_3S_技术在生态环境动态监测中的应用研究.pdf

第19卷第3期中国环境监测Vol119No132003年6月EnvironmentalMonitoringinChinaJun12003“3S”技术在生态环境动态监测中的应用研究陈涛1,2,杨武年1(1成都理工大学遥感与GIS研究所,四川成都610059;2四川师范学院,四川南充637002)摘要:针对传统生态环境动态监测方法的不足,论述了“3S”技术的特点与优势,并结合“四川省岷江中上游生态环境遥感综合调查与评价”项目,介绍了应用“3S”技术进行生态环境动态监测的方法和流程。关键词:遥感技术;地理信息系统;全球定位技术;环境监测22ing112112中图分类号:TP79文献标识码:A文章编号:10026002(2003)03001904ApplicationsofRS,GISandGPSinthedynamicmonitoringofenvironmentCHENTao1,2,YANGWunian1(1InstituteofRemoteSensingandGIS,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2SichuanTeachersCollege,Nanchong637002,China)2Abstract:Thepaperdiscussesthecharacteristicandadvantageof“3S”technologybasedonthedeficiencyofthetraditionalwayaboutenvironmentdynamicmonitoring,andcombinedtheproject“thesyntheticalinvestigationandevalua2tiononenvironmentremotesensingintheupperandmiddlereachesofMinjiangriverinSichuanprovince”,introducesthewayandflowonwhich“3S”applysinenvironmentdynamicmonitoring12Keywords:remotesensingtechnology;geographicalinformationsystem;globalpositionsystem;environmentmonitor1“3S”技术及其特点遥感(RS2RemoteSensing)是一种现代化空对地观测技术,具有全天候、多时相以及不同空间观测尺度等优点,可以对大气污染、水污染、生态环境变化、城市热岛现象和城市绿地等进行全面监控,并提供所需的遥感图像。全球定位系统(GPS2GlobalPositionSystem)是一种全球全天候的连续实时导航定位系统。它的出现,为大量的野外高精度定位工作提供了极大方便,使定位与导航在精度和速度上都产生了质的飞跃。地理信息系统(GIS2GeographicalInformationSystem)是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。它以空间数据为研究对象,以计算机为工具,通过人的参与进行一系列空间操作和分析,为地球科学、环境科学、灾害监测与评价、工程设计乃至企业经营、规划决策等工作提供科学信息。“3S”技术(即RS2遥感技术、GIS2地理信息系统和GPS2全球定位系统有机结合一体化集成)在空间信息管理中各具特色,均可独立完成自身的功能。同时,它们所能解决的问题之间又有很多关联性,在解决问题的功能上又各自存在着优点和不足:GIS具有较强的空间查询,分析和综合处理能力,但获取数据困难;RS能实时高效地获取大面积的区域信息,但数据定位及分类精度差;GPS能快速地给出目标的位置,对空间数据的精确定位具有特殊意义,但它本身通常无法给出目标点的地理属性[1]。因此,只有三者有机结合,形成一个多功能综合的技术系统,才能发挥更大的作用。2生态环境动态监测的内容和特点211生态环境动态监测的内容生态监测就是运用可比的方法,在时间或空间上对特定地域范围内生态系统或生态系统聚合体的类型、数量、结构和功能等方面中一个或几个要素进行定期的、系统的测定和观测过程[2]。生态监测的任务是建立环境中各影响因素与生态系统所发生反应之间的关系,从而最终实现对生态系统的现状和发展趋势的评价与预测[3]。内容包括收稿日期:2003201229基金项目:国家863计划308主题“西部金睛行动”专项(8632308221206(1)).作者简介:陈涛(1974-),男,四川渠县人,硕士研究生,讲师,主要从事“3S”技术的教学与研究1©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.月生态环境现状调查、趋势分析以及环境污染、土壤酸化、土地利用状况、森林砍伐、城市化等对生态系统的影响[4]。212生态环境动态监测的主要特点一是具有长期性。国家决策部门和环境科学界对环境信息的需求是长期的、连续的、动态的[5],任何一次性(或短期)的、静态性的数据和调查结果不可能对生态环境的趋势作出准确的判断,必须进行长期的动态监测,才能从大量的数据中揭示其变化规律,预测其变化趋势。二是综合性。一个完整高效的生态环境动态监测计划将涉及到该地区的自然和社会的各个方面,监测对象涵盖空气、水体、土壤、固体废物、植被等客体,环境信息需以海量数据存储和处理,监测手段包括生物、地理、环境、生态、理化、数学、信息和技术科学等一切可以表征环境质量的方法。三是周期性。生态变化过程是缓慢的(如森林演替、木材分解等),而且生态系统本身具有自我调控功能,对人类活动所产生的干扰作用反应也极为缓慢,因此,生态环境动态监测的时间尺度一般很长,通常需采用周期性的间断监测,而不是非间断的连续监测。