3S技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

楊建波

（秀山縣生態(tài)環(huán)境局，重慶 409900）

生態(tài)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展水平的重要評(píng)價(jià)依據(jù)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反映了社會(huì)生產(chǎn)與人居環(huán)境穩(wěn)定和協(xié)調(diào)的程度。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)則是在時(shí)空上對(duì)特定區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的組合體類型、結(jié)構(gòu)、功能及其組合要素開(kāi)展的系統(tǒng)測(cè)定和觀察，并評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響，幫助人們認(rèn)識(shí)和掌握生態(tài)環(huán)境狀況及潛在發(fā)展趨勢(shì)，為資源合理利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策依據(jù)。

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，由遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）集成的3S 技術(shù)成為獲取、管理、分析和應(yīng)用空間信息的核心支撐技術(shù)，并在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源利用中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，RS 可在較大范圍內(nèi)快速、高效獲取目標(biāo)信息，GIS 可將獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析和歸類，而GPS 則可在短時(shí)間里對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。因此，有必要將三者結(jié)合起來(lái)，更好地發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持和服務(wù)。

1 RS、GIS、GPS 技術(shù)概述

1.1 遙感技術(shù)（RS）

遙感技術(shù)原理，是利用不同物體間產(chǎn)生的不同波普及反應(yīng)，對(duì)物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再利用專門(mén)的信息讀取軟件系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)物體獲取的反射波普進(jìn)行分析、還原，最終獲得被監(jiān)測(cè)物體形象及性能狀態(tài)[1]。

1.1.1 RS 特點(diǎn)

RS 具有信息方式多樣化、信息采集范圍大（利用遙感衛(wèi)星、遙感飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息采集）、信息收集效率高（實(shí)現(xiàn)信息收集、存儲(chǔ)、傳輸一體化）和受限?。ㄉ搅帧⑵皆吧詈５貐^(qū)均可進(jìn)行勘查）等特點(diǎn)。

1.1.2 RS 技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用流程

將RS 技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境、水環(huán)境、土地環(huán)境等領(lǐng)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，需要先將遙感器收集到的數(shù)據(jù)信息按照統(tǒng)一格式進(jìn)行預(yù)處理，然后利用歸一化的方法對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。獲取動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，幫助人們了解生態(tài)環(huán)境狀況。

1.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）

GIS 是在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（含大氣層）空間中相關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、處理、分析、顯示和描述的空間數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)[2]。

1.2.1 GIS 特點(diǎn)

地理信息系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：大多直接選用商用GIS 軟件；多為生態(tài)環(huán)境專業(yè)人員建立和應(yīng)用；在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用主要集中于耕地、植被、綠地等某一領(lǐng)域內(nèi)的現(xiàn)象監(jiān)測(cè)。

1.2.2 GIS 技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用流程

GIS 應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，是將存儲(chǔ)、處理空間信息系統(tǒng)，通過(guò)分析信息空間分布，監(jiān)測(cè)各個(gè)時(shí)段信息變化，并比較不同空間數(shù)據(jù)信息，使數(shù)據(jù)更為直觀、生動(dòng)。以水環(huán)境監(jiān)測(cè)為例，其應(yīng)用流程為：選定監(jiān)測(cè)區(qū)域—對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)—收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)—輸入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)—查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)—分析、評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通常需要環(huán)境監(jiān)測(cè)站、信息處理中心及監(jiān)理所等部門(mén)共同完成。

1.3 全球定位系統(tǒng)（GPS）

利用衛(wèi)星星座、地面控制及信號(hào)接收機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤及定位。利用GPS 系統(tǒng)功能配合環(huán)境信息后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及周邊環(huán)境空間、屬性數(shù)據(jù)采集，并建立完善的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3.1 GPS 特點(diǎn)

將GPS 應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候測(cè)試，精確度更高，提升環(huán)境監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效率。

1.3.2 GPS 技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用流程

做好網(wǎng)形規(guī)劃及監(jiān)測(cè)時(shí)段安排，并從找尋點(diǎn)位、架設(shè)儀器、記錄觀測(cè)手簿等方面做好擺站，然后將監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)下載。

2 3S 技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)行

圖1 3S 技術(shù)集成

3S 技術(shù)是將RS、GIS、GPS 三種技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用合成（見(jiàn)圖1），其組成技術(shù)在空間信息管理方面發(fā)揮著各自的功能優(yōu)勢(shì)。將3S 技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，可以形成多功能綜合系統(tǒng)，更好地發(fā)揮3S 技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用，為環(huán)境保護(hù)提供有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料。這有助于充分利用生態(tài)環(huán)境資源，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。3S 技術(shù)結(jié)合了RS、GIS、GPS 技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，其中，GIS 具有較強(qiáng)的空間查詢、分析及綜合處理能力（不足：數(shù)據(jù)獲取較難）；RS 能夠快速、高效地獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大面積信息資料（不足：數(shù)據(jù)定位及分類精度差）；GPS 能夠快速確定被監(jiān)測(cè)區(qū)域的目標(biāo)位置，具有很強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)精準(zhǔn)定位功能（不足：無(wú)法給出監(jiān)測(cè)目標(biāo)具體的地理屬性）。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，GPS 承擔(dān)快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置的職能；RS 為環(huán)境監(jiān)測(cè)后臺(tái)監(jiān)測(cè)技術(shù)人員提供地表物理及環(huán)境幾何地理信息變化過(guò)程數(shù)據(jù)信息；GIS則通過(guò)多種時(shí)空數(shù)據(jù)綜合分析，構(gòu)建3D虛擬模型，幫助環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)人員直觀地觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，三種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用較少，大多是兩兩集成應(yīng)用。例如，GPS 與GIS 集成，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理；RS 與GPS 集成，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境自動(dòng)定時(shí)數(shù)據(jù)采集及災(zāi)害環(huán)境預(yù)測(cè)；GIS 與RS 集成，能夠提供生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、土地利用變化分析及空間環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)更新等。周昊昊利用RS 與GIS 技術(shù)，分析了琿春市1996年、2004年和2015年三個(gè)時(shí)期的遙感影像，并對(duì)應(yīng)提取當(dāng)期土地利用、植被覆蓋數(shù)據(jù)以及土壤侵蝕數(shù)據(jù)分析，獲得全市整體生態(tài)環(huán)境變化結(jié)果，為全市資源開(kāi)發(fā)和利用提供了具體資源信息指導(dǎo)[3]。

