3S技術(shù)在水土保持動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

杜 璇

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jīng)越發(fā)嚴(yán)重，這種越來越失衡的情況不僅對當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)、畜牧業(yè)和林業(yè)造成嚴(yán)重的危害，讓生態(tài)越發(fā)失衡，讓經(jīng)濟持續(xù)遭受到破壞，同時還將大量的泥沙等物質(zhì)帶入到當(dāng)?shù)氐暮恿髦?，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(xù)性降低當(dāng)?shù)厮O(shè)施的調(diào)節(jié)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(zāi)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(fā)生的動態(tài)情況，及其隨著自然氣候發(fā)展對應(yīng)的變化情況，同時對區(qū)域內(nèi)水土流失采取及時、有效的治理措施，讓我國在戰(zhàn)略上實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，對我國境內(nèi)的水土流失情況進行持續(xù)的監(jiān)控和管理已經(jīng)成為一個不容忽視的問題。

從目前我國的發(fā)展情況來看，對于區(qū)域內(nèi)小流域的水土流失情況沒有十分有效的先進技術(shù)手段進行整體情況的預(yù)測、深入評估和監(jiān)管。在傳統(tǒng)的關(guān)于自然界中水土檢測方法較多采用衛(wèi)星遙感影像來進行數(shù)據(jù)的收集，通過不同年份的影響數(shù)據(jù)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(jié)及區(qū)域，對于水土流失的情況不能實時地提供相關(guān)數(shù)據(jù)，因此難以及時制定相應(yīng)的預(yù)防手段對處理突發(fā)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(jié)果精準(zhǔn)度不高，對于重點的區(qū)域難以實現(xiàn)重點監(jiān)控。3S技術(shù)是GPS、RS、GIS相結(jié)合的一種技術(shù)，這種技術(shù)能夠完成對重點需要關(guān)注的區(qū)域中的土地使用情況進行精準(zhǔn)、快速的情況更新，提供準(zhǔn)確的水土流失總量和計算水土流失的面積，為防止自然災(zāi)害的發(fā)生、提前預(yù)防和事后治理提供科學(xué)、全面的數(shù)據(jù)支持，讓相關(guān)部門能夠及時地采取各種技術(shù)手段來最大程度地減少人民群眾的生命、財產(chǎn)損失[1]。

1 3S技術(shù)相關(guān)概述

1.1 遙感（RS）技術(shù)

遙感（RS）技術(shù)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(shù)據(jù)信息，如磁場、地震波、電磁波和電場等的數(shù)據(jù)信息進行接收，并且在將數(shù)據(jù)進行傳輸之后，進行復(fù)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(shù)據(jù)的分布情況。在使用遙感技術(shù)時，其承載的工具通常選取飛機或者衛(wèi)星。遙感探測技術(shù)有著非常多的優(yōu)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(guān)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(shù)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(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如在軍事、區(qū)域地質(zhì)、機構(gòu)對于地貌的繪制、旅游業(yè)和自然環(huán)境的監(jiān)測等領(lǐng)域，都有一定的利用，特別是在自然環(huán)境資源的調(diào)研工作當(dāng)中，凸顯出了非常明顯的優(yōu)勢。遙感技術(shù)的使用，能夠高效地對我國范圍內(nèi)的土壤信息情況進行收集，完成對土壤情況的調(diào)研，這就能夠在很大程度上增加相關(guān)部門對土壤侵害信息調(diào)查工作的精準(zhǔn)度及其工作的效率。同時隨著持續(xù)研發(fā)，遙感技術(shù)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(guān)數(shù)據(jù)也在持續(xù)進行更新，同時加強了對遙感數(shù)據(jù)進行定量分析的技術(shù)研發(fā)，對地理信息相關(guān)系統(tǒng)也進行了完善，在實際應(yīng)用當(dāng)中，已經(jīng)將遙感技術(shù)用于對自然界中的水土流失情況進行大比例尺的相關(guān)調(diào)查和持續(xù)的動態(tài)監(jiān)管。遙感技術(shù)很早就在我國得到了應(yīng)用，例如在1983年，我國的相關(guān)部門就采用了遙感技術(shù)，對我國國土內(nèi)的水土流失情況進行了全面收集。同時隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷進步，相關(guān)部門已經(jīng)可以得到高分辨率的衛(wèi)星影像，例如Orb View、SPOT5、IKONOS、COSMOS等，這就可以為技術(shù)人員提供大面積的水土流失實際情況，讓相關(guān)部門得到所需的高清影像資料，為后續(xù)的分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2-3]。

