水土流失動態監測中遙感與地理信息系統技術的應用

劉曉靜，閆璐瑤，羅麗芳，李昱霏

（1.黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，甘肅 西峰 745000；2.黃河水土保持綏德治理監督局，甘肅 綏德 719000）

水土流失是世界范圍內最為嚴重的環境問題之一，對生活環境影響巨大。水土流失形成機理和形成過程復雜，憑借單一的研究方法很難揭示其過程。應用遙感技術、地理信息系統技術等先進技術可以幫助人們更加高效、準確地監測土壤侵蝕分布的動態變化，做好分級分類工作，為科學決策提供可靠依據。

一、遙感技術和地理信息系統

1、遙感技術（RS）

遙感技術產生于20 世紀60 年代，借助電磁波原理以及各類傳感器，實現對目標輻射及反射電磁波信息的遠距離收集和處理，得到相應的圖像，完成物體識別。地質工作中，遙感技術通過單一波段轉換構建多元化模型，將監測到的數據信息及時傳遞給地面中心，實現對水工環地質的分析。

遙感技術中，傳感器是核心設備之一，不同類型的傳感器在反應成像方面存在一定差異。目前，常用傳感器包括紅外攝影傳感器、光攝影傳感器以及光譜掃描傳感器等。在不斷發展中，遙感技術的分辨率有了很大提高，監測范圍也在持續拓展，傳感器波段增加，通過與超光譜成像儀相互配合，能進一步提升圖像的最終分辨率[1]。

2、地理信息系統（GIS）

GIS 能夠對數據空間內幾乎所有類型的數據信息進行采集和整理，在保證數據真實性、準確性和完整性的同時，實現對數據的高度整合。應用中，GIS 技術對計算機硬件設備和軟件系統有嚴格要求，通過硬件與軟件的結合，能夠就地理分布數據進行采集、存儲、運算、分析和顯示。作為一門以信息技術為基礎發展起來的綜合性學科，GIS 通過3D 視圖與具體地理空間坐標結合，能對相關地理數據進行輸入、存儲、查詢以及分析。

GIS 系統本身附帶相應的圖形用戶界面，目標用戶能夠對可視化地圖中的數據進行查看和操控。這個功能的基礎是GIS 引擎，其作為系統核心能夠為數據庫供給、拓撲功能等提供支撐，方便用戶使用[2]。信息化時代背景下，GIS 技術發展迅速，相關研究人員越來越重視對GIS 用戶界面的研究。

二、水土流失動態監測運用遙感和地理信息系統的必要性

1、傳統監測手段落后

20 世紀80 年代開始，國家先后進行4 次水土保持或土壤侵蝕普查工作。由于監測技術水平的限制，這4 次普查都存在監測周期長、時效性弱、成果單一的問題。傳統的水土保持監測設備需要專業人員手動操作，測量速度慢、精度不高、數據更新不及時，發現水土流失問題時已發展到難以治理的程度。尤其是一些新興經濟開發項目周邊區域，如果缺乏實時性、動態性的水土流失數據，會給監管和防治工作帶來很大難度[3]。

2、數據信息質量不高

水土流失監測需要采集、分析和處理很多數據，并設定相應的時間界限，人工操作費時、費力，容易產生紕漏。日常水土流失監測管理中，人工數據采集點設置過于集中，實時監測無法固定指標，只能檢測部分點，得到的水體流失數據代表性差，存在數據質量不高的問題。

3、評價方法存在缺陷

在缺乏現代技術支撐時，水土流失評價方法存在很多缺陷。以第2 次和第3 次全國土壤侵蝕調查為例，因為基礎數據欠缺，采用了專家定性分析的方法，依照土壤侵蝕分類、分級標準，對土壤侵蝕的類型、強度以及面積等進行評價[4]。這種方法本身存在很強的主觀性，不能保證結果的準確性。與之相比，第4 次全國水土保持情況普查使用了遙感影像配合抽樣統計分析評價的方法，雖然同樣忽略了部分影像因子，但是相比較前一種準確度提高很多。

