代生態學是交叉融合了生物學、遺傳學、系統學、地理學等多學科的綜合性應用學科。隨著現代信息技術的發展變革，在生態環境的監測中引入了諸多技術。其中，結合了RS、GIS和 GPS的3S技術以動態多維度的監測數據取得了較為精準的成果。

2.3S技術特點及集成

RS技術是在各平臺上通過非接觸的方式，利用各種傳感器獲取空間數據，進行數據處理，研究并提取地物空間位置、大小、性質及其形狀等地表信息。因此，該技術獲取的數據具有綜合性，具有較強的數據綜合比較能力，數據獲取過程不受地面條件限制，獲取信息的手段多，信息量大。GIS技術能夠采集、儲存、管理、綜合描述、模擬與分析評價多源海量數據數據，以傳統方法難以獲取和無法比擬的效率獲得重要信息，并且可以對空間過程進行演化模擬和預測。隨著我國北斗導航衛星系統的迅速崛起，全球定位系統實時精準的導航定位能力得到進一步鞏固。3S技術的綜合應用能夠更加有效的凸顯各技術優勢，高效綜合多源信息。

3S技術的集成利用，可以提高GIS系統的應用效率，整合成為一體的、實時和動態的測量、分析、顯示和應用系統，如圖1所示。

但在實際的應用中，通常是GIS/RS集成，GIS/GPS集成和RS/GPS集成，兩兩技術之間的融合，較少有能夠集成并使用3S技術的系統和實例。

在遙感圖像的實際應用中，需要利用采集的地面控制點，先轉換到地理坐標系中進行幾何糾正，而這些控制點可以通過GPS采集獲取或從GIS的矢量數據庫中提取，然后建立多項式擬合公式，以確定每個點在圖像上對應的坐標，糾正后的圖像上可以通過疊加矢量點來判斷糾正的效果。遙感圖像的處理中，經常需要提取多種特征信息，引入矢量數據疊加柵格數據可以提高算法的準確性。

在微波遙感中，雷達影像會因為地形的影響而出現圖像的疊掩、陰影、前向壓縮等幾何畸變，而且由于地形還會引起光照的變化，在遙感圖像上表現出陰坡和陽坡的亮度差別，此時都可以利用高程數據，在進行糾正、解譯時使用數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據消除畸變，提高圖像處理精度。

全球授時導航定位系統以提供快速精確的定位信息獲得廣泛使用，卻缺乏實時顯示系統。GPS與GIS系統的集成，能夠迅速定位的同時，連接的GIS軟件也可以直觀的提供準確的位置信息和運行軌跡，基于系統的空間查詢檢索模塊，還可以通過定位點的信息為決策服務。

3.3S技術在生態環境監測中的應用現狀

在生態環境監測中，遙感技術獲取的大尺度數據為其提供了有效的基礎保障，如利用Landsat 影像對陜西省富縣和渭河市的生態環境監測[4]，基于1992-2012年期間遙感數據評估中國三江平原地區土地覆蓋變化對多種生態系統功能變化的影響，以及對青海湖流域草地葉綠素含量的遙感定量反演研究等。以GIS技術為基礎，能夠直觀可視化表達河南省 123 個點儲糧昆蟲分布，管理和可視化山區生態，建立縣域生態評價體系和標準。通過GPS 定位技術可以動態實時監測礦區大氣環境，為實時監控和預警保護提供技術支撐，精確定位界址點、地物點信息，邊坡變形監測等。基于3S技術，通過對圖們江流域4個時間段景觀格局指標數據的提取分析，評價和預測該流域濕地生態安全。

對于森林、草原生態環境，3S技術能夠實時監測覆蓋率的變化情況，提取覆蓋的空間數據，綜合數據評估植被類型分布情況，建立模型預測覆蓋率的變化趨勢，為火災預警系統、草原退化、生物管理系統和防災減災應急系統等的設置和完善提供數據支持。

綜上分析可以看出，3S技術可以采集基本的地籍數據，水體分布、水體深度、溫度和水體中雜志含量等區域水環境信息，以及大氣環境和森林草原系統的分布數據，基于獲取的多源數據能夠直觀的顯示，并實時分析反演進行有效監測。

在綜合應用中，GPS優勢在于實時獲取目標的定位信息，RS可以提取多時相大范圍環境數據，通過對GIS系統數據庫的及時更新，結合模式識別、空間查詢等，對監測系統管理分析，為進一步的決策處理奠定基礎。三者的有機結合更好地體現各自技術的優勢，也具有較強的互補性，使空間信息的實時準確采集、對比分析和更新顯示成為可能。

在分類解譯中，為了提高分類精度，可以集成GIS中的矢量數據，將其柵格化，并作為輔助遙感影像參與分類過程，如山區的植被分類要進行分類，由于垂直海拔對植被生長的影響明顯，高程數據就可以提供較好的輔助作用，因此，可以將DEM數據作為一個分類變量引入進去，提高植被監測的準確性。

4.問題分析

地理信息系統可以對空間數據進行分析和顯示，遙感影像則通常是以一種柵格數據的形式表達空間信息，在GIS中比較容易實現遙感數據與矢量數據的集成。但在實際應用中，遙感圖像和GIS系統中柵格數據兩者的處理分析差異較大，遙感圖像的處理常采用圖像增強、濾波、解譯分類、信息提取和一些變換處理（如陸地衛星影像的KT變換）等進行分析，而GIS中的柵格空間分析方法主要是疊加合成分析、統計分析等，當前的大多數GIS軟件對遙感數據的處理功能也并不完善，而遙感圖像處理軟件也并不適用于GIS數據。

