地理信息技术在水土保持监测管理中的应用综述

陈 浩，喻荣岗

(江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029)

地理信息技术在水土保持监测管理中的应用综述

陈 浩，喻荣岗

(江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029)

GIS；RS；GPS；水土保持；监测管理

地理信息技术在水土保持监测管理中的应用，进一步提升了管理工作的科学性和实效性。详细论述了GIS、RS、GPS的优势和在水土保持监管中的具体应用，结合实际探讨了存在的有效时间分辨率影响水土保持整体效益的分析与评价,有效地面分辨率影响水土保持治理措施的成效，遥感影像的质量造成水土保持效益监测时段不连续，模型运算空间分辨率影响水土保持监测成效分析，完整的推广示范体系未形成等问题，并提出了具体的建议。

伴随着水土保持新技术、新方法的不断出现，以及相关交叉学科的不断引入，我国水土保持监测管理工作的效率较以往有了较大的提高，尤其是引入地理信息系统、遥感、全球定位系统等地理信息技术后，借助于这些技术在数据管理、空间分析、宏观决策等方面的性能优势，管理工作的科学性和实效性得到了进一步提升。不仅有效地实现了数字小流域构建、土壤侵蚀模型数据库建设、小流域水土保持信息管理系统开发等[1-4]，还可及时有效地跟踪和了解不同小流域或区域内水土保持措施状况、水土流失时空分布和动态变化等内容，从而提高监测管理工作的精准度与时效性，为开展水土保持工作提供了有力的技术支撑和科学的本底数据。

1 地理信息技术在水土保持监测管理中的应用

水土保持是一门综合性学科，要做好水土保持监测管理工作，仅靠之前传统的常规监测方法，已远远不能满足当前监测管理工作的需要。地理信息技术作为一种基于宏观层面的监测分析技术，目前已在农业、林业、水利、环境、监测等多个交叉学科领域得到了广泛应用。从当前发展趋势来看，地理信息技术的应用会对我国水土保持监测管理工作产生重大的推动作用，可进一步提升水土保持监测管理工作的系统性和科学性。

1.1 遥感(RS)技术在水土保持监管中的应用

1.1.1 RS技术简介

遥感(Remote Sensing，简称RS)一词顾名思义，就是遥远的感知[5]。RS技术主要是通过特殊手段对地球表面地物及其特征进行远距离探测和识别的一种技术，主要从空中到地面乃至从空间到地面对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测技术体系，主要包括空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统、信息分析应用系统等4部分。RS技术因其宏观性和综合性强、综合效益高、信息量大、技术先进、获取信息快、更新周期短、动态信息丰富等特点，应用领域非常广泛。

1.1.2 RS技术在水土保持监测管理中的应用

RS技术在水土保持监测管理中的应用主要体现在通过不同遥感平台的影像资料，结合一定的遥感解译方法和手段，开展水土保持治理动态效益监测。动态效益监测内容主要有水土保持治理前后的土地利用变化情况、植被覆盖度的变化情况、相关生态环境效益因子的动态变化等[6-7]。目前，低空遥感监测与地面雷达监测也在水土保持监管中得到了一定的推广应用，特别是无人机遥感遥测技术克服了高空云层对获取影像资料的限制，其监测数据的更新周期还可以根据项目的需要进行自主设定，进一步提高了遥感监测的灵活性[8]。RS技术在水土保持监管中的应用优势主要体现在其具有强大的信息量和综合效益，通过构建适当的遥感反演方法，可进行宏观大区域的水土保持治理效益分析，为政府宏观决策提供数据支撑。

1.2 全球定位系统(GPS)在水土保持监测管理中的应用

1.2.1 GPS简介

全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种[5]。GPS主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成，具有全天候获取数据、全球覆盖、可移动定位、精度高、操作简单等特点，是对RS技术应用过程中的一个有效补充，特别是在大比例尺专题图制作过程中，GPS应用广泛。

1.2.2 GPS在水土保持监测管理中的应用

GPS具有精度高、获取数据全天候等特点，常用于水土保持规划设计、施工放样、竣工验收、水土流失监测和土地利用情况调查，以及生产建设项目水土保持动态监测[9-10]。采用该技术还可以进行不同水土流失区界线实地验证和调整，通过布设不同密度点位网，进行综合治理小流域和实施区域数字地形图的构建[11]，为后期土壤侵蚀预测与分析提供基础数据源。GPS在水土保持监管中的应用优势主要体现在其不受天气限制、精度高，可为水土保持监测提供有力的技术保障。

1.3 地理信息系统(GIS)在水土保持监测管理中的应用

1.3.1 GIS简介

地理信息系统(Geographical Information System，简称GIS)是在计算机软硬件支持下，研究并处理各种空间实体及空间关系为主的技术系统[12]，主要分为综合性地理信息系统、区域性地理信息系统、专题性地理信息系统三大类[5]。从总体来看地理信息系统处理与管理的对象是多种地理空间实体数据和数据间关系，主要包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题[2]。由于在处理空间实体与空间关系方面具有较大优势，GIS目前已被广泛应用于区域规划与管理、资源与环境调查、灾害监测、土地资源管理等多个领域[5]。

