3S技术在水土保持与荒漠化防治中的应用

3S技术在水土保持与荒漠化防治中的应用水土流失与荒漠化是我国当前面临的最为严重的环境问题之一。我国水土流失与荒漠化分布范围广,类型复杂,受人为影响大,至今仍未得到很好的解决。虽然在水土流失与荒漠化的动态监测、预测、预报以及防治规划等方面已取得部分研究成果,但尚未形成完整的体系,也没有可遵循的统一的技术标准,难以为水土保持与荒漠化防治提供可靠的信息支持。同时,大量资料归部门所有,格式各异,标准不一,很难被共享和开发。因此迫切需要在标准化和规范化的基础上应用一些高新技术加强基础信息工程建设。20世纪80年代以来,遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)技术得到快速发展并向一体化(3S一体化)和实用化方面迈进。RS技术为区域性、大范围的环境调查和监测提供了时间和空间上连续覆盖的信息源;GIS技术为区域性空间数据的管理和分析提供了强有力的工具;GPS实时动态地提供精确的定位信息。3S技术在水土保持与荒漠化防治中的应用,使得建立全国水土流失动态监测网络,全面监测,预测预报,快速调查和定期公告全国水土流失基本状况,实现全国水土流失与荒漠化的信息化管理和科学决策成为可能。利用3S技术可建立不同空间尺度水土流失与荒漠化动态监测的技术规程与方法,开发水土保持与荒漠化防治的评价模型,促进水土保持与荒漠化防治的信息化、现代化,建立水土保持与荒漠化防治信息系统,从而推动水土保持事业全面发展。一、遥感技术（RS）在水土保持与荒漠化防治中的应用20世纪70年代以后,以航天、航空等多层次遥感资料为信息源,以大中小不同尺度对我国大江大河、重点水土流失区和小流域进行遥感调查与监测,编制了大量的遥感图件,不仅及时准确地为政府提供了决策依据,而且大大加快了水土保持的现代化与信息化。特别是80年代以来,国家将遥感技术列为重大应用工程进行技术攻关,先后在黄土高原综合治理、“三北”防护林工程遥感调查等重大项目中取得了一系列有价值的成果。水利部组织进行的全国水土流失遥感调查,基本查明了我国的水土流失基本状况。1、水土流失与荒漠化的遥感调查运用遥感技术进行水土流失与荒漠化的现状调查,高效快速,而且操作简单。一般选择同一时期的卫星像片,影像清晰,反差适中,时相好,各项指标均能符合要求,容易辩别地类地物。应用土地资源评价图、土地类型图等图件,根据分类系统,建立解译标志,对卫星像片进行解译、分析,得出水土流失与荒漠化类型及程度,并结合实地调绘和样点测试,勾绘成草图,再经检验校核,评价精度,修改整饰,标记完成水土流失或荒漠化现状图。2、水土流失与荒漠化的遥感监测遥感监测过程与调查基本相似,其不同之处是应用不同时期的遥感资料。遥感监测多是采用多时相遥感影像复合技术。该技术包括多季相影像分类和多年代影像监测,前者用于提高分类精度,后者用于监测变化。多季相遥感影像复合分类技术中由于单时相普遍存在着同谱异物现象,植被及土地利用类型因物候期不同而产生一系列光谱变化,故选择光谱反射率、类内综合差最小,类内综合方差最大的两个季相的影像组合作分类,从而减轻同谱异物现象,可提高遥感自动分类的精度。而多年代影像复合监测技术选用两个年代的同季相影像作比较,使监测更容易。同一季相,稳定地类光谱反射率趋于一致,而变化地类的光谱反射差异显著,在对影像数据做累加主成分分析变换后,变化地类与稳定地类的特征往往集中表现在不同的主分量中,故选择适应波段组合可鉴别变化类型。水土流失与荒漠化动态监测中根据其光谱特性等对航片及卫星像片进行解译、分析,并结合野外校检最终成图。二、地理信息系统（GIS）在水土保持与荒漠化防治中的应用地理信息系统是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究的新技术,是多学科交叉的产物。