“３Ｓ”技術在水土保持工作中的應用及展望
來源： 水土保持生態(tài)環(huán)境建設網 上傳日期:2018-07-23 打印本文章 【字體】 大 中 小（趙永軍 巫明強）
2001年6月29日
摘 要 ＲＳ、ＧＩＳ、ＧＰＳ在水土保持工作中得到了廣泛的應用，已經出現(xiàn)的兩兩組合的聯(lián)合應用，極大地促進了水土保持事業(yè)的發(fā)展?！埃常印奔夹g是通過數(shù)據(jù)接口嚴格緊密地將ＲＳ、ＧＩＳ、ＧＰＳ有機集合起來，使其成為一個更具有應用價值的大系統(tǒng)，它們各自發(fā)揮著自己特定的作用和功能，整個系統(tǒng)在一個有序、協(xié)調的有機整體中運行，可從整體上解決水土保持管理與監(jiān)測中的諸多問題。
關鍵詞 水土保持 ＲＳ ＧＩＳ ＧＰＳ 應用
１９９８年，國家批準實施的《全國生態(tài)環(huán)境建設規(guī)劃》，正式把水土保持確定為生態(tài)環(huán)境建設的主體工程和江河治理的根本措施，確立了水土保持的重點與奮斗目標。但不相適應的是，水土保持監(jiān)測工作的時效性問題日益突出：一方面，調查統(tǒng)計的數(shù)字嚴重滯后于水土流失的變化與生態(tài)環(huán)境的建設速度，另一方面，監(jiān)測工作的繁瑣又極大地制約了監(jiān)測工作的快速開展。在水土保持工作中引進ＧＰＳ（全球定位系統(tǒng)）、ＧＩＳ（地理信息系統(tǒng)）、ＲＳ（遙感）等技術（簡稱“３Ｓ”技術）便成為近年科技興水保的重點之一。
一、“３Ｓ”技術在水土保持工作中的應用分析
１．ＲＳ在水土保持領域打下了廣泛的應用基礎
ＲＳ（遙感技術）是６０年代發(fā)展起來的，主要是指從遠距離高空及外層空間的各種平臺上利用電磁波探測儀器，通過攝影或掃描、信息響應、傳輸和處理，研究地面物體的形狀、大小、位置及其與環(huán)境的相關關系等宏觀規(guī)律的現(xiàn)代科學技術。其特征是不接觸被研究的目標，感測目標的特征信息（這是與ＧＰＳ的根本區(qū)別之處），經過傳輸、處理，從中提取有用的信息。
自７０年代以來，遙感在資源環(huán)境調查工作中已經顯示出巨大的優(yōu)勢。遙感調查能在短時期內完成全國范圍的土壤侵蝕監(jiān)測，極大地提高土壤侵蝕調查的工作效率和精度。根據(jù)遙感技術和土壤侵蝕的特點，必須在野外調查與遙感圖斑對比的基礎上，將不同時相的遙感圖片還原一致，建立統(tǒng)一的技術體系和技術指標，才能進行土壤侵蝕的動態(tài)監(jiān)測。迄今為止我國先后進行了兩次全國土壤侵蝕的遙感調查，并將對全國范圍的水土流失進行定期普查，予以公告。
隨著遙感信息源的改善，高光譜分辨率和高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)不斷更新，以及遙感數(shù)據(jù)定量分析技術的不斷進步和地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展，應用遙感方法進行大比例尺資源調查成為可能，可大大提高水土保持工作的主動性。
２． ＧＩＳ為水土保持工作建立了堅實的應用平臺
ＧＩＳ（地理信息系統(tǒng)）是在計算機軟硬件技術支持下采集、存貯、管理、檢索和綜合分析各種地理空間信息，以多種形式輸出數(shù)據(jù)或圖形產品的計算機系統(tǒng)，于６０年代中后期開始起步，經過幾十年的發(fā)展，已經進入專業(yè)化應用與商品化開發(fā)階段。地理信息系統(tǒng)不僅是進行資源普查、區(qū)域開發(fā)規(guī)劃、國土管理規(guī)劃、環(huán)境資源調查的基礎，也是區(qū)域決策與現(xiàn)代化管理的有力手段，具有廣闊的應用前景。