1.3.2 GIS在水土保持监测管理中的应用

GIS在水土保持监测管理中的应用主要表现在：利用GIS的空间分析功能，在相关本底数据(DEM、河网数据等)的基础上实现小流域的提取[13]，从而构建数字化小流域；结合水土流失预测预报模型(USLE、RUSLE、CSLE模型等)[14-15]和水文预测预报模型[16-17](AGNPS、ANSWERS、MATSALU、SWAT、STREAM、SWIM、TOPMODEL等)，进行小流域土壤侵蚀预测预报和水土保持治理成效分析；结合小流域的水土保持治理情况，搜集相关信息，并进行矢量化和属性赋值处理，构建小流域自然环境本底数据库、水土保持治理信息库模型[18]；通过WebGIS技术，实现水土保持基础数据库的共享和水土保持协同分析[19]，使水土保持部门和相关职能部门对小流域情况有一个宏观上的把握，便于多部门统筹协作，制定区域性的水土保持规划和其他发展规划；通过计算机语言二次开发，构建专业的水土保持监测管理信息系统，实现水土保持监管工作的信息化和规范化。

1.4 地理信息集成(“3S”)技术在水土保持监测管理中的应用

1.4.1 “3S”技术简介

地理信息集成技术，也就是通常所说的“3S”技术，即集成GPS、RS和GIS技术的整体，这种系统不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能，而且能够智能分析和运用数据，为各种应用提供科学决策咨询，并提供解决方案。RS和GPS技术可以提供海量数据，然后通过GIS技术的空间提取与分析功能，提取有用数据，从而进行综合性分析，形成了一套综合、完整的对地监测系统，为“数字地球”构建提供了理论基础和数据支撑。

1.4.2 “3S”技术在水土保持监测管理中的应用

“3S”技术在水土保持监管中的应用，主要是通过集成GIS、GPS、RS技术，从整体上构建水土保持综合管理及监测平台，从而更好地开展小流域水土保持和区域水土保持监测管理工作，当前已有一些学者将“3S”技术应用到了水土保持监管中，并尝试性地构建了水土保持监测管理系统[20-22]。“3S”技术的优势就是集中了GIS的空间分析、RS的宏观决策、GPS的高精度监测等技术优势于一身，形成技术合力，使水土保持监测管理步入信息化时代。

2 地理信息技术在水土保持监测管理中应用存在的问题

水土保持重点治理工程、国家农业综合开发水土保持项目、坡耕地水土流失综合整治项目等一系列水土保持重点工程的实施，对当前水土保持监管工作提出了更高的要求，不仅要提升监管的实施力度更要充分体现监管效能。地理信息技术在水土保持监管宏观决策和动态监管方面，优势明显。土地利用现状、植被等基础信息可以通过地理信息技术体系当中的空间属性模块来直接获取，经过数据采集、贮存、分析等，以数据图层的形式很直观地呈现出来，从而便于技术人员提取地理环境中的坡度、坡向等指标[12]。以往，这些环节的工作往往需要进行现场勘察或测量，现阶段，借助GIS的优势性能，能弥补水土保持监测管理过程中的技术缺失，突显各类型地理数据信息的利用实效，从而改善水土保持监测管理的效率。

但是，当前地理信息技术在水土保持监测管理中的应用也存在一些急需解决的问题，主要表现在以下几个方面：一是有效时间分辨率。在进行水土保持监测管理时，由于不同的水土保持措施产生的效益时段不同，在选取遥感影像时，选取时间的不同会影响水土保持整体效益的分析与评价。二是有效地面分辨率。在进行水土保持效益分析时，不同地面分辨率的遥感影像往往造成分析结果不一，特别是坡度、坡向、林草覆盖率等信息，会导致人为夸大或缩小某种水土保持治理措施的成效。三是遥感影像的质量。在基于RS技术获取影像资料时，往往由于天气问题，造成某时段遥感影像资料的缺失，使得水土保持效益监测时段不连续。四是模型运算空间分辨率。在进行基于地理信息技术模型运算时，一般会将所有运算图层转化为统一地面分辨率再进行模型的运算，这样往往会影响模型的最终运算结果，从而影响水土保持监测成效分析。五是研究人员虽然对水土保持管理信息系统开展了一些有益的尝试，但是由于各级水保部门和实地配套原位监测设备的缺失，目前还没有形成一个完整的推广示范体系。