该系统以地理空间数据库为基础,采用地理模型分析方法,适时提供多种空间的和动态的地理信息,是地理研究和地理决策服务的技术系统,其具有以下特点:1有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力,具有空间性和动态性;2以地理研究和地理决策为目的,以地理模型方法为手段,具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力,从而产生高层次的地理信息;③由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用于空间数据,产生有用的信息,完成人类难以完成的工作。由于地理信息系统有以上特点,从而能够很方便地应用于水土保持与荒漠化防治中,如基础资料收集与整理,运用地理信息系统专题图数字化,模型的建立及地形因子提取,信息的复合与结果输出。三、全球定位系统（GPS）在水土保持与荒漠化防治中的应用GPS是导航卫星测时和测距/全球定位系统英文(NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPosi-tionSystem)字头的缩写,该系统是美国自20世纪70年代开始研制的卫星导航和定位系统,其具有以下特点:①全球地面连续覆盖,24颗均匀分布的卫星保证地面上任何地点、任何时刻最少可以接收4颗卫星信号,最多可以接收11颗卫星信号,从而保障全球全天候,连续、实时、动态导航与定位;②功能多、精度高,可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息;3实时定位速度快,可在1s内完成;4干扰性能好,5保密性强;6操作简单,观测简便;7观测点间不需通视,大大减少了建立觇标的费用。GPS在水土保持生态建设中的应用发展很快,部分重点项目已经使用或正在使用该项技术。全国水土保持监测方案中明确要求,在全国水土流失监测中,尤其对地面监测,要充分利用GPS全球定位技术,实现数据快速采集,对象属性的实时分析。1、应用于水土保持规划设计GPS对水保工程的设计具有很大辅助作用,如完成图班的跟踪、样点侵蚀量的调查及坡度量测、数字地面模型、淤地坝工程设计等。（1）土地利用现状调查应用GPS中的RTK技术,把一台基站设在已知点或明显地物点上(该作业点尽量设在作业区的中心位置),用流动站跟踪图班,并赋图班属性代码,经内处理,可得到精度较高的三维土地利用现状图。（2）坡度、沟道比降测量用GPS测出坡面或沟道上下游两点的三维坐标,解算出两点间的距离和高差,可求得坡度和沟道比降等指标。（3）淤地坝工程设计利用GPS测出坝址处一系列地形特征点的坐标数据,通过后处理,求出各特征点的坐标,利用相关软件编制成数字地面模型,用计算机辅助设计软件完成淤地坝工程设计。用这种方法进行工程设计,自动化程度比较高,可提供多方案比较,对设计结果进行修改也相当方便。2、应用于水土流失动态监测（1）自然水土流失监测宏观方面可建立GPS控制网,在控制网基础上,进行像控点测量,为航空遥感像片的定向提供加密点,主要用于宏观区域和重点区域水土流失和土地利用信息的采集、提取。其具体监测方法是:在卫星遥感影像上找出明显地物点,在已建立的控制网上进行外业观测,求出一系列地物点坐标,作为遥感影像几何精度纠正的依据,用于宏观区域水土流失动态监测;根据航测成图的要求,选一部分地物特征点,经GPS外业观测,求出点的三维坐标,作为像控制点坐标,建立立体模型,采集有关数据,用于进行重点区域的监测。在微观方面,可利用GPS技术监测沟头前进速度、沟底下切速度、沟缘线后退速度,甚至可以监测典型样点水土流失量。其具体监测方法是:用GPS的RTK适时动态技术,把GPS的基站放在已建控制网的某已知点上,流动站沿沟缘线、峁边线、沟底线、沟头连续采集点的坐标,绘制出三维曲线,作为动态监测的基础。定期用同样方法观测比较其变化情况,也可以与以前的航片地形图或野外实测的曲线比较变化情况,若用计算机处理,可以求得比较精确的变化量。（2）人为水土流失监测对人为水土流失的监测,主要包括以下几个方面:A.开挖面、堆积面监测:布设一定比例的监测点,用GPS定期观测监测点的坐标变化情况,可及时了解流失量,也可预测新增流失量和流失速度;B.