3S技術在水土保持動態監測中的應用

杜 璇

（楊凌職業技術學院水利工程分院，陜西楊凌 712100）

到目前為止，我國自然界中的水土流失情況已經越發嚴重，這種越來越失衡的情況不僅對當地的林業、畜牧業和林業造成嚴重的危害，讓生態越發失衡，讓經濟持續遭受到破壞，同時還將大量的泥沙等物質帶入到當地的河流中，也使得水庫中的水容量受到一定程度的影響，而對于河流來說，讓其逐漸成為地上懸河，持續性降低當地水利設施的調節能力和自然界中河道的抗洪能力，增加了河流下游的洪澇等自然災害，給整個河道的防洪和治理造成了巨大的難點。在這種情況下，為了了解自然界中水土流失情況發生的動態情況，及其隨著自然氣候發展對應的變化情況，同時對區域內水土流失采取及時、有效的治理措施，讓我國在戰略上實現可持續性發展，對我國境內的水土流失情況進行持續的監控和管理已經成為一個不容忽視的問題。

從目前我國的發展情況來看，對于區域內小流域的水土流失情況沒有十分有效的先進技術手段進行整體情況的預測、深入評估和監管。在傳統的關于自然界中水土檢測方法較多采用衛星遙感影像來進行數據的收集，通過不同年份的影響數據來進行深入的分析對比，從而計算出我國水土流失的總面積及其水土流失的總量。這種計算方法存在一定的缺陷，其運行成本較高，更新的速度也有待加強，特別是在雨水較多的季節及區域，對于水土流失的情況不能實時地提供相關數據，因此難以及時制定相應的預防手段對處理突發情況；同時由于遙感影響的比例尺是偏大的，由其影像進行計算得出的結果精準度不高，對于重點的區域難以實現重點監控。3S技術是GPS、RS、GIS相結合的一種技術，這種技術能夠完成對重點需要關注的區域中的土地使用情況進行精準、快速的情況更新，提供準確的水土流失總量和計算水土流失的面積，為防止自然災害的發生、提前預防和事后治理提供科學、全面的數據支持，讓相關部門能夠及時地采取各種技術手段來最大程度地減少人民群眾的生命、財產損失[1]。

1 3S技術相關概述

1.1 遙感（RS）技術

遙感（RS）技術從廣義上來看，是從較遠的地方對所需要進行探測的物體進行測量，不用直接與具體的物體接觸，而是在距離較遠處通過傳感器等一系列的儀器來對待測物體進行探測，并對探測到的大量數據信息，如磁場、地震波、電磁波和電場等的數據信息進行接收，并且在將數據進行傳輸之后，進行復雜的處理和深入的分析研究，以此來對物體的各項屬性進行識別，并識別各項數據的分布情況。在使用遙感技術時，其承載的工具通常選取飛機或者衛星。遙感探測技術有著非常多的優點，例如不會因地面條件而受到限制，且其測試的范圍非常大，可以非常清晰地捕獲可見光波段的相關電磁波詳細信息，同時對于紅外線、紫外線等波段的詳細信息也能進行捕獲。因此，利用遙感技術搜集的影響信息可以迅速地為人們提供地球表面的詳細信息。

近年來，遙感技術已經在許多領域得到了應用，例如在軍事、區域地質、機構對于地貌的繪制、旅游業和自然環境的監測等領域，都有一定的利用，特別是在自然環境資源的調研工作當中，凸顯出了非常明顯的優勢。遙感技術的使用，能夠高效地對我國范圍內的土壤信息情況進行收集，完成對土壤情況的調研，這就能夠在很大程度上增加相關部門對土壤侵害信息調查工作的精準度及其工作的效率。同時隨著持續研發，遙感技術也在不斷地進行改善，其信息源得到了擴充，分辨率得到了極大提升，且高空間分辨率的相關數據也在持續進行更新，同時加強了對遙感數據進行定量分析的技術研發，對地理信息相關系統也進行了完善，在實際應用當中，已經將遙感技術用于對自然界中的水土流失情況進行大比例尺的相關調查和持續的動態監管。遙感技術很早就在我國得到了應用，例如在1983年，我國的相關部門就采用了遙感技術，對我國國土內的水土流失情況進行了全面收集。同時隨著衛星遙感技術的不斷進步，相關部門已經可以得到高分辨率的衛星影像，例如Orb View、SPOT5、IKONOS、COSMOS等，這就可以為技術人員提供大面積的水土流失實際情況，讓相關部門得到所需的高清影像資料，為后續的分析提供了數據基礎[2-3]。