3 几点建议

针对当前地理信息技术在水土保持监测管理中的应用存在的问题，建议结合实地采样调查、径流小区定位试验研究，对各项水土保持措施效益进行科学分析，从而构建水土保持措施时效数据库，以便于选择最佳时段遥感影像，开展合理的水土保持成效分析；利用不同分辨率的遥感影像结合实地监测，开展不同水土保持措施效益分析，筛选最优空间分辨率遥感影像数据库，为后期的水土保持成效分析提供最优数据源；大力推进近地摄影测量技术，不仅操作简单，而且大大提高了水土保持监测数据的精度；大力推进无人机遥感遥测技术，弥补因天气原因而造成的遥感影像缺失等问题；结合坡面径流小区试验、集水区和小流域定位监测，积极开展不同尺度的水土保持效益模型运算研究，为模型运算的最优空间分辨率确定提供数据支撑；进一步加强各级水土保持部门的软硬件配套，完善和新增水土保持监测点，并进行监测设备的更新。

从当前地理信息技术在水土保持监管中的应用来看，地理信息本身的优势较为明显，特别是地理信息集成技术在数据管理、空间分析等环节的优势是其他技术无法比拟的[23]。今后，应进一步加强水土保持监管的软硬件配套，科学论证地理信息技术数据源的有效性，搭建数据优选标准数据库，为地理信息技术在水土保持监测管理中的应用提供数据和技术保障，为我国水土保持监测管理工作的有序开展保驾护航。

[1] 王鹏，王姝，翟旭.GIS技术在水土保持中的应用[J].安徽农业科学，2007，35(15):4589-4591.

[2] 刘宪春，王万君，王爱娟，等.遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用[J].中国水土保持，2014(8)：64-66.

[3] 陈晨宇，李健，康致远.基于GIS的开发建设项目水土保持监测信息系统——以桐柏抽水蓄能电站工程为例[J].水土保持通报，2010(4)：38-40.

[4] 郭索彦，李智广，赵辉.我国水土保持监测制度体系建设现状与任务[J].中国水土保持科学，2011(6)：23-26.

[5] 邓良基.遥感基础与应用[M].北京：中国农业出版社，2009：188.

[6] 赵帮元，李志华，郭玉涛，等.遥感在黄河流域水土保持监测中的应用[J].水土保持研究，2004，11(2)：47-48.

[7] 谢婉君.生态公益林水土保持生态效益遥感测定研究[D].福州：福建农林大学，2013:20.

[8] 梁志鑫，卢宝鹏，张焘.无人机技术在生产建设项目水土保持监测中的应用[J].吉林农业，2010(9)：137-138.

[9] 喻权刚，赵帮元，董戈英.GPS在水土保持生态建设中的应用研究[J].中国水土保持，2000(11):23-25.

[10] 许晓鸿,常晓东,刘艳军，等.开发建设项目水土保持监测方法探讨[J].水土保持研究，2007,14(3)：57-58.

[11] 王海洋.黄土丘陵沟壑区坝系工程水土保持监测方法与效果研究[D].晋中:山西农业大学，2013:4.

[12] 陈述彭.遥感大辞典[M].北京：科学出版社，1990：12.

[13] 莫奇京，罗蔚生，杨桂贤. 基于ASTER GDEM的石漠化综合治理中的小流域提取研究——以广西石漠化综合治理应用为例[J].林业调查规划，2011，36(5)：22-25.

[14] 朱明勇,谭淑端,张全发.基于GIS和USLE的小流域土壤侵蚀定量评价[J].长江流域资源与环境，2013，22(3):1572-1581.

[15] 陈建忠,陈晓玲，李辉，等.基于GIS/RS和USLE鄱阳湖流域土壤侵蚀变化[J].农业工程学报，2011，27(2)：337-345.

[16] 初京刚,张弛,周惠成.SWAT与MODFLOW模型耦合的接口及框架结构研究及应用[J].地理科学进展，2011，30(3)：335-342.

[17] 陈欣，郭新波.采用AGNPS模型预测小流域磷素流失的分析[J].农业工程学报，2000，16(5):44-48.

[18] 周月敏，吴炳方，李强子.小流域水土保持信息管理系统设计与实现[J].世界科技研究与发展，2005(6):58-63.

[19] 陈治国. 基于WebGIS的水土保持公众信息发布系统的研究[D].北京：北京林业大学， 2005：23.

[20] 喻权刚.基于“3S”技术的黄土高原水土保持监测研究[D].南京：河海大学，2006:10.

[21] 薛月园，周俊. 3S技术在水土保持与荒漠化防治中的应用[J].现代园艺，2015(8)：161-162.

[22] 许峰,郭索彦.我国水土保持管理领域中3S技术的应用与发展方向[J].山地农业生物学报，2001，20(4):297-300.

[23] 张新玉，鲁胜力，王莹，等.我国水土保持监测工作现状及探讨——从长江、松辽流域监测调研谈起[J].中国水土保持，2014(4)：8-9.

(责任编辑 孙占锋)

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1000-0941(2015)06-0062-04

陈浩(1982—)，男，上海市人，助理工程师，学士，从事水土保持工作；通信作者喻荣岗(1977—)，男，江西德安县人，高级工程师，硕士研究生，从事水土保持监测工作。

2015-04-10