劉曉靜，閆璐瑤，羅麗芳，李昱霏

（1.黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 西峰 745000；2.黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局，甘肅 綏德 719000）

水土流失是世界范圍內(nèi)最為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，對(duì)生活環(huán)境影響巨大。水土流失形成機(jī)理和形成過(guò)程復(fù)雜，憑借單一的研究方法很難揭示其過(guò)程。應(yīng)用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)可以幫助人們更加高效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)土壤侵蝕分布的動(dòng)態(tài)變化，做好分級(jí)分類工作，為科學(xué)決策提供可靠依據(jù)。

一、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)

1、遙感技術(shù)（RS）

遙感技術(shù)產(chǎn)生于20 世紀(jì)60 年代，借助電磁波原理以及各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)輻射及反射電磁波信息的遠(yuǎn)距離收集和處理，得到相應(yīng)的圖像，完成物體識(shí)別。地質(zhì)工作中，遙感技術(shù)通過(guò)單一波段轉(zhuǎn)換構(gòu)建多元化模型，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳遞給地面中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)水工環(huán)地質(zhì)的分析。

遙感技術(shù)中，傳感器是核心設(shè)備之一，不同類型的傳感器在反應(yīng)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(fā)展中，遙感技術(shù)的分辨率有了很大提高，監(jiān)測(cè)范圍也在持續(xù)拓展，傳感器波段增加，通過(guò)與超光譜成像儀相互配合，能進(jìn)一步提升圖像的最終分辨率[1]。

2、地理信息系統(tǒng)（GIS）

GIS 能夠?qū)?shù)據(jù)空間內(nèi)幾乎所有類型的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和整理，在保證數(shù)據(jù)真實(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高度整合。應(yīng)用中，GIS 技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)有嚴(yán)格要求，通過(guò)硬件與軟件的結(jié)合，能夠就地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析和顯示。作為一門以信息技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的綜合性學(xué)科，GIS 通過(guò)3D 視圖與具體地理空間坐標(biāo)結(jié)合，能對(duì)相關(guān)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、查詢以及分析。

GIS 系統(tǒng)本身附帶相應(yīng)的圖形用戶界面，目標(biāo)用戶能夠?qū)梢暬貓D中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和操控。這個(gè)功能的基礎(chǔ)是GIS 引擎，其作為系統(tǒng)核心能夠?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)供給、拓?fù)涔δ艿忍峁┲危奖阌脩羰褂肹2]。信息化時(shí)代背景下，GIS 技術(shù)發(fā)展迅速，相關(guān)研究人員越來(lái)越重視對(duì)GIS 用戶界面的研究。

二、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)運(yùn)用遙感和地理信息系統(tǒng)的必要性

1、傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段落后

20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，國(guó)家先后進(jìn)行4 次水土保持或土壤侵蝕普查工作。由于監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的限制，這4 次普查都存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、時(shí)效性弱、成果單一的問(wèn)題。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備需要專業(yè)人員手動(dòng)操作，測(cè)量速度慢、精度不高、數(shù)據(jù)更新不及時(shí)，發(fā)現(xiàn)水土流失問(wèn)題時(shí)已發(fā)展到難以治理的程度。尤其是一些新興經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目周邊區(qū)域，如果缺乏實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性的水土流失數(shù)據(jù)，會(huì)給監(jiān)管和防治工作帶來(lái)很大難度[3]。

2、數(shù)據(jù)信息質(zhì)量不高

水土流失監(jiān)測(cè)需要采集、分析和處理很多數(shù)據(jù)，并設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間界限，人工操作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，容易產(chǎn)生紕漏。日常水土流失監(jiān)測(cè)管理中，人工數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置過(guò)于集中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)法固定指標(biāo)，只能檢測(cè)部分點(diǎn)，得到的水體流失數(shù)據(jù)代表性差，存在數(shù)據(jù)質(zhì)量不高的問(wèn)題。

3、評(píng)價(jià)方法存在缺陷

在缺乏現(xiàn)代技術(shù)支撐時(shí)，水土流失評(píng)價(jià)方法存在很多缺陷。以第2 次和第3 次全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查為例，因?yàn)榛A(chǔ)數(shù)據(jù)欠缺，采用了專家定性分析的方法，依照土壤侵蝕分類、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)土壤侵蝕的類型、強(qiáng)度以及面積等進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。這種方法本身存在很強(qiáng)的主觀性，不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。與之相比，第4 次全國(guó)水土保持情況普查使用了遙感影像配合抽樣統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)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(zhǔn)確度提高很多。

4、可視化的管理需求

在現(xiàn)代水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)可提供立體、直觀、可視化的交互方式，改善了監(jiān)測(cè)站工作人員的操作體驗(yàn)，滿足監(jiān)測(cè)站可視化管理的需求。

將RS 和GIS 技術(shù)應(yīng)用到水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，能有效解決上述問(wèn)題，提升水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和有效性，為水土流失的預(yù)防和治理提供支持[5]。

三、遙感和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用路徑

1、RS 技術(shù)在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

RS 技術(shù)能夠在較遠(yuǎn)的距離之外對(duì)物體進(jìn)行探測(cè)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(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了RS 影像處理技術(shù)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(xiàn)階段水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種重要手段，在水土保持和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著不容忽視的作用。