1.2 地理信息系統（GIS）

GIS指的是地理信息系統，可以對地球表面、空間和地理分布進行整體或者部分信息的采集、數據存儲及管理、數據的具體分析、結果的呈現和應用，可以用來對大量的數據進行充分分析和處理。作為研發工作的一款利器，地理信息系統已經在多個領域得到了廣泛的利用，例如在礦產資源的分布、防災減災工作、國土資源信息的統計、交通運輸信息的搜集、自然環境的保護和水電相關設施的建設方面都得到了運用。在進行水土保持的工作時，其主體研究的目標是我國水土資源和其持續發展及變化的過程，在這個研究過程中，涉及了包括地理地貌、土壤性質、大氣狀態、植被情況以及人類活動的相關因子，其研究信息的時間性和空間性都非常明顯。近年來，在我國的水土保持方面，有許多研究中都運用到了GIS，例如在水土保持的相關規劃設計、水土保持結果的模擬、土壤遭受侵蝕嚴重程度的估算、土壤的區域分布現在調查、土壤侵蝕相關監測，土壤侵蝕狀態模擬等方面都利用到了GIS，而在后續的研發方向上，需要開發出適用于水土保持的相關規劃及管理、土壤侵蝕防治工作的專業GIS[5-6]。

1.3 全球定位系統（GPS）和全球導航衛星系統（GNSS）

GPS（Global Positioning System）指的是全球定位系統，最早是由美國的科技工作者于20世紀70年代開始進行研發的，到1994年就全面完成建設，其是一種全新的定位系統和衛星導航系統，可以在海陸空三方位進行精準定位和全面地實時導航。GPS有強大的功能，可以進行24h持續工作，精準度高，功能齊全，運用效率極高，且操作便捷，應用范圍非常廣泛[4]。GPS的應用領域非常廣泛，既可將其運用到導航版塊和測量環節當中，同時還能在測量速度和時間上起到作用，且精準度高，在測速方面的精度為0.1m/s，而在測時方面，其精度可以精準到幾十毫秒之內，同時其應用的范圍還在持續增加。在對水土保持的作用上，GPS既可以在特定的小范圍內對有水土流失的區域進行精準定位和其幾何特征的檢測，還可以對開發建設項目造成的一些水土流失情況進行監管，同時能夠綜合分析水土流失治理的總體面積及其在地域內的分布情況。

GNSS即全球導航衛星系統，是一種空間的導航體系，其由衛星、地面的監控部門及對應的用戶設備組成，具有穩定性強、使用的覆蓋范圍面積廣、可以不間斷運行、精準度高、全球性和定位速度快等一系列優點，是一種非常重要的基礎設施，在我國的國防安全方面和國民的總體經濟建設部分都起到了非常重要的作用，且已經在導航、授時和具體定位等方面得到了非常廣泛的應用，應用面廣，實用性強。目前來說，隨著物聯網、無人駕駛、5G的普及、人工智能等方面的急速發展，人們的生活和生產對于信息方面的準確性和精確度的要求都已經達到了一個全新的高度，從之前的粗放、靜止狀態、事后和小區域的特性，發展到了目前的精確、動態、及時和不受地域限制的狀態。例如在汽車的無人駕駛方面，需要路面上實時信息的精準導航和行駛全過程中的連續支持。

1.4 3S集成技術

RS、GPS、GIS在信息管理上各自都有特點，都可以獨立地完成各自所具有的實際功能，同時它們之間也有著諸多的聯系，在解決具體問題時，在功能上有著不同的優點和劣勢，而這三者進行的有效結合已經成為現代科技發展的一個趨勢。3S集成技術在地里信息集成系統中得到了充分發揮，能夠對所需數據進行實時的更新和處理，為各種實際問題提供有效的技術和數據支持，是一個自動化的實時智能信息系統。具體而言，3S并不是簡單地將這三者進行排列，而是通過一系列嚴密的數據接口進行系統、嚴格的集合，讓其成為一個綜合、全面的大系統，將其整體性能進行了提升。到目前為止，兩兩相互結合的方式已經為3S集成技術提供了諸多經驗。

