GIS 在水文水資源領域中的技術應用研究

李杰 張楠

（赤峰水文水資源分中心，內蒙古 赤峰 024000）

1 GIS 地理信息系統在水資源領域中的應用

地理信息系統的運用與數據庫是離不開的，將地理信息系統運用到旅游資源規劃中，需要利用水資源的各種數據，以地理環境為依托，對水資源進行合理的劃分，以得到土地利用現狀圖、植被覆蓋度和等數據。利用水資源數據庫建立數據庫接口，利用數據接口可以對空間數據進行訪問，利用GIS 應用層，可以實現數據的輸入輸出，其結構如圖1 所示。

圖1 地理信息系統

如圖1 所示表示GIS 地理信息系統的基本框架，利用該系統可以實現水資源的合理規劃，該系統也可以收集過去已有的圖鑒資料及部分實測資料，利用GIS 技術進行分析運算得到各相關的因子圖。

案例分析：

某河流是北方的重要河流，流域位于海河流域的中南部，該河流西起太行山，東臨渤海，而且南面與漳衛河溝通，北面聯通大清河，該河流跨越山西、河北、天津三省市，其流域面積達到了46868km2，其中有大約31248km2在山區，占整個流域面積的66.7%，平原面積15620km2，在整個流域面積當中達到了33.3%，該流域為海河流域的第二大流域。隨著當前經濟發展，水土流失問題越來越嚴重，需要重視水土流失的控制。相關部門開始通過GIS 對水土流失的情況進行監控。下面選取該河流某一區段，對水土流失問題進行控制。在研究水土流失的過程中，首先需要對植被覆蓋度和土地利用類型進行檢查，利用GPS技術、遙感技術獲得相應的數據，并且通過運算和解譯后得到土地利用現狀圖、植被覆蓋度和等數據。

2 GIS 數據處理的路徑和方法

2.1 數據采集

為了確保GIS 技術路線的可靠性和完整性，在實際操作的過程中，需要逐步對工作內容進行分階段整理和總結。首先是收集數據信息和資料，依照研究區的相關情況，系統性地對區域的地形地貌數據、衛星遙感數據、氣象水文數據等進行收集。其次需要注意通過野外勘測等活動逐步對數據進行驗證、補充，并且利用平板電腦等設備進行數據的采集和整理，在軟件方面主要涉及erdas 遙感信息處理軟件、ArcGIS 地理信息系統軟件等。如圖2 所示，對水士流失地理信息進行規劃后，基于GIS 地理信息的勘測系統必須具有以下功能模塊。

圖2 面向數據分析和路徑的資源規劃

2.1.1 信息查詢模塊

該功能模塊可以向水文用戶提供各種信息的查詢服務，包括水文的資源規劃、相關勘測信息，從而了解水土流失的實時動態，實現GIS 地理信息勘測系統的合理使用。

2.1.2 地圖瀏覽模塊

地圖瀏覽功能是指可以將鼠標放置在地圖的任何位置，對地圖進行相應的操作，比如放大、縮小和平移等功能，當用戶想瀏覽地圖中的任何模塊，了解水文信息時，可以利用鼠標點擊該模塊，顯示關于勘測區域的各種信息。

2.1.3 路徑分析模塊

可以對勘測作業環境中的任意兩點間的最短路徑求解和顯示，用來確定勘測所需要的最佳路線，為自主導航功能提供技術支持。

2.2 數據處理

在GIS 數據處理過程中，首先需要完成水土流失遙感解譯數據的預處理，在實踐當中包含了幾何糾錯、輻射糾錯以及影像鑲嵌、裁剪等諸多流程，需要注意加強各流程的規范化。比如說，在具體進行數據篩分的過程中，需要注意通過空間差距等方式進行優化，并且將優化后的數據插入到相應的數據庫當中，提高數據的準確性。前往流域現場進行實地勘測，并且建立野外采樣和遙感解譯標志，構建完善的遙感信息數據管理系統。在解譯遙感影像過程中，需要以GF-1 影像為數據源，結合人工判別與計算機自動解析的方式，逐步對植被覆蓋度以及土地利用現狀解析圖等進行完善，挑選一些樣本點比對遙感解譯成果和實地復核的結果，保證數據的準確性，提高GIS 的應用效果。如圖3 所示，為了實現GIS 勘測路徑的自主規劃，從而使自主勘測作業成為可能，可以參照相關系統的數據分析和路徑規劃模塊，結合GPS 和各種傳感器，實現勘測路徑規劃能力。