3“3S”技术用于生态环境动态监测的原理与作用精度保证遥感图像是地面景观物体按照一定比例尺缩小了的立体模型,真实、客观、连续地记录了地表物体的总体与个体的信息特征[6]。利用遥感图像可迅速、重复、动态获取大区域的各种信息,从而为大范围、动态、周期性的生态环境动态监测提供技术支持和成果精度保证。现在RS已能进行高分辨率、多角度、多时相的对地观测,遥感信息处理技术也同步发展,功能由静态分析发展到了动态监测,已能对环境信息进行定量分析、自动成图。随着虚拟现实技术的不断发展,应用三维可视化技术,可实现动态仿真,减少野外调查的周期和经费,提高监测的精度,为环境工作者和决策人员提供可视化的成果载体,特别是对高山、沙漠等人迹难至的地方,更具有现实意义[7、8]。31212全球卫星定位系统使生态环境动态监测数据的空间精度有了可靠保障GPS主要用于实时、快速地提供目标地物的地理坐标,发现地球表面的各种变化,及时对GIS进行数据更新[9]。遥感技术可以提供有关研究对象宏观的综合数据信息,但很难获取研究对象细部的详细数据,而GPS正好弥补这一数据采集缺陷。生态环境监测中不管利用遥感影像还是直接野外进行数据采集,都可以借助GPS获取采集点的空间位置。在对这些数据进行分析和整理后,将311常规监测方法的局限性实际信息(如环境污染、土地利用、植被类型、绿化覆盖率等生态变化情况)与空间位置一一对应起生态环境动态监测的长期性、实时性、综合性和周期性等特点,要求调查成果必须具有较高的来,从而生成相应的专题图。目前,GPS技术业已精度和准确度。然而,常规的监测方法和手段存在广泛应用于各部门,作业模式也从静态发展到动诸多局限:生态环境信息的获取依靠手工或半自态,从延时处理扩展到实时(准实时)再到实时动动化方法,效率低并且往往因耗时过长而达不到态[10];绝对和相对定位精度也扩展到米级、厘米及时、准确和快速监测的目的;各污染源的监测、级乃至亚毫米级;定位时间也由几小时发展到现生态环境破坏情况调查需要到现场去操作,尤其在的几秒。尤其在实时动态测量(RTK)作业模式在数据动态采样时难以实时、快速、准确地定位,下,GPS的定位时间缩短到1～2秒,定位精度也监测结果与实际存在较大误差;对用途广、更新快达到了厘米级[11],该技术可为环境信息的动态采的高分辨率遥感图像支持不够,系统数据不能及集提供快速、精确的定位服务。时更新,利用率不高;对生态环境信息的综合分析323地理信息系统强大的空间信息管理与分能力弱,对生态环境知识的挖掘力度不够,难以建析功能是进行区域生态环境和资源动态分析,建立高效的生态环境应用模型,不能为生态环境管立动态数据库的最佳手段理和决策提供高效的支持。“3S”的集成不但使GIS能准确获取、快速定32“3S”技术用于生态环境动态监测的主要优位空间信息,而且随着GIS与RS的结合日趋紧势密,GIS的数据可以海量增加,数据更新周期更11短、时空分析能力更强。加之现代化遥感图像处理321遥感信息既是生态环境研究的主要信息来源,又为生态环境动态监测提供了技术和成果技术与GPS支持下的信息提取技术,GIS以及多111©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.陈涛等:“3S”技术在生态环境动态监测中的应用研究21源地学信息综合、复合图像处理及其三维图像显攻关重中之重项目“遥感、地理信息系统及全球定示技术的综合应用,更能强化和加深有用信息的位系统技术综合应用研究”中,设置的“国家级基实效性[12]。在实地监测及模型模拟的情况下,GIS本资源与环境遥感动态信息服务体系的建立”课还可以迅速地完成多维、多元复合分析,能使我们题已于2001年1月通过验收,该课题解决了针对快速分析出某一特定区域生态环境的综合信息,资源环境遥感调查精度检验、多重采样框架布设为生态环境的专题研究、规划和其他与之相关的和细小地物采样等技术难题,以全数字化方法建决策提供了一套强有力的信息处理工具。此外,设了全国、省部级、区域级和县级土地资源数据库GIS还可加入时间参数,将新旧数据组织在统一与生态环境背景数据库,实现了业务化、网络化运的时空结构中,这样,我们不仅能据此分析环境演行,为国家西部大开发及水土保持规划等工作提变趋势,而且可根据其变化规律对“未来”作出有供了及时有效的信息服务。同时在卫星数据加工、效的推测和预报。4D(数字高程模型、数字正射影像、数字栅格地图33国内外的研究现状和数字专题信息)技术开发应用、资源环境信息网国外早在1960年就利用TIROS和NOAA络服务等提高了业务能力。卫星数据通过植被指数(NVDI)来研究土地利用4应用实例()[13]和土地覆盖变化LUCC。此后,利用对地观测卫星数据进行森林分类工作也获得成功,能够将2000年,我们承担了国家863计划308主题全球森林按常绿、阔叶、混交、针叶划分,精确地描“西部金睛行动”专项“四川省岷江中上游生态环述它们的地理分布并可随时更新[14]。二十世纪80境遥感综合调查与评价”课题。其目的是利用现代年代中期,“3S”技术逐步应用到环境信息系统空对地观测技术,在短期内查明该区生态环境本中。进入90年代以后,越来越多的国家和地区在底状况及变化趋势,其成果直接为该区生态环境其环境信息系统中将“3S”技术、计算机技术、数建设工程服务,为“十·五”开展长江上游环境变据库技术、网络通讯技术融合在一起。例如,澳大迁、生态重建与流域可持续发展作先导性示利亚、美国、加拿大、日本、德国等国家在上个世纪范[15]。80年代和90年代建立了基于“3S”技术的环境信研究中,课题组选择利用了1990年和2000息系统,并在各国的环境工作中发挥了显著作用。年两个冬季时相的陆地卫星TM图像共6景,目前,加拿大、日本、印度等国,在大约25分钟内2000年SPOT图像一景,根据地物波谱特征和遥就可以利用前一天接收的MSS和TM卫星遥感感