“３Ｓ”技术在水土保持工作中的应用及展望
来源： 水土保持生态环境建设网 上传日期:2018-07-23 打印本文章 【字体】 大 中 小（赵永军 巫明强）
2001年6月29日
摘 要 ＲＳ、ＧＩＳ、ＧＰＳ在水土保持工作中得到了广泛的应用，已经出现的两两组合的联合应用，极大地促进了水土保持事业的发展。“３Ｓ”技术是通过数据接口严格紧密地将ＲＳ、ＧＩＳ、ＧＰＳ有机集合起来，使其成为一个更具有应用价值的大系统，它们各自发挥着自己特定的作用和功能，整个系统在一个有序、协调的有机整体中运行，可从整体上解决水土保持管理与监测中的诸多问题。
关键词 水土保持 ＲＳ ＧＩＳ ＧＰＳ 应用
１９９８年，国家批准实施的《全国生态环境建设规划》，正式把水土保持确定为生态环境建设的主体工程和江河治理的根本措施，确立了水土保持的重点与奋斗目标。但不相适应的是，水土保持监测工作的时效性问题日益突出：一方面，调查统计的数字严重滞后于水土流失的变化与生态环境的建设速度，另一方面，监测工作的繁琐又极大地制约了监测工作的快速开展。在水土保持工作中引进ＧＰＳ（全球定位系统）、ＧＩＳ（地理信息系统）、ＲＳ（遥感）等技术（简称“３Ｓ”技术）便成为近年科技兴水保的重点之一。
一、“３Ｓ”技术在水土保持工作中的应用分析
１．ＲＳ在水土保持领域打下了广泛的应用基础
ＲＳ（遥感技术）是６０年代发展起来的，主要是指从远距离高空及外层空间的各种平台上利用电磁波探测仪器，通过摄影或扫描、信息响应、传输和处理，研究地面物体的形状、大小、位置及其与环境的相关关系等宏观规律的现代科学技术。其特征是不接触被研究的目标，感测目标的特征信息（这是与ＧＰＳ的根本区别之处），经过传输、处理，从中提取有用的信息。
自７０年代以来，遥感在资源环境调查工作中已经显示出巨大的优势。遥感调查能在短时期内完成全国范围的土壤侵蚀监测，极大地提高土壤侵蚀调查的工作效率和精度。根据遥感技术和土壤侵蚀的特点，必须在野外调查与遥感图斑对比的基础上，将不同时相的遥感图片还原一致，建立统一的技术体系和技术指标，才能进行土壤侵蚀的动态监测。迄今为止我国先后进行了两次全国土壤侵蚀的遥感调查，并将对全国范围的水土流失进行定期普查，予以公告。
随着遥感信息源的改善，高光谱分辨率和高空间分辨率遥感数据不断更新，以及遥感数据定量分析技术的不断进步和地理信息系统技术的发展，应用遥感方法进行大比例尺资源调查成为可能，可大大提高水土保持工作的主动性。
２． ＧＩＳ为水土保持工作建立了坚实的应用平台
ＧＩＳ（地理信息系统）是在计算机软硬件技术支持下采集、存贮、管理、检索和综合分析各种地理空间信息，以多种形式输出数据或图形产品的计算机系统，于６０年代中后期开始起步，经过几十年的发展，已经进入专业化应用与商品化开发阶段。地理信息系统不仅是进行资源普查、区域开发规划、国土管理规划、环境资源调查的基础，也是区域决策与现代化管理的有力手段，具有广阔的应用前景。
地理信息系统的处理对象为空间实体，它的工作过程（查询检索等）主要是通过研究实体的空间位置与空间关系来进行的，当然也可以是通过研究他们的属性来进行。它对空间数据除管理、检索外，还可进行各种运算和分析。输出形式主要是图形（各种专题图等），也可以是传统的表格、文字、数据。地理信息系统在水土保持领域已得到广泛的应用，历次的遥感调查无不利用地理信息系统来分析、综合遥感信息。国内已有多个基于ＡＲＣ／ＩＮＦＯ、ＭＡＰＩＮＦＯ、ＭＡＰＧＩＳ等软件平台的水土保持地理信息系统，在水土保持规划、三区划分、小流域规划设计等方面发挥着重要的作用。
３．ＧＰＳ使水土保持的实时监测成为可能
ＧＰＳ是一种可以定时与测距的空间交汇的导航系统，是美国国防部于７０年代规划、８０年代实施、９０年代运营的卫星防御系统的一部分，具有测量和导航功能，通过接收卫星信息来给出（记录）地球上任意地点的三维坐标以及载体的运行速度，同时它还可给出准确的时间信息，具有记录地物属性的功能。它和传统监测不同的是，操作十分简单方便，只需一人携带仪器经过该地点即可，可大大提高测量的速度。２０００年５月，美国取消了选择性提供政策，为水土保持行业应用ＧＰＳ打下了很好的基础。需要注意的是，不同型号的ＧＰＳ，测量精度不同。
ＧＰＳ测量相对独立，任何一点的测量均是依靠卫星信号定位的，和前后测点无关，因而没有地面通视的要求，也没有误差积累的影响，可以用来测量小范围的水土保持设施或水土流失现象发生的位置、几何特征等，还可监测开发建设项目造成的水土流失情况以及退耕还林的具体面积及分布。
二、“３Ｓ”在水土保持工作中的集成构想
