“3S”技术在我国土壤风蚀研究中的应用进展

张 伟，岳德鹏，杨贵森，徐晓桃，李 宁，殷 建

(1.北京林业大学林学院省部共建森林资源培育与保护教育部重点实验室，北京100083;2.新疆生产建设兵团水土保持监测总站，新疆乌鲁木齐830002;3.北京地拓科技发展有限公司，北京100084)

土壤风蚀是一个全球性的环境问题，是干旱和半干旱地区形成风沙流、沙漠化与沙尘暴的首要原因。我国是世界上受沙漠化危害最为严重的国家之一，土壤风蚀及土地沙漠化影响面积已占到国土面积的1/2以上，正严重威胁着人们的生产生活，制约着社会经济的可持续发展［1］。近年来土壤风蚀研究方法正在从定性描述向半定量、定量研究转变［2］，尤其是进入20世纪90年代以来随着计算机和信息技术的飞速发展，以GIS为核心的“3S”技术逐步成为地学定量化研究的科学方法之一［3］，促进了土壤风蚀研究的迅速发展。

1 “3S”技术在国内土壤风蚀研究中的应用

1.1 风沙地貌与沙漠化研究的数字化

传统研究方法主要以纸质图形式表达，不仅不利于深入分析，而且不利于风沙地貌的动态监测和数据更新，在一定程度上限制了对风沙地貌的研究。利用GPS可以对主要风沙地貌类型进行快速、精确、高效、方便的定位，也可以通过数据转化将贮存在GPS接收机中的沙丘位置坐标及调查数据直接形成风沙地貌类型数据库，这有利于内业数据的汇总统计［4］;RS可以实时监测人力难以到达的沙漠地区，尤其是沙漠腹地，获得传统手段难以获得的信息;GIS能够根据遥感影像解译的风沙地貌类型数据建立风沙地貌类型数据库，对沙丘类型、空间分布、数量特征进行有效的组织、管理和分析。上述三者紧密结合形成了一个增益系统，为实现风沙地貌定位、定量、动态监测以及数据的分发、共享、分析模拟与灾害评价创造了条件［5］。此外，针对不同的沙漠化问题，许多学者运用“3S”技术在沙漠化遥感监测与评估、土地沙漠化灾害危险度分区与评价、沙漠化景观格局分析、沙漠化预警与模拟等方面进行了大量研究，取得了许多成果［6－9］。

1.2 多尺度多时相的土壤风蚀影响因子获取

土壤风蚀是一个复杂的自然地理过程，受多种因子的影响和制约，其作用的大小、强弱除了跟风力、土壤湿度、植被覆盖、土地利用等因素相关外，还与地表粗糙度、土壤质地、土壤结层、农作措施、作物残茬高度、地表结构破损等因素有关［10］。目前，我国学者对RS在土壤风蚀影响因子提取和应用方面的研究主要集中在土壤湿度反演、植被覆盖度反演以及土地覆被因子获取等方面。随着土壤结层研究的深入和高光谱遥感技术的发展，许多学者正在直接或间接地利用遥感方法对土壤结层的光谱特征进行分析。

GIS为土壤风蚀影响因子的空间分析与制图、各因子分数据库管理提供了平台。例如，张国平等(2001)借助GIS的空间分析功能，得到风速、土壤干燥度、地表植被指数、土壤质地和坡度等风蚀影响因子的空间分布图，并建立了全国1∶10万土壤风力侵蚀数据库［11］;赵峰等(2008)在北京市土壤类型调查的基础上，采用D.W.Fryrear等人的计算公式，计算北京主要土壤类型(亚类)表层的土壤可蚀量，建立了北京市可风蚀性数据库，并采用Region Manager专业地理信息系统软件制作了北京市土壤可风蚀性分级图，为正确评价北京土壤风蚀危害提供了科学依据［12］;高尚玉等(2008)根据气象站点数据，通过GIS空间插值得到各级风速累积时间空间分布图［13］;师华定等(2009)借助GIS和RS技术，得到了内蒙古高原土壤风蚀环境因子(干燥度、风场强度、植被指数、地形起伏度)的空间分布图，推动了土壤风蚀定量研究的发展［14］。

1.3 为风蚀量监测与模型评估提供快捷手段

目前，RS技术在风蚀量测定与模型评估中的应用可以概括为3点:第一，RS的宏观监测能力能够扩大研究的尺度和范围，节省人力、物力和财力;第二，RS的多时相性为动态监测提供了可能;第三，RS的数据获取能力为模型的快速运行创造了条件。自20世纪90年代以来，国内众多学者采用传统野外测量方法和风洞试验方法对风蚀量的测定进行了大量研究，取得了不少成果［15－17］。在模型研究方面，国内学者针对具体研究区域提出了不同的模型，如风蚀流失量模型［18］、随机过程模型［19］、克拉洛维克模型［20］、农田土壤风蚀模型［21］、137Cs风蚀模型［22］、风洞试验模型［13］。目前，“3S”技术与模型相结合进行风蚀量监测的方法仍处于探索与发展阶段，风蚀定量研究及其应用还有待于进一步深入［23］。

1.4 为土壤风蚀强度制图提供新思路

借助GIS和RS技术建立土壤风力侵蚀的分级规则，从宏观上建立不同侵蚀程度的空间格局。张增祥等(1998)依靠GIS和RS技术以及专家的帮助，兼顾相对指标要素逻辑关系判断和空间多要素叠加定量分析两种方法的优势，对山区土壤侵蚀强度进行了划分［24］;刘连友(1999)结合边界下垫面类型的遥感解译和量测，计算了土壤风蚀强度［25］;赵羽(1989)根据相对风蚀深度、植被盖度和风蚀面积所占百分数等指标，对内蒙古土壤风蚀进行了强度分级，并利用MSS/TM资料，结合地面调查，完成了1∶100万内蒙古土壤风蚀强度分级图［26］。2000年水利部水土保持监测中心与中国科学院遥感技术应用研究所等单位利用TM资料并结合地面调查，借助GIS技术完成了新的1∶400万全国土壤风蚀强度图。师华定等(2009)采用GIS和RS技术对内蒙古高原风蚀环境因子空间化，定量评价了各环境因子对土壤风蚀发生、发展的影响程度［27］。

