水土流失动态监测中遥感与地理信息系统技术的应用

刘晓静，闫璐瑶，罗丽芳，李昱霏

（1.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，甘肃 西峰 745000；2.黄河水土保持绥德治理监督局，甘肃 绥德 719000）

水土流失是世界范围内最为严重的环境问题之一，对生活环境影响巨大。水土流失形成机理和形成过程复杂，凭借单一的研究方法很难揭示其过程。应用遥感技术、地理信息系统技术等先进技术可以帮助人们更加高效、准确地监测土壤侵蚀分布的动态变化，做好分级分类工作，为科学决策提供可靠依据。

一、遥感技术和地理信息系统

1、遥感技术（RS）

遥感技术产生于20 世纪60 年代，借助电磁波原理以及各类传感器，实现对目标辐射及反射电磁波信息的远距离收集和处理，得到相应的图像，完成物体识别。地质工作中，遥感技术通过单一波段转换构建多元化模型，将监测到的数据信息及时传递给地面中心，实现对水工环地质的分析。

遥感技术中，传感器是核心设备之一，不同类型的传感器在反应成像方面存在一定差异。目前，常用传感器包括红外摄影传感器、光摄影传感器以及光谱扫描传感器等。在不断发展中，遥感技术的分辨率有了很大提高，监测范围也在持续拓展，传感器波段增加，通过与超光谱成像仪相互配合，能进一步提升图像的最终分辨率[1]。

2、地理信息系统（GIS）

GIS 能够对数据空间内几乎所有类型的数据信息进行采集和整理，在保证数据真实性、准确性和完整性的同时，实现对数据的高度整合。应用中，GIS 技术对计算机硬件设备和软件系统有严格要求，通过硬件与软件的结合，能够就地理分布数据进行采集、存储、运算、分析和显示。作为一门以信息技术为基础发展起来的综合性学科，GIS 通过3D 视图与具体地理空间坐标结合，能对相关地理数据进行输入、存储、查询以及分析。

GIS 系统本身附带相应的图形用户界面，目标用户能够对可视化地图中的数据进行查看和操控。这个功能的基础是GIS 引擎，其作为系统核心能够为数据库供给、拓扑功能等提供支撑，方便用户使用[2]。信息化时代背景下，GIS 技术发展迅速，相关研究人员越来越重视对GIS 用户界面的研究。

二、水土流失动态监测运用遥感和地理信息系统的必要性

1、传统监测手段落后

20 世纪80 年代开始，国家先后进行4 次水土保持或土壤侵蚀普查工作。由于监测技术水平的限制，这4 次普查都存在监测周期长、时效性弱、成果单一的问题。传统的水土保持监测设备需要专业人员手动操作，测量速度慢、精度不高、数据更新不及时，发现水土流失问题时已发展到难以治理的程度。尤其是一些新兴经济开发项目周边区域，如果缺乏实时性、动态性的水土流失数据，会给监管和防治工作带来很大难度[3]。

2、数据信息质量不高

水土流失监测需要采集、分析和处理很多数据，并设定相应的时间界限，人工操作费时、费力，容易产生纰漏。日常水土流失监测管理中，人工数据采集点设置过于集中，实时监测无法固定指标，只能检测部分点，得到的水体流失数据代表性差，存在数据质量不高的问题。

3、评价方法存在缺陷

在缺乏现代技术支撑时，水土流失评价方法存在很多缺陷。以第2 次和第3 次全国土壤侵蚀调查为例，因为基础数据欠缺，采用了专家定性分析的方法，依照土壤侵蚀分类、分级标准，对土壤侵蚀的类型、强度以及面积等进行评价[4]。这种方法本身存在很强的主观性，不能保证结果的准确性。与之相比，第4 次全国水土保持情况普查使用了遥感影像配合抽样统计分析评价的方法，虽然同样忽略了部分影像因子，但是相比较前一种准确度提高很多。