不同區(qū)域中，遙感水土流失監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)有效提取動(dòng)態(tài)信息，信息的周期性和連續(xù)性能夠切實(shí)保證水土流失監(jiān)測(cè)的高效性。借助實(shí)時(shí)遙感圖像可有效監(jiān)測(cè)土壤侵蝕強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，綜合分析區(qū)域內(nèi)植被資源的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)照水土流失發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)就區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)水土流失加劇或生態(tài)環(huán)境惡化的地方進(jìn)行警示，確保相關(guān)部門盡快防范和應(yīng)對(duì)。

應(yīng)用RS 技術(shù)還能合理分析相關(guān)資料，發(fā)布有效的水土保持成效公告。研究人員利用地面遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)水土流失問(wèn)題進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，使部分監(jiān)測(cè)工作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和數(shù)字化，推動(dòng)了水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化[6]。

2、GIS 技術(shù)在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

GIS 技術(shù)有非常突出的空間信息處理能力，能根據(jù)不同用戶需求提供不同信息，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過(guò)地圖、圖形和數(shù)據(jù)等形式體現(xiàn)出來(lái)。

借助GIS 技術(shù)能管理遙感普查得到的數(shù)據(jù)資料，為水土保持工作的實(shí)施提供可靠的決策依據(jù)。地形因素對(duì)水土流失的影響極大，但在傳統(tǒng)水土流失監(jiān)測(cè)中，坡度和坡長(zhǎng)都是人工勾繪的，需要消耗大量的時(shí)間和精力，而且繪圖的精度無(wú)法保證。應(yīng)用GIS技術(shù)使工作人員可以利用DEM 和DTM 模型，生成和地形有關(guān)的空間分布特征，將地形輸入到系統(tǒng)中進(jìn)行矢量化處理，獲得全國(guó)地面坡度分級(jí)圖。借助疊加分析模型對(duì)水土流失影響因素進(jìn)行疊加，對(duì)照預(yù)先輸入的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，GIS 系統(tǒng)能生成專題圖件，明確水土流失動(dòng)態(tài)變化情況。然后對(duì)照相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析模型，對(duì)水土流失的發(fā)展趨勢(shì)和治理效益進(jìn)行預(yù)測(cè)，確保水土保持工作順利展開(kāi)。

水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)Web GIS 系統(tǒng)能解決水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中涉及的海量數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，整合集成不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，或提供桌面地圖排版以及專題地圖制作等服務(wù)。將GIS 系統(tǒng)應(yīng)用到水土保持監(jiān)測(cè)中可發(fā)揮其在數(shù)據(jù)管理、空間分析以及可視化等方面的功能，總結(jié)系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)明確水土保持監(jiān)測(cè)發(fā)展的新方向[7]。

3、RS 與GIS 集成技術(shù)在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，對(duì)RS 和GIS 技術(shù)集成應(yīng)用能更好地收集水土流失現(xiàn)狀和水土流失治理信息，為水土保持提供充足依據(jù)。運(yùn)用時(shí)應(yīng)關(guān)注2 方面的內(nèi)容：

一是遙感數(shù)據(jù)采集功能的強(qiáng)化。水土流失的誘發(fā)因素多種多樣，為從遙感數(shù)據(jù)中提取準(zhǔn)確信息，可采用多種復(fù)合技術(shù)手段，全面收集和整理水土流失因素，如區(qū)域遙感信息多波段與多平臺(tái)復(fù)合方法、定性分析與定量分析結(jié)合方法、遙感信息與地圖復(fù)合方法等。這些方法和手段的應(yīng)用可增強(qiáng)遙感數(shù)據(jù)采集功能，充分發(fā)揮RS 和GIS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

二是水土保持信息管理系統(tǒng)構(gòu)建。在一些重點(diǎn)防治工程及重大開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中，可運(yùn)用分辨率較高的三維動(dòng)態(tài)模型，將水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型引入到典型區(qū)域中，配合RS 技術(shù)和GIS 技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化的水土保持信息管理系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的重點(diǎn)區(qū)域水土流失情況進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提升管理的動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性，推動(dòng)水土保持管理水平的提高，為政府決策提供可供參考依據(jù)，借助數(shù)字化、現(xiàn)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(jié)語(yǔ)

在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，RS 技術(shù)和GIS 技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用，將2 種技術(shù)整合應(yīng)用可以提供多時(shí)相、多波段的信息來(lái)源，在保證遙感信息精度的同時(shí)，切實(shí)提升GIS 數(shù)據(jù)分析的智能化程度，推動(dòng)一體化空間信息系統(tǒng)的建設(shè)和優(yōu)化，改善土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作效果。通過(guò)RS 技術(shù)和GIS 技術(shù)的整合應(yīng)用，能夠同時(shí)發(fā)揮遙感技術(shù)高效、經(jīng)濟(jì)以及地理信息系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的特點(diǎn)，對(duì)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作方法進(jìn)行創(chuàng)新，為生態(tài)環(huán)保性社會(huì)建設(shè)提供可靠技術(shù)支撐。