地理信息系統(tǒng)的處理對象為空間實體，它的工作過程（查詢檢索等）主要是通過研究實體的空間位置與空間關系來進行的，當然也可以是通過研究他們的屬性來進行。它對空間數(shù)據(jù)除管理、檢索外，還可進行各種運算和分析。輸出形式主要是圖形（各種專題圖等），也可以是傳統(tǒng)的表格、文字、數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)在水土保持領域已得到廣泛的應用，歷次的遙感調查無不利用地理信息系統(tǒng)來分析、綜合遙感信息。國內已有多個基于ＡＲＣ／ＩＮＦＯ、ＭＡＰＩＮＦＯ、ＭＡＰＧＩＳ等軟件平臺的水土保持地理信息系統(tǒng)，在水土保持規(guī)劃、三區(qū)劃分、小流域規(guī)劃設計等方面發(fā)揮著重要的作用。
３．ＧＰＳ使水土保持的實時監(jiān)測成為可能
ＧＰＳ是一種可以定時與測距的空間交匯的導航系統(tǒng)，是美國國防部于７０年代規(guī)劃、８０年代實施、９０年代運營的衛(wèi)星防御系統(tǒng)的一部分，具有測量和導航功能，通過接收衛(wèi)星信息來給出（記錄）地球上任意地點的三維坐標以及載體的運行速度，同時它還可給出準確的時間信息，具有記錄地物屬性的功能。它和傳統(tǒng)監(jiān)測不同的是，操作十分簡單方便，只需一人攜帶儀器經過該地點即可，可大大提高測量的速度。２０００年５月，美國取消了選擇性提供政策，為水土保持行業(yè)應用ＧＰＳ打下了很好的基礎。需要注意的是，不同型號的ＧＰＳ，測量精度不同。
ＧＰＳ測量相對獨立，任何一點的測量均是依靠衛(wèi)星信號定位的，和前后測點無關，因而沒有地面通視的要求，也沒有誤差積累的影響，可以用來測量小范圍的水土保持設施或水土流失現(xiàn)象發(fā)生的位置、幾何特征等，還可監(jiān)測開發(fā)建設項目造成的水土流失情況以及退耕還林的具體面積及分布。
二、“３Ｓ”在水土保持工作中的集成構想
ＲＳ、ＧＩＳ、ＧＰＳ在水土保持工作中的應用取得成功，使水土保持工作從傳統(tǒng)的定性分析發(fā)展為定性、定量和定位分析，從單一要素分析過渡到多要素、多變量綜合分析，從靜態(tài)分析發(fā)展到動態(tài)研究，極大地推動了水土保持事業(yè)的發(fā)展。為實現(xiàn)２１世紀人口、資源、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，需要對大量的數(shù)據(jù)進行及時的處理、分析，以便對問題及時做出決策，顯然單“Ｓ”已不能很好地適應水土保持形勢發(fā)展的要求，必須進行“３Ｓ”集成應用。
“３Ｓ”不是ＧＰＳ、ＧＩＳ、ＲＳ的簡單組合，而是將其通過數(shù)據(jù)接口嚴格地、緊密地、系統(tǒng)地集合起來，使其成為一個更具有應用價值的大系統(tǒng)。目前兩兩結合的系統(tǒng)相繼應用，為“３Ｓ”集成積累了豐富的經驗。如土壤侵蝕的遙感調查工作就是聯(lián)合應用ＲＳ及ＧＩＳ技術手段，采用人機交互方式，以多專題綜合分析方法，來實現(xiàn)全國土壤侵蝕狀況的快速調查，初步查清了我國水土流失類型、強度的分布與面積。交通、公安及消防等導航技術是ＧＰＳ與ＧＩＳ的聯(lián)合應用，也是較為普及、易于實現(xiàn)的集成，把ＧＰＳ接收的數(shù)據(jù)在ＧＩＳ的電子地圖上顯示，方便地告訴用戶當前所在的位置、速度及行走的路線，指引用戶完成自己的任務；它在水土保持領域可建成實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以測定防護林、地塊的位置，計算其周長、面積、體積、坡度等要素，也可在ＧＩＳ圖中將水土保持設施一一標出，為水土保持工作提供便利。