弃土弃渣量测量:把堆积物近似看作多面体,用GPS测一些特征点的坐标,再模拟原地面形态,即可求出堆积物的数量;C.人为破坏林草植被面积量测:用GPS的RTK实时动态技术,基站架设在一已知点上,流动站沿图斑边界走一圈,GPS手簿上就可显示出所测地块的面积。（3）应用于水土保持信息管理为全数字摄影测量、水土保持信息采集提供控制网通过选择区域、控制网设计、野外选点、造标埋石、外业观测、室内解算得到GPS控制网,在此基础上利用GPS技术进行像控制点测量,再进行室内加密,建立立体模型,并应用自动DTM和半自动DTM软件,生成数字地面模型,作为信息系统的地形数据。同时,利用矢量采集软件,采集土地利用、水系、道路、居民点等数据,作为信息系统专题数据。对信息系统图班进行补测、更新水土保持信息系统需要及时更新数据,补充新的图班,对重点监测区和典型样区,可用GPS的RTK技术对新完成的治理措施图班和属性变更了的图班进行观测,将观测的数据输入信息系统,实现对图班的更新和补充。四、3S技术集成——4D技术在水土保持与荒漠化防治中的应用随着空间信息科学、数字图像处理技术及计算机软硬件技术的飞速发展,遥感与地图学的重点从数据获取的一端向详细加工一端转移,作为其技术支撑的3S技术的综合运用也走向其高级阶段——集成。RS、GIS、GPS三种技术逐步走向集成化和相互交融,是多学科交叉发展的必然趋势。3S集成是当前测绘技术、地图编制技术、摄影测量与遥感技术、卫星定位技术、专家系统技术和现代通讯技术等的有机结合和综合运用,共同组成了一个整体的、实时的、动态的智能化运行系统。由于传统的GIS以矢量数据为主,与遥感数据结构不一致,从而限制了3S的集成。而在水土保持与荒漠化防治中,地图要素、专题信息以栅格数据形成存储,便于叠加分析,因此,以栅格数据为主,兼容矢量数据的4D技术为3S集成提供了最佳技术手段和途径。4D技术是指DEM(数字高程模型)、DOQ(数字正射影像图)、DRG(数字栅格图)和DLG或DTI(数字专题图)4种数字产品生产技术,数据结构上以栅格数据为主,兼容矢量数据,从根本上突破了传统的以矢量数据为主体的GIS数据结构的束缚,便于数据的配准叠加处理,而且精度高,更新速度快,生产成本低。五、3S技术在水土保持与荒漠化防治中的应用趋势3S一体化、计算机网络技术的发展以及信息高速公路的建设,为大范围水土流失监测、数据的快速采集与处理、大量空间数据的管理与快速传输、区域水土流失预报、水土保持工程规划设计提供了新的技术支持。21世纪,3S技术在水土保持与荒漠化防治中的应用将不断发展,走向统一化、规范化和标准化。1、建立全国水土流失监测体系分析研究水土流失的过程、影响因子以及水土流失类型和强度的区域分布特征,建立全国水土流失动态监测与评价指标体系,制定国家水土流失监测技术标准,在重点地区选择指示因子并对其进行评价分级,拟评预警临界指标,逐步完善监测技术规程。2、开发中国水土流失定量评价模型系统学习和吸收外国经验,针对我国水土流失环境的特殊性和复杂性,开发中国水土流失评价模型系统。其具有以下特点:(1)多种空间尺度。坡面(100m2),小流域(100km2),区域(107～106km2)。(2)多种用途。水土流失评价预报,水土保持效益评价,水土保持规划与设计,灾害性水土流失预警。(3)多种形式。物理过程模型,数理统计模型,土壤侵蚀评价与GIS的集成模型。3、区域水土流失连续实时监测和快速调查以已有的地面监测网络为基础,对重点地区的水土流失实施长期定位监测。同时,利用遥感技术开展区域水土流失的大面积连续实时监测和快速调查,为水土保持信息系统的建设提供连续的数据支持。4、建立国家水土保持信息系统建立国家水土保持管理信息系统的目的,是通过多种水土流失数据的集成与快速处理,为水土保持决策与科学管理提供信息服务和决策方案的支持,并促进实现水土保持信息化和现代化。系统由数据管理、文档文献管理、决策支持、规划设计、动态监测信息处理、辅助决策、数据通讯等7个功能子系统组成,具有信息服务、水土保持辅助决策、水土保持规划与设计和水土保持信息公告等功能。3S技术是目前空间信息获取、存储管