如圖3 所示表示基于GIS 勘測系統的總體規劃設計，首先是采用衛星和傳感器對數據進行采集，然后利用核心控制模塊，結合GIS 地理信息系統，參照相關勘測規劃系統，可以實現對衛星勘測路徑的規劃，最終實現勘測的自主導航和路徑規劃，從而達到同步協同作業的目的。

圖3 基于GIS 勘測系統總體設計

2.3 GIS 應用實效分析

2.3.1 植被覆蓋度信息分析

在水土流失監測過程中，植被覆蓋度是對地表植被進行衡量的一個重要指標，是對土壤侵蝕產生關鍵影響的抑制因子，在后期需要通過植被的變化情況了解治理的效果，分析治理的主要方向，并且重視對植被覆蓋度信息的提取和應用。

在傳統植被覆蓋度數據采集過程中，主要使用采樣法、儀器法、目視估測法，但是這些方法很容易受到外部因素，如時間、天氣和區域條件的影響，而且在應用過程中消耗時間長，成本高，測量范圍小等缺點。

通過GPS 的精準定位和遙感技術的有機結合，可以快速完成大面積測量工作，了解該流域的植被覆蓋數據，具有準確、及時的特點。在實踐當中，通過人機交互式目視解譯法將植被覆蓋度信息提取出來，在實踐當中借助GIS 平臺對區段內各植被覆蓋度的面積和變化情況進行研究，相應的植被覆蓋度提取結果，如表1 所示。

表1 研究區植被覆蓋度統計結果

對獲得的數據信息進行分析，可以發現該區域整體林地覆蓋度相對較好，以高覆蓋林草和中覆蓋林草為主。在研究過程中，發現該河流研究區間段內發現高覆蓋林草的面積增加了42.28 平方公里，這種漲幅非常明顯，主要是一些中高覆蓋度和小部分中覆蓋度的區域轉變過來的，與此同時，在裸地和低覆蓋度的面積方面數量相對較小，這也反映出該區域的生態環境逐步變好，治理效果明顯。

2.3.2 水土流失情況分析

對該區域的土地利用類型進行分析，并且與植被覆蓋度等結合，研究水土流失情況。在研究的過程中，將水土流失分為微度、輕度、中度、強度、劇烈等各等級。使用ArcGIS 工具逐步對數據進行優化，進一步分析整合植被覆蓋度、土地利用類型等，獲得該區域在2018 年到2019 年的土地流失強度數據。通過對數據的進一步分析，發現該區域水土流失情況并不嚴重，以微度、輕度、中度為主，而且水土流失的情況主要為微度水土流失，而中度水土流失的區域主要在山區未在，高強度和極高強度的水土流失相對較小，主要在一些山區陡坡、裸地裸巖等位置，和治理前相比有所改善。

統計分析各流失強度面積可以發現在2018 年到2019 年間水土流失的情況并不嚴重，各等級間的轉換較少，具體表現在微度水土流失的面積有所增加，主要是輕度和重度水土流失面積轉換來的，高強度水土流失相對較少，極強度和劇烈水土流失的情況有所降低，如表2 所示。

表2 水土流失面積變化轉移矩陣

對GIS 的分析成果進行分析，可以發現該河流的研究區段在水土流失控制方面有所好轉，在實踐當中通過退耕還林還草等一系列方式優化和改造，效果非常明顯。但是部分區域由于工程開發和礦產開采等問題，對水土保持的效果產生了嚴重的影響，這也是后續進行水土治理的重點。需要深入分析當前該流域的具體情況，結合專家的相關調查研究，強化流域內的水土治理工作。

3 結論

總而言之，GIS 在水文水資源的有效使用可以使水文水資源的監測效應和管控水平大幅度提升，具有較好的效果。伴隨當前我國經濟的可持續發展，需要重視環境保護問題，尤其需要注意加強水土流失的控制，本文分析研究了GIS 在水文水資源保護方面的應用，具有較好的效果，在后續GIS 應用的過程中，需要不停學習國外先進技術水平和提高自身對水文資源的認知，加大合作，從而給長遠發展鞏固好基礎。