3 3S 技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 城市環(huán)境污染監(jiān)測(cè)

當(dāng)前，人們可以將3S 技術(shù)應(yīng)用于城市環(huán)境污染監(jiān)測(cè)。其中，RS 進(jìn)行前期城市污染資料收集，GIS 則提供技術(shù)平臺(tái)，將RS 與GIS 技術(shù)聯(lián)合可編繪出清晰的城市大氣、水環(huán)境污染源的分布圖，再結(jié)合航空多光譜攝影技術(shù)，監(jiān)測(cè)大氣及水環(huán)境中的主要污染物及其空間分布。此外，GIS 可應(yīng)用于城市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查以及污染源監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境功能及環(huán)境影響評(píng)價(jià)等領(lǐng)域，為城市生態(tài)環(huán)境總體規(guī)劃提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。目前，我國(guó)大部分地區(qū)建立了環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)了城市環(huán)境地理信息系統(tǒng)、城市環(huán)境污染應(yīng)急預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，人們可以結(jié)合GIS 制作出具體的污染源分布圖、大氣質(zhì)量功能區(qū)劃圖等，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供詳細(xì)的環(huán)境空間數(shù)據(jù)。例如，收集區(qū)域遙感圖像，結(jié)合城市地面污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用3S 技術(shù)，對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行調(diào)查、分析，并確定具體的城市熱源、熱場(chǎng)位置、分布區(qū)域范圍、熱島強(qiáng)度等，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，從而監(jiān)測(cè)出城市的熱力分布規(guī)律及變化特點(diǎn)。

3.2 土壤變化監(jiān)測(cè)

將3S 技術(shù)應(yīng)用于土壤變化監(jiān)測(cè)，主要是通過(guò)土壤水分、土壤沙漠化、鹽堿化以及侵蝕等監(jiān)測(cè)研究，分析土壤變化。通過(guò)區(qū)域土壤荒漠化的動(dòng)態(tài)演化模擬分析和區(qū)域水土流失的遙感監(jiān)測(cè)，人們可以掌握區(qū)域水土流失現(xiàn)狀，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)及治理決策提供依據(jù)。高云騰等采用3S 技術(shù)，對(duì)山東省南四湖地區(qū)2000-2005年的土地利用變化情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其中濕地、草地分別減少了195 km2、771 km2，城市建筑用地增加了665 km2。整體來(lái)看，該區(qū)域森林、濕地、草地占比較小，農(nóng)田和城市建筑用地占比較大，后期要做好不同類型的土地利用規(guī)劃[4]。

3.3 水體污染監(jiān)測(cè)

區(qū)域水環(huán)境中的污染物濃度差異會(huì)使水體的密度、透明度、顏色和溫度發(fā)生變化。3S 技術(shù)利用水體的上述差異變化所導(dǎo)致的水體反射波普能量變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域水質(zhì)和水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使人精準(zhǔn)地標(biāo)識(shí)出不同區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量狀況及變化特點(diǎn)，分析區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)和規(guī)律，利用模擬直觀確定具體的污染源、排污口等具體環(huán)境要素在水環(huán)境中的空間分布，為水環(huán)境治理提供依據(jù)。

3.4 植被演化監(jiān)測(cè)

植被是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是評(píng)價(jià)地表環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。RS 可以進(jìn)行大范圍植被的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)不同時(shí)間段的植被監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)人類誘導(dǎo)及自然環(huán)境影響產(chǎn)生的植被變化，并分析這種變化的原因和結(jié)果，為植被生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和決策提供科學(xué)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)。GIS 技術(shù)可對(duì)區(qū)域植被演化進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)，了解植被的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)程，為相關(guān)部門(mén)決策提供服務(wù)。目前，3S 技術(shù)廣泛應(yīng)用于植被演化監(jiān)測(cè)，主要包括植被種類識(shí)別，植被類型、植物退化演替和植物生物量研究以及植物季相節(jié)律研究等。來(lái)永斌采用3S 技術(shù)對(duì)撫順市森林為主的區(qū)域景觀空間格局進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別獲得了景觀破碎度、景觀中嵌塊體等生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)嵌塊，并對(duì)區(qū)域景觀空間結(jié)構(gòu)和景觀的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后期的區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)[5]。

4 結(jié)論

3S 技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用取得了良好效果。但是，目前以兩兩結(jié)合為主，更多的是RS 與GIS的結(jié)合應(yīng)用，但這兩種技術(shù)的結(jié)合缺少統(tǒng)一坐標(biāo)空間，獲取的空間數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)不同步。3S 技術(shù)集成應(yīng)用尚處于起始階段，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用方法和理論還需完善，尤其是環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)體系。當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量要求越來(lái)越高，3S 技術(shù)的一體化集成將逐步得到完善，最終形成3S 技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。人們可以將其作為國(guó)家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段，不斷提升重大環(huán)境污染事故的應(yīng)對(duì)處置能力。