4、可視化的管理需求

在現代水土流失動態監測中，應用傾斜攝影技術、視頻監控技術可提供立體、直觀、可視化的交互方式，改善了監測站工作人員的操作體驗，滿足監測站可視化管理的需求。

將RS 和GIS 技術應用到水土流失動態監測中，能有效解決上述問題，提升水土流失動態監測數據信息的準確性和有效性，為水土流失的預防和治理提供支持[5]。

三、遙感和地理信息系統的應用路徑

1、RS 技術在水土流失動態監測中的運用

RS 技術能夠在較遠的距離之外對物體進行探測和感知，基本不受地面條件影響，有廣泛的視域范圍。信息技術的飛速發展推動了RS 影像處理技術的成熟，能獲得異常豐富的影像資源，且圖像的分辨率高，更新周期短，是現階段水土流失動態監測的一種重要手段，在水土保持和生態環境保護中發揮著不容忽視的作用。

不同區域中，遙感水土流失監測可實現有效提取動態信息，信息的周期性和連續性能夠切實保證水土流失監測的高效性。借助實時遙感圖像可有效監測土壤侵蝕強度的動態變化，綜合分析區域內植被資源的動態變化，對照水土流失發展趨勢，及時就區域內可能出現水土流失加劇或生態環境惡化的地方進行警示，確保相關部門盡快防范和應對。

應用RS 技術還能合理分析相關資料，發布有效的水土保持成效公告。研究人員利用地面遙感監測系統，針對水土流失問題進行了動態監測，使部分監測工作實現了自動化和數字化，推動了水土保持監測系統的持續優化[6]。

2、GIS 技術在水土流失動態監測中的運用

GIS 技術有非常突出的空間信息處理能力，能根據不同用戶需求提供不同信息，并將數據處理結果通過地圖、圖形和數據等形式體現出來。

借助GIS 技術能管理遙感普查得到的數據資料，為水土保持工作的實施提供可靠的決策依據。地形因素對水土流失的影響極大，但在傳統水土流失監測中，坡度和坡長都是人工勾繪的，需要消耗大量的時間和精力，而且繪圖的精度無法保證。應用GIS技術使工作人員可以利用DEM 和DTM 模型，生成和地形有關的空間分布特征，將地形輸入到系統中進行矢量化處理，獲得全國地面坡度分級圖。借助疊加分析模型對水土流失影響因素進行疊加，對照預先輸入的參數標準，GIS 系統能生成專題圖件，明確水土流失動態變化情況。然后對照相應的統計分析模型，對水土流失的發展趨勢和治理效益進行預測，確保水土保持工作順利展開。

水土保持動態監測Web GIS 系統能解決水土保持動態監測中涉及的海量數據處理問題，整合集成不同來源的數據，或提供桌面地圖排版以及專題地圖制作等服務。將GIS 系統應用到水土保持監測中可發揮其在數據管理、空間分析以及可視化等方面的功能，總結系統應用優勢，同時明確水土保持監測發展的新方向[7]。

3、RS 與GIS 集成技術在水土流失動態監測中的運用

水土流失動態監測中，對RS 和GIS 技術集成應用能更好地收集水土流失現狀和水土流失治理信息，為水土保持提供充足依據。運用時應關注2 方面的內容：

一是遙感數據采集功能的強化。水土流失的誘發因素多種多樣，為從遙感數據中提取準確信息，可采用多種復合技術手段，全面收集和整理水土流失因素，如區域遙感信息多波段與多平臺復合方法、定性分析與定量分析結合方法、遙感信息與地圖復合方法等。這些方法和手段的應用可增強遙感數據采集功能，充分發揮RS 和GIS 技術的優勢。

二是水土保持信息管理系統構建。在一些重點防治工程及重大開發建設項目中，可運用分辨率較高的三維動態模型，將水土流失預測預報模型引入到典型區域中，配合RS 技術和GIS 技術，構建數字化的水土保持信息管理系統，對各個區域內的重點區域水土流失情況進行全面動態監測，提升管理的動態性和時效性，推動水土保持管理水平的提高，為政府決策提供可供參考依據，借助數字化、現代化的水土保持管理模式，確保水土保持工作高效完成[8]。

四、結語

在水土流失動態監測中，RS 技術和GIS 技術發揮著非常重要的作用，將2 種技術整合應用可以提供多時相、多波段的信息來源，在保證遙感信息精度的同時，切實提升GIS 數據分析的智能化程度，推動一體化空間信息系統的建設和優化，改善土地動態監測工作效果。通過RS 技術和GIS 技術的整合應用，能夠同時發揮遙感技術高效、經濟以及地理信息系統數字化、智能化的特點，對水土流失動態監測工作方法進行創新，為生態環保性社會建設提供可靠技術支撐。