GIS 在水文水資源領(lǐng)域中的技術(shù)應(yīng)用研究

李杰 張楠

（赤峰水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 GIS 地理信息系統(tǒng)在水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)的運(yùn)用與數(shù)據(jù)庫是離不開的，將地理信息系統(tǒng)運(yùn)用到旅游資源規(guī)劃中，需要利用水資源的各種數(shù)據(jù)，以地理環(huán)境為依托，對(duì)水資源進(jìn)行合理的劃分，以得到土地利用現(xiàn)狀圖、植被覆蓋度和等數(shù)據(jù)。利用水資源數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)庫接口，利用數(shù)據(jù)接口可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，利用GIS 應(yīng)用層，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 地理信息系統(tǒng)

如圖1 所示表示GIS 地理信息系統(tǒng)的基本框架，利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水資源的合理規(guī)劃，該系統(tǒng)也可以收集過去已有的圖鑒資料及部分實(shí)測(cè)資料，利用GIS 技術(shù)進(jìn)行分析運(yùn)算得到各相關(guān)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(wèi)河溝通，北面聯(lián)通大清河，該河流跨越山西、河北、天津三省市，其流域面積達(dá)到了46868km2，其中有大約31248km2在山區(qū)，占整個(gè)流域面積的66.7%，平原面積15620km2，在整個(gè)流域面積當(dāng)中達(dá)到了33.3%，該流域?yàn)楹：恿饔虻牡诙罅饔?。隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水土流失問題越來越嚴(yán)重，需要重視水土流失的控制。相關(guān)部門開始通過GIS 對(duì)水土流失的情況進(jìn)行監(jiān)控。下面選取該河流某一區(qū)段，對(duì)水土流失問題進(jìn)行控制。在研究水土流失的過程中，首先需要對(duì)植被覆蓋度和土地利用類型進(jìn)行檢查，利用GPS技術(shù)、遙感技術(shù)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且通過運(yùn)算和解譯后得到土地利用現(xiàn)狀圖、植被覆蓋度和等數(shù)據(jù)。

2 GIS 數(shù)據(jù)處理的路徑和方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了確保GIS 技術(shù)路線的可靠性和完整性，在實(shí)際操作的過程中，需要逐步對(duì)工作內(nèi)容進(jìn)行分階段整理和總結(jié)。首先是收集數(shù)據(jù)信息和資料，依照研究區(qū)的相關(guān)情況，系統(tǒng)性地對(duì)區(qū)域的地形地貌數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象水文數(shù)據(jù)等進(jìn)行收集。其次需要注意通過野外勘測(cè)等活動(dòng)逐步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、補(bǔ)充，并且利用平板電腦等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件等。如圖2 所示，對(duì)水士流失地理信息進(jìn)行規(guī)劃后，基于GIS 地理信息的勘測(cè)系統(tǒng)必須具有以下功能模塊。

圖2 面向數(shù)據(jù)分析和路徑的資源規(guī)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(wù)，包括水文的資源規(guī)劃、相關(guān)勘測(cè)信息，從而了解水土流失的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)GIS 地理信息勘測(cè)系統(tǒng)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(biāo)放置在地圖的任何位置，對(duì)地圖進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如放大、縮小和平移等功能，當(dāng)用戶想瀏覽地圖中的任何模塊，了解水文信息時(shí)，可以利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該模塊，顯示關(guān)于勘測(cè)區(qū)域的各種信息。

2.1.3 路徑分析模塊

可以對(duì)勘測(cè)作業(yè)環(huán)境中的任意兩點(diǎn)間的最短路徑求解和顯示，用來確定勘測(cè)所需要的最佳路線，為自主導(dǎo)航功能提供技術(shù)支持。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在GIS 數(shù)據(jù)處理過程中，首先需要完成水土流失遙感解譯數(shù)據(jù)的預(yù)處理，在實(shí)踐當(dāng)中包含了幾何糾錯(cuò)、輻射糾錯(cuò)以及影像鑲嵌、裁剪等諸多流程，需要注意加強(qiáng)各流程的規(guī)范化。比如說，在具體進(jìn)行數(shù)據(jù)篩分的過程中，需要注意通過空間差距等方式進(jìn)行優(yōu)化，并且將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)插入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。前往流域現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，并且建立野外采樣和遙感解譯標(biāo)志，構(gòu)建完善的遙感信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在解譯遙感影像過程中，需要以GF-1 影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合人工判別與計(jì)算機(jī)自動(dòng)解析的方式，逐步對(duì)植被覆蓋度以及土地利用現(xiàn)狀解析圖等進(jìn)行完善，挑選一些樣本點(diǎn)比對(duì)遙感解譯成果和實(shí)地復(fù)核的結(jié)果，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高GIS 的應(yīng)用效果。如圖3 所示，為了實(shí)現(xiàn)GIS 勘測(cè)路徑的自主規(guī)劃，從而使自主勘測(cè)作業(yè)成為可能，可以參照相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和路徑規(guī)劃模塊，結(jié)合GPS 和各種傳感器，實(shí)現(xiàn)勘測(cè)路徑規(guī)劃能力。