數據是GIS系統的“血液”，而隨著遙感平臺和傳感器的快速發展，遙感數據以其高時間分辨率、高空間分辨率和高光譜分辨率的特性，提供了海量實時準確的空間數據，成為GIS系統重要數據源。例如，在當前的圖像處理中，可以利用邊緣檢測濾波算子提取的邊界、線狀地物更新GIS數據庫，但是自動檢測算法容易出現虛假邊緣、線，數據誤差較大;GIS系統中DEM數據的生成可以綜合利用遙感立體像對和雷達影像實現，這就要求實驗區域同時具有立體像對和雷達影像，對數據源要求較高;遙感圖像和GIS數據的集成不難實現，但是遙感數據的誤差和空間分辨率是影響數據之間互操作和轉換的重要因素。因此，要在遙感圖像中，自動提取地理數據，實現遙感和GIS數據的集成仍然需要深入研究。

結合GPS和GIS可以對生態環境區域的面積、路徑的長度進行監測，這需要追蹤線狀地物如多邊形邊界、道路等，采集特征點坐標，錄入GIS系統實現相關數據的計算。但是，GPS的定位精度是否匹配需求，以及特征點采樣選取都會影響測量結果。二者集成模型如圖2所示。

圖2中可以看出，在GIS與GPS集成的系統結構中，GIS系統要有與GPS接收機匹配的接口（通常為串口通信），數據采集后，還需要進行如將經緯度坐標轉換為GIS系統數據所采用的參照系坐標，即投影變換處理，然后才能存儲、計算分析和顯示。

在當前的技術背景下，可以通過不同的技術成程度集成RS、GIS、GPS三種技術。其中，最簡單也是通常使用最多的方法是用戶綜合使用三種分開的系統。在此基礎上的集成是在表面上實現無縫的集成，三個系統使用共同的界面，在內部數據通過特征碼進行傳遞結合，組合成為統一的系統是最好的集成系方法。軟件系統的開發實現并沒有技術瓶頸，目前一般工具軟件是通過集成遙感與能夠支持柵格數據類型及相關的處理分析操作，再增加一個動態矢量圖層與GPS集成，從而組成一個統一的3S系統。

在3S集成技術系統中，綜合使用遙感以及全球定位系統，使其能夠實時、準確提供空間數據，降低應用成本或者拓展實現更新的應用領域是最重要的問題。

5.結束語

3S技術的發展和集成，形成了系統綜合的對地觀測系統，提升了對地球的認識能力;實現了技術互補，為科學技術的研究發展、行政部門的管理和服務、社會經濟的生產進步提供了新一代的技術手段、顯示輸出和分析工具。相應地，該技術也拓展了傳統科學的研究和應用領域，技術之間的交叉融合、取長補短是科技發展的趨勢。

我國生態環境的復雜多樣性決定了環境監測體系的完善任重道遠，同時也說明改進和提升生態環境監測體系對我國社會經濟的可持續發展具有重要意義。3S 技術一體化的發展為生態環境監測體系建設奠定了基礎，也推動了其它一些相聯系的地球信息科學等學科的發展，但將面對更多的技術挑戰。在未來的發展中，3S技術將整合更多的學科為生態環境的健康發展提供科學依據。

參考文獻

[1]楊建波.基于 TM 影像技術及其在生態環境質量監測中的應用研究[J].環境與發展，2019，31（05）：93+95.

[2]閆正龍 ，高凡 ，何兵 .3S 技術在我國生態環境動態演變研究中的應用進展[J].地理信息世界，2019，26（02）：29-48.

[3]伍良旭.3S技術在生態環境監測中的應用[J].環境與發展，2020，29（14）：29+30.

[4]李粉玲，常慶瑞，申健，等.黃土高原溝壑區生態環境狀況遙感動態監測——以陜西省富縣為例[J].應用生態學報，2015，26（12）：3811-3817.

[5]宋慧敏，薛亮.基于遙感生態指數模型的渭南市生態環境質量動態監測與分析[J].應用生態學報，2016，27（12）：3913-3919.

[6]張朋濤.青海湖流域植被葉綠素含量遙感定量反演研究[D].青海師范大學，2015.

[7]閻磊，王殿軒，張浩，等.儲糧昆蟲區系分布的 GIS 表達與可視化方法研究[J].河南工業大學學報（自然科學版），2017，38（04）：106-112.

[8]梁瑞哲.山區生態資源空間信息管理及可視化[D].華北理工大學，2019.

[9]荊新全.基于 GIS 的土地適宜性評價及其應用研究[D].內蒙古師范大學，2011.

[10]董倩.基于 GPS 的礦區大氣環境監測系統研究[D].青島理工大學，2013.

[11]吳明鳳，劉元健.RTK 與全站儀在城鎮地籍更新調查中的聯合應用[J].科技信息，2012（05）：113.

[12]周林麗.基于 GPS 的黃土邊坡變形監測應用研究[D].蘭州理工大學，2011.

[13]朱衛紅，苗承玉，鄭小軍，等.基于 3S 技術的圖們江流域濕地生態安全評價與預警研究[J].生態學報，2014，34（06）：1379-1390.

[14]劉亞璠.內蒙古達茂旗草原生態保護補 助獎勵政策研究[D].內蒙古工業大學，2021.

作者簡介：行曉黎，1985.10，女，漢，河南省焦作市，工學博士，講師，SAR圖像處理及信息提取。

項目，1.項目：河南省高等學校重點科研項目計劃支持（項目編號：20B420003 ），2.項目：河南省重點研發與推廣專項（科技公關）（項目編號：212102310994）。