4、可视化的管理需求

在现代水土流失动态监测中，应用倾斜摄影技术、视频监控技术可提供立体、直观、可视化的交互方式，改善了监测站工作人员的操作体验，满足监测站可视化管理的需求。

将RS 和GIS 技术应用到水土流失动态监测中，能有效解决上述问题，提升水土流失动态监测数据信息的准确性和有效性，为水土流失的预防和治理提供支持[5]。

三、遥感和地理信息系统的应用路径

1、RS 技术在水土流失动态监测中的运用

RS 技术能够在较远的距离之外对物体进行探测和感知，基本不受地面条件影响，有广泛的视域范围。信息技术的飞速发展推动了RS 影像处理技术的成熟，能获得异常丰富的影像资源，且图像的分辨率高，更新周期短，是现阶段水土流失动态监测的一种重要手段，在水土保持和生态环境保护中发挥着不容忽视的作用。

不同区域中，遥感水土流失监测可实现有效提取动态信息，信息的周期性和连续性能够切实保证水土流失监测的高效性。借助实时遥感图像可有效监测土壤侵蚀强度的动态变化，综合分析区域内植被资源的动态变化，对照水土流失发展趋势，及时就区域内可能出现水土流失加剧或生态环境恶化的地方进行警示，确保相关部门尽快防范和应对。

应用RS 技术还能合理分析相关资料，发布有效的水土保持成效公告。研究人员利用地面遥感监测系统，针对水土流失问题进行了动态监测，使部分监测工作实现了自动化和数字化，推动了水土保持监测系统的持续优化[6]。

2、GIS 技术在水土流失动态监测中的运用

GIS 技术有非常突出的空间信息处理能力，能根据不同用户需求提供不同信息，并将数据处理结果通过地图、图形和数据等形式体现出来。

借助GIS 技术能管理遥感普查得到的数据资料，为水土保持工作的实施提供可靠的决策依据。地形因素对水土流失的影响极大，但在传统水土流失监测中，坡度和坡长都是人工勾绘的，需要消耗大量的时间和精力，而且绘图的精度无法保证。应用GIS技术使工作人员可以利用DEM 和DTM 模型，生成和地形有关的空间分布特征，将地形输入到系统中进行矢量化处理，获得全国地面坡度分级图。借助叠加分析模型对水土流失影响因素进行叠加，对照预先输入的参数标准，GIS 系统能生成专题图件，明确水土流失动态变化情况。然后对照相应的统计分析模型，对水土流失的发展趋势和治理效益进行预测，确保水土保持工作顺利展开。

水土保持动态监测Web GIS 系统能解决水土保持动态监测中涉及的海量数据处理问题，整合集成不同来源的数据，或提供桌面地图排版以及专题地图制作等服务。将GIS 系统应用到水土保持监测中可发挥其在数据管理、空间分析以及可视化等方面的功能，总结系统应用优势，同时明确水土保持监测发展的新方向[7]。

3、RS 与GIS 集成技术在水土流失动态监测中的运用

水土流失动态监测中，对RS 和GIS 技术集成应用能更好地收集水土流失现状和水土流失治理信息，为水土保持提供充足依据。运用时应关注2 方面的内容：

一是遥感数据采集功能的强化。水土流失的诱发因素多种多样，为从遥感数据中提取准确信息，可采用多种复合技术手段，全面收集和整理水土流失因素，如区域遥感信息多波段与多平台复合方法、定性分析与定量分析结合方法、遥感信息与地图复合方法等。这些方法和手段的应用可增强遥感数据采集功能，充分发挥RS 和GIS 技术的优势。

二是水土保持信息管理系统构建。在一些重点防治工程及重大开发建设项目中，可运用分辨率较高的三维动态模型，将水土流失预测预报模型引入到典型区域中，配合RS 技术和GIS 技术，构建数字化的水土保持信息管理系统，对各个区域内的重点区域水土流失情况进行全面动态监测，提升管理的动态性和时效性，推动水土保持管理水平的提高，为政府决策提供可供参考依据，借助数字化、现代化的水土保持管理模式，确保水土保持工作高效完成[8]。

四、结语

在水土流失动态监测中，RS 技术和GIS 技术发挥着非常重要的作用，将2 种技术整合应用可以提供多时相、多波段的信息来源，在保证遥感信息精度的同时，切实提升GIS 数据分析的智能化程度，推动一体化空间信息系统的建设和优化，改善土地动态监测工作效果。通过RS 技术和GIS 技术的整合应用，能够同时发挥遥感技术高效、经济以及地理信息系统数字化、智能化的特点，对水土流失动态监测工作方法进行创新，为生态环保性社会建设提供可靠技术支撑。