在水土保持工作的“３Ｓ”集成中，ＧＩＳ是主體，它組織ＲＳ信息以及其他地理信息（自然地理與人為地理信息），根據(jù)水土保持任務的需要，用ＧＰＳ來細化、更新部分信息，經過分析、處理，得出相應的成果并動態(tài)地預測水土流失的發(fā)展趨勢，為水土保持的決策提供科技支持，為小流域綜合治理、規(guī)劃設計提供支持手段。ＲＳ是ＧＩＳ的主要信息源，它大大改善了信息的獲取、更新手段；盡管土壤侵蝕的性質和強度并不能完全從遙感獲取的地表信息中準確地確定出來，但土壤侵蝕圖斑的處理與分類是ＧＰＳ不能取代的。借助于適當?shù)哪Ｐ图拜o助信息，圖斑的聚類分析與自動判別在ＧＩＳ上可以實現(xiàn)，這也是“３Ｓ”集成的目的之一。ＧＰＳ在“３Ｓ”中也可用作信息源，它相對于ＲＳ來說屬于微觀尺度，主要用于細化局部區(qū)域的信息，作為ＧＩＳ重要的補測、補繪、更新手段；用于地物特征點的測量，可以在ＧＩＳ中配準ＲＳ圖片。這個“３Ｓ”集成系統(tǒng)，三個“Ｓ”各自發(fā)揮著自己特定的作用和功能，使系統(tǒng)在一個有序、協(xié)調的有機整體中運行，進而從整體上解決水土保持管理與監(jiān)測中的有關問題。
三、“３Ｓ”在水土保持工作中的應用展望
應用之一：水土資源遙感調查。隨著遙感技術的發(fā)展，分辨率進一步提高，ＲＳ可用作“３Ｓ”的主要信息源，ＧＩＳ作為組織手段，利用ＧＰＳ進行野外調查，如定位用于配準ＲＳ圖片的地物特征點，用ＧＰＳ數(shù)碼相機在野外典型侵蝕類型區(qū)采集詳細的圖片信息，在ＧＩＳ基礎上統(tǒng)一圖斑的侵蝕分類、分級判讀的解譯標準，利用計算機進行自動判讀，完成土壤侵蝕遙感調查，供水土流失公告和水土保持規(guī)劃等使用。對小流域，在衛(wèi)星圖片的基礎上，選定適當區(qū)域，通過低空無人駕駛飛機、ＧＰＳ、攝像機、掃描儀、遙測遙控設備進行野外測量，利用ＧＩＳ進行內業(yè)處理，配合圖形、圖像處理系統(tǒng)，可以實時地進行小規(guī)模的水土流失動態(tài)監(jiān)測、水土保持措施及成果的驗收評估等。還可用于估計水土保持林、水土保持草的長勢及產量，調查包括土壤含水量在內的水土資源分布情況等。
應用之二：輔助規(guī)劃工作?！埃常印痹谛×饔蚓C合治理工作中，利用遙感圖片作為底圖，在地形控制點用ＧＰＳ進行測量，得出三維地形，在ＧＩＳ中開發(fā)一系列設計、制圖模塊，可完成小流域規(guī)劃設計工作；借助于網絡技術，可以向相鄰流域傳遞有關信息，實現(xiàn)圖形信息綜合、數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總等工作，大大改善水土保持工作的方便程度。
應用之三：成果驗收與監(jiān)督執(zhí)法。借助于“３Ｓ”系統(tǒng)，可以進行水土保持成果的驗收，如在“３Ｓ”系統(tǒng)中顯示出退耕還林、還草，新建高標準基本農田的具體分布及面積對比情況，由于定位功能，再也不會出現(xiàn)一個成果多次驗收、多次計算的事情。還可監(jiān)測開發(fā)建設項目擾動地表造成土壤侵蝕以及治理情況，監(jiān)測毀林開荒、濫墾亂伐、過度樵采等情況。
應用之四：水土保持工程綜合應用。把ＧＰＳ的接收主板與計算機的主板集成到一起，形成一個便攜式設備。既可在內業(yè)完成規(guī)劃設計工作，又可完成水土保持與生態(tài)工程的野外施工放樣工作，也可用于施工監(jiān)理，隨時監(jiān)測工程進度。當然，因為ＧＰＳ的導航功能，不用擔心在野外迷失方向。
“３Ｓ”具體應用遠遠不止上述列舉的幾種。有一點可以肯定：“３Ｓ”將給水土保持監(jiān)測和管理工作帶來巨大的實用價值。鑒于“３Ｓ”應用將成為生態(tài)系統(tǒng)建設和資源調查的主要手段，具有很強的公益性，國家應該將其作為基礎設施來建設，并提高到可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度來認識，建立自己的衛(wèi)星導航和遙感系統(tǒng)，開發(fā)集成的“３Ｓ”系統(tǒng)，穩(wěn)步前進，逐步提高。
作者單位：水利部綜合事業(yè)局
歡迎關注水土保持生態(tài)建設微信公眾號