2 水土保持與荒漠化防治的發展現狀

2.1 逐漸完善產業鏈條

水土保持和荒漠化防治是一門綜合性強，且具有交叉性的學科，其最主要的任務是對我國的水土資源進行調查，并對其出現的問題進行分析研究，提出合理、科學的解決方案，同時需要對關鍵的理論和相關技術進行提升，讓其在生態環境保護、水土資源開發和保持方面得到具體的應用。我國在水土保持和荒漠化防治方面，起步相對于發達國家來說較晚，最早是在我國的重慶市和甘肅省的一部分區域內建立了水土保持相關的試驗站，利用實驗室對于各項基本數據進行調查和監控，建立起了基本的水土保持相關的基本監測方法，通過各項工作來搜集研究范圍內水土流失的具體情況。

2.2 繼續擴展治理思路

隨著水土保持監測體系的建立，讓我國在水土保持等方面能夠得到及時有效的信息，并對出現的一系列問題進行深入分析和具體解決。但是在這部分工作進行的過程當中，隨著自然環境的不斷變化，社會環境也在不停地改變，對于水土保持的相關工作模式和采用的方法也不能停滯不前，而是需要隨著環境的變化及時地做出相應的調整，以應對環境變化帶來的負面影響。例如在衛星導航進行等位時，其定位的穩定性、精準度和時效性對于工程和科學應用的價值來說有著最直接的影響。

2.3 全社會共同參與

水土保持情況對于我國來說是一項非常重要的部分，對于這方面的研究和管理不能只依靠相關的政府部門和一些監測機構，這對于龐大的水土保持體系來說是不夠的，還需要鼓勵全社會參與進來，共同對我國的水土保持作出一定的貢獻。例如針對我國的水土保持和荒漠化防治的發展現狀，許多高校都設立了相對應的學科專業，培養相關的技術人才，為我國水土保持提供有力的后備力量。

3 3S技術在水土保持與荒漠化防治中（水土保持動態監測）的應用

3.1 全球定位系統的應用

在對水土保持的動態進行實時監測時，遙感技術需要一定的時間對此進行處理，有時候地面的情況已經發生了一些變化，但是在遙感技術處理后得到的影像上并不能得到及時的呈現，而這時就可以采用全球定位系統（GPS）對此進行及時的矯正和數據的補充。例如在特定的區域，一段時間之內發生了毀林、開荒的情況，且其面積較大，而利用遙感技術得出的影像呈現出來的結果是在毀林開荒事件發生之前的數據，在這種情況下，就可以利用全球定位系統（GPS）來對其進行定位，及時地掌握地區內情況的動態變化，且能夠在非常短的時間之內就將新遭到破壞的地域進行精準的測繪，并且將其對應到相應的具體空間位置，這樣就能夠對遙感技術所生成的數據進行及時的修正和充分的補充，讓技術人員能夠及時、精準地獲取其地理位置的相關數據信息。

3.2 遙感技術的應用

隨著遙感技術獲得的影像資料越來越多，對影像進行處理的技術也得到了極大提升，遙感技術獲得的數據分辨率得到提高，覆蓋面積擴大，周期縮短，且信息量大，這讓遙感技術在水土保持工作中能夠具體地進行運用，讓其特有的優勢得到充分發揮，成為了水土流失監測工作當中不可缺少的技術手段。遙感技術對水土保持可以進行動態檢測，可以對不同時間內，同一塊地域的水土相關信息進行搜集，且這些數據具有連續性和周期性。

3.3 地理信息系統的應用

地理信息系統在3S技術中處于信息處理中心的位置。在所有能夠對水土流失造成影響的因素里，地形因素所產生的影響是非常大的，特別是坡度帶來的相關影響。以前技術人員在進行坡度圖勾繪時，需要耗費大量的時間和工序，且其精準度不高，若需要進行大范圍的坡度圖勾繪，則需要非常長的周期。而地理信息系統中的DTM和DEM模型則能夠解決這些問題，可以通過掃描裝置和數字化儀器將地形輸入到系統中，通過對數據進行矢量化，利用DTM和DEM系統模型進行運算，就可以得到全省甚至全國地域面積內的坡度分級數據圖。

4 結束語

應用3S技術對自然界中水土流失進行動態情況的檢測，能夠及時、精準地掌握觀測區的水土流失情況、治理的相關變化信息掌握，讓我國的水土流失防治有充分的科學依據。在未來的發展中，3S將成為生態體系建造和自然資源調研的有力技術科技手段，給水土保持工作的檢測和相關情況的管理帶來實用作用。