1.5 辅助沙尘暴监测系统的建立

在沙尘暴的监测方法中，传统的地面监测方法受到许多因素的制约，不能很好地反映沙尘暴的全过程。卫星遥感技术可以从空间上捕捉沙尘天气动态信息，而且时间分辨率高，是目前最为有效的监测、跟踪、分析沙尘天气的手段［28－29］。随着遥感技术的不断发展，利用多源遥感数据监测沙尘暴、提取沙尘暴信息、定量分析沙尘暴的有关参数，已成为沙尘暴研究的热点。通过遥感反演沙尘暴途经区域下垫面的有关参数，分析其与天气形成和演化间的关系方面的研究也取得了阶段性成果［30－31］。相对于土壤风蚀监测，GIS在沙尘暴监测中的应用更加深入。我国学者在沙尘暴信息数据库的建立、监测、空间分布、强度变化、移动模拟等方面都开展了细致的研究［32］。

2 “3S”技术在国内土壤风蚀研究应用中存在的问题

“3S”技术的应用极大地推动了我国风沙地貌与沙漠化研究、土壤风蚀影响因子获取、风蚀量监测与模型评估、土壤风蚀强度制图、沙尘暴监测系统建立等领域的发展，为实现土壤风蚀信息提取的自动化、智能化以及信息共享迈出了重要的一步。针对上述“3S”技术在我国土壤风蚀研究领域的应用，笔者认为仍然存在以下几个问题:

(1)“3S”技术在土壤风蚀研究中应用的精度不高。出现这种情况的原因有:第一，土壤风蚀模型本身精度不高，如模型对风蚀复杂问题的简化以及模型因子测量方法本身的不准确、模型选取不当等都会导致误差的产生;第二，GIS技术在图层叠加以及与模型结合时的非线性运算会使误差进一步扩大;第三，用于土壤风蚀监测的遥感数据的数量和质量，即遥感数据的空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率都有待提高，并且遥感数据类型和遥感数据质量也急需改善;第四，遥感分类和反演算法的精度以及遥感信息快速提取的效率不高，导致高空间分辨率和高时间分辨率优势很难同时满足。

(2)以“3S”技术为手段的定量研究不够成熟。研究人员通过风洞试验和田间风沙测量方法对土壤风蚀做了大量研究，但是这种研究不能满足人们对大尺度、连续、快速的风蚀估算和预报要求。部分学者在风蚀模型与“3S”相结合方面做了有益尝试，但目前风蚀模型与RS的结合还只是一种松散式结合，与GIS的结合则大多是松散连接和嵌入式集成，导致风蚀模型、RS和GIS的优势均不能得到充分发挥，进而限制了其推广应用。

(3)我国的土壤风蚀信息化水平较低。尽管我国的土壤风蚀研究和应用取得了许多成果，但是在土壤风蚀监测预报系统以及信息服务平台的构建方面仍处于起步阶段，许多研究成果无法集成、发布和共享。

3 “3S”技术在国内土壤风蚀研究中的应用前景

近年来，网络技术、通信技术、多媒体技术等的发展都加速了“3S”技术的集成，在数字地球的大趋势下，“3S”技术在土壤风蚀研究中的应用越来越广泛。综合来说，在土壤风蚀研究领域，未来“3S”技术可望在以下几个方面取得更大的发展。

(1)“3S”集成技术将推动土壤风蚀研究向广度和深度的方向发展。凭借RS多波段、多时相、能迅速获取信息，GIS强大的空间信息管理和综合分析功能以及GPS的高精度定位能力，“3S”集成技术在研究风蚀区域时空演变规律中具有无可比拟的优势，今后更将应用于风蚀研究的全过程。随着“3S”集成技术应用的继续深入，直接生成土壤湿度、植被覆盖度等风蚀影响因子数据，进行多尺度、多时相、大范围、长期、连续、实时、动态的风蚀定量监测与评价将成为一个发展趋势。

(2)“3S”技术在土壤风蚀研究中的应用精度将进一步提高。近年来，高分辨率卫星、雷达卫星、微波遥感技术、高光谱分辨率传感器、“5S”技术(地理信息系统、遥感、全球定位系统、智能系统和多媒体系统)的联合应用，使得地面监测精度不断提高，空间上可实现地块上的风蚀监测，时间上可实现月、日甚至更小时间尺度上的风蚀监测。我国小卫星群计划的实施将解决时间分辨率和空间分辨率不能同时满足的矛盾。另外，遥感分类和反演算法精度的不断提高、风蚀定量模型和多元数据的相互融合、GPS的精确定位能力，都为土壤风蚀应用精度的提高奠定了坚实的技术基础。

(3)建立土壤风蚀信息服务平台，实现土壤风蚀信息共享网络化。随着计算机和互联网技术的迅速发展，WebGIS和信息共享技术的不断成熟、空间互操作技术的逐步应用为土壤风蚀信息空间数据发布、模型运算、信息的检索与技术共享提供了网络平台，极大地推动了风蚀监测技术、模型和信息的共享，真正实现跨领域(水利、农业、林业、环境等相关领域)、跨信息平台的信息服务，满足实时更新监测成果的要求，从而能为相关部门的应急决策、政府办公提供决策支持和服务。

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