ＲＳ、ＧＩＳ、ＧＰＳ在水土保持工作中的应用取得成功，使水土保持工作从传统的定性分析发展为定性、定量和定位分析，从单一要素分析过渡到多要素、多变量综合分析，从静态分析发展到动态研究，极大地推动了水土保持事业的发展。为实现２１世纪人口、资源、环境的协调发展，需要对大量的数据进行及时的处理、分析，以便对问题及时做出决策，显然单“Ｓ”已不能很好地适应水土保持形势发展的要求，必须进行“３Ｓ”集成应用。
“３Ｓ”不是ＧＰＳ、ＧＩＳ、ＲＳ的简单组合，而是将其通过数据接口严格地、紧密地、系统地集合起来，使其成为一个更具有应用价值的大系统。目前两两结合的系统相继应用，为“３Ｓ”集成积累了丰富的经验。如土壤侵蚀的遥感调查工作就是联合应用ＲＳ及ＧＩＳ技术手段，采用人机交互方式，以多专题综合分析方法，来实现全国土壤侵蚀状况的快速调查，初步查清了我国水土流失类型、强度的分布与面积。交通、公安及消防等导航技术是ＧＰＳ与ＧＩＳ的联合应用，也是较为普及、易于实现的集成，把ＧＰＳ接收的数据在ＧＩＳ的电子地图上显示，方便地告诉用户当前所在的位置、速度及行走的路线，指引用户完成自己的任务；它在水土保持领域可建成实时监测系统，可以测定防护林、地块的位置，计算其周长、面积、体积、坡度等要素，也可在ＧＩＳ图中将水土保持设施一一标出，为水土保持工作提供便利。
在水土保持工作的“３Ｓ”集成中，ＧＩＳ是主体，它组织ＲＳ信息以及其他地理信息（自然地理与人为地理信息），根据水土保持任务的需要，用ＧＰＳ来细化、更新部分信息，经过分析、处理，得出相应的成果并动态地预测水土流失的发展趋势，为水土保持的决策提供科技支持，为小流域综合治理、规划设计提供支持手段。ＲＳ是ＧＩＳ的主要信息源，它大大改善了信息的获取、更新手段；尽管土壤侵蚀的性质和强度并不能完全从遥感获取的地表信息中准确地确定出来，但土壤侵蚀图斑的处理与分类是ＧＰＳ不能取代的。借助于适当的模型及辅助信息，图斑的聚类分析与自动判别在ＧＩＳ上可以实现，这也是“３Ｓ”集成的目的之一。ＧＰＳ在“３Ｓ”中也可用作信息源，它相对于ＲＳ来说属于微观尺度，主要用于细化局部区域的信息，作为ＧＩＳ重要的补测、补绘、更新手段；用于地物特征点的测量，可以在ＧＩＳ中配准ＲＳ图片。这个“３Ｓ”集成系统，三个“Ｓ”各自发挥着自己特定的作用和功能，使系统在一个有序、协调的有机整体中运行，进而从整体上解决水土保持管理与监测中的有关问题。
三、“３Ｓ”在水土保持工作中的应用展望
应用之一：水土资源遥感调查。随着遥感技术的发展，分辨率进一步提高，ＲＳ可用作“３Ｓ”的主要信息源，ＧＩＳ作为组织手段，利用ＧＰＳ进行野外调查，如定位用于配准ＲＳ图片的地物特征点，用ＧＰＳ数码相机在野外典型侵蚀类型区采集详细的图片信息，在ＧＩＳ基础上统一图斑的侵蚀分类、分级判读的解译标准，利用计算机进行自动判读，完成土壤侵蚀遥感调查，供水土流失公告和水土保持规划等使用。对小流域，在卫星图片的基础上，选定适当区域，通过低空无人驾驶飞机、ＧＰＳ、摄像机、扫描仪、遥测遥控设备进行野外测量，利用ＧＩＳ进行内业处理，配合图形、图像处理系统，可以实时地进行小规模的水土流失动态监测、水土保持措施及成果的验收评估等。还可用于估计水土保持林、水土保持草的长势及产量，调查包括土壤含水量在内的水土资源分布情况等。
应用之二：辅助规划工作。“３Ｓ”在小流域综合治理工作中，利用遥感图片作为底图，在地形控制点用ＧＰＳ进行测量，得出三维地形，在ＧＩＳ中开发一系列设计、制图模块，可完成小流域规划设计工作；借助于网络技术，可以向相邻流域传递有关信息，实现图形信息综合、数据统计汇总等工作，大大改善水土保持工作的方便程度。
应用之三：成果验收与监督执法。借助于“３Ｓ”系统，可以进行水土保持成果的验收，如在“３Ｓ”系统中显示出退耕还林、还草，新建高标准基本农田的具体分布及面积对比情况，由于定位功能，再也不会出现一个成果多次验收、多次计算的事情。还可监测开发建设项目扰动地表造成土壤侵蚀以及治理情况，监测毁林开荒、滥垦乱伐、过度樵采等情况。
应用之四：水土保持工程综合应用。把ＧＰＳ的接收主板与计算机的主板集成到一起，形成一个便携式设备。既可在内业完成规划设计工作，又可完成水土保持与生态工程的野外施工放样工作，也可用于施工监理，随时监测工程进度。当然，因为ＧＰＳ的导航功能，不用担心在野外迷失方向。
“３Ｓ”具体应用远远不止上述列举的几种。有一点可以肯定：“３Ｓ”将给水土保持监测和管理工作带来巨大的实用价值。鉴于“３Ｓ”应用将成为生态系统建设和资源调查的主要手段，具有很强的公益性，国家应该将其作为基础设施来建设，并提高到可持续发展的战略高度来认识，建立自己的卫星导航和遥感系统，开发集成的“３Ｓ”系统，稳步前进，逐步提高。
作者单位：水利部综合事业局
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