如圖3 所示表示基于GIS 勘測(cè)系統(tǒng)的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，首先是采用衛(wèi)星和傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后利用核心控制模塊，結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)，參照相關(guān)勘測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星勘測(cè)路徑的規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)勘測(cè)的自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，從而達(dá)到同步協(xié)同作業(yè)的目的。

圖3 基于GIS 勘測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.3 GIS 應(yīng)用實(shí)效分析

2.3.1 植被覆蓋度信息分析

在水土流失監(jiān)測(cè)過程中，植被覆蓋度是對(duì)地表植被進(jìn)行衡量的一個(gè)重要指標(biāo)，是對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生關(guān)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(duì)植被覆蓋度信息的提取和應(yīng)用。

在傳統(tǒng)植被覆蓋度數(shù)據(jù)采集過程中，主要使用采樣法、儀器法、目視估測(cè)法，但是這些方法很容易受到外部因素，如時(shí)間、天氣和區(qū)域條件的影響，而且在應(yīng)用過程中消耗時(shí)間長，成本高，測(cè)量范圍小等缺點(diǎn)。

通過GPS 的精準(zhǔn)定位和遙感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以快速完成大面積測(cè)量工作，了解該流域的植被覆蓋數(shù)據(jù)，具有準(zhǔn)確、及時(shí)的特點(diǎn)。在實(shí)踐當(dāng)中，通過人機(jī)交互式目視解譯法將植被覆蓋度信息提取出來，在實(shí)踐當(dāng)中借助GIS 平臺(tái)對(duì)區(qū)段內(nèi)各植被覆蓋度的面積和變化情況進(jìn)行研究，相應(yīng)的植被覆蓋度提取結(jié)果，如表1 所示。

表1 研究區(qū)植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域整體林地覆蓋度相對(duì)較好，以高覆蓋林草和中覆蓋林草為主。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)該河流研究區(qū)間段內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(qū)域轉(zhuǎn)變過來的，與此同時(shí)，在裸地和低覆蓋度的面積方面數(shù)量相對(duì)較小，這也反映出該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境逐步變好，治理效果明顯。

2.3.2 水土流失情況分析

對(duì)該區(qū)域的土地利用類型進(jìn)行分析，并且與植被覆蓋度等結(jié)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(qiáng)度、劇烈等各等級(jí)。使用ArcGIS 工具逐步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步分析整合植被覆蓋度、土地利用類型等，獲得該區(qū)域在2018 年到2019 年的土地流失強(qiáng)度數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水土流失情況并不嚴(yán)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(qū)域主要在山區(qū)未在，高強(qiáng)度和極高強(qiáng)度的水土流失相對(duì)較小，主要在一些山區(qū)陡坡、裸地裸巖等位置，和治理前相比有所改善。

統(tǒng)計(jì)分析各流失強(qiáng)度面積可以發(fā)現(xiàn)在2018 年到2019 年間水土流失的情況并不嚴(yán)重，各等級(jí)間的轉(zhuǎn)換較少，具體表現(xiàn)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(zhuǎn)換來的，高強(qiáng)度水土流失相對(duì)較少，極強(qiáng)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(zhuǎn)移矩陣

對(duì)GIS 的分析成果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)該河流的研究區(qū)段在水土流失控制方面有所好轉(zhuǎn)，在實(shí)踐當(dāng)中通過退耕還林還草等一系列方式優(yōu)化和改造，效果非常明顯。但是部分區(qū)域由于工程開發(fā)和礦產(chǎn)開采等問題，對(duì)水土保持的效果產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，這也是后續(xù)進(jìn)行水土治理的重點(diǎn)。需要深入分析當(dāng)前該流域的具體情況，結(jié)合專家的相關(guān)調(diào)查研究，強(qiáng)化流域內(nèi)的水土治理工作。

3 結(jié)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(jiān)測(cè)效應(yīng)和管控水平大幅度提升，具有較好的效果。伴隨當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，需要重視環(huán)境保護(hù)問題，尤其需要注意加強(qiáng)水土流失的控制，本文分析研究了GIS 在水文水資源保護(hù)方面的應(yīng)用，具有較好的效果，在后續(xù)GIS 應(yīng)用的過程中，需要不停學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)水平和提高自身對(duì)水文資源的認(rèn)知，加大合作，從而給長遠(yuǎn)發(fā)展鞏固好基礎(chǔ)。