1.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）

GIS指的是地理信息系統(tǒng)，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(shù)據(jù)存儲及管理、數(shù)據(jù)的具體分析、結(jié)果的呈現(xiàn)和應(yīng)用，可以用來對大量的數(shù)據(jù)進行充分分析和處理。作為研發(fā)工作的一款利器，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛的利用，例如在礦產(chǎn)資源的分布、防災(zāi)減災(zāi)工作、國土資源信息的統(tǒng)計、交通運輸信息的搜集、自然環(huán)境的保護和水電相關(guān)設(shè)施的建設(shè)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(biāo)是我國水土資源和其持續(xù)發(fā)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(zhì)、大氣狀態(tài)、植被情況以及人類活動的相關(guān)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(guān)規(guī)劃設(shè)計、水土保持結(jié)果的模擬、土壤遭受侵蝕嚴(yán)重程度的估算、土壤的區(qū)域分布現(xiàn)在調(diào)查、土壤侵蝕相關(guān)監(jiān)測，土壤侵蝕狀態(tài)模擬等方面都利用到了GIS，而在后續(xù)的研發(fā)方向上，需要開發(fā)出適用于水土保持的相關(guān)規(guī)劃及管理、土壤侵蝕防治工作的專業(yè)GIS[5-6]。

1.3 全球定位系統(tǒng)（GPS）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

GPS（Global Positioning System）指的是全球定位系統(tǒng)，最早是由美國的科技工作者于20世紀(jì)70年代開始進行研發(fā)的，到1994年就全面完成建設(shè)，其是一種全新的定位系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在海陸空三方位進行精準(zhǔn)定位和全面地實時導(dǎo)航。GPS有強大的功能，可以進行24h持續(xù)工作，精準(zhǔn)度高，功能齊全，運用效率極高，且操作便捷，應(yīng)用范圍非常廣泛[4]。GPS的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，既可將其運用到導(dǎo)航版塊和測量環(huán)節(jié)當(dāng)中，同時還能在測量速度和時間上起到作用，且精準(zhǔn)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(zhǔn)到幾十毫秒之內(nèi)，同時其應(yīng)用的范圍還在持續(xù)增加。在對水土保持的作用上，GPS既可以在特定的小范圍內(nèi)對有水土流失的區(qū)域進行精準(zhǔn)定位和其幾何特征的檢測，還可以對開發(fā)建設(shè)項目造成的一些水土流失情況進行監(jiān)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(nèi)的分布情況。

GNSS即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是一種空間的導(dǎo)航體系，其由衛(wèi)星、地面的監(jiān)控部門及對應(yīng)的用戶設(shè)備組成，具有穩(wěn)定性強、使用的覆蓋范圍面積廣、可以不間斷運行、精準(zhǔn)度高、全球性和定位速度快等一系列優(yōu)點，是一種非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在我國的國防安全方面和國民的總體經(jīng)濟建設(shè)部分都起到了非常重要的作用，且已經(jīng)在導(dǎo)航、授時和具體定位等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用面廣，實用性強。目前來說，隨著物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、5G的普及、人工智能等方面的急速發(fā)展，人們的生活和生產(chǎn)對于信息方面的準(zhǔn)確性和精確度的要求都已經(jīng)達到了一個全新的高度，從之前的粗放、靜止?fàn)顟B(tài)、事后和小區(qū)域的特性，發(fā)展到了目前的精確、動態(tài)、及時和不受地域限制的狀態(tài)。例如在汽車的無人駕駛方面，需要路面上實時信息的精準(zhǔn)導(dǎo)航和行駛?cè)^程中的連續(xù)支持。

1.4 3S集成技術(shù)

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(lián)系，在解決具體問題時，在功能上有著不同的優(yōu)點和劣勢，而這三者進行的有效結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)代科技發(fā)展的一個趨勢。3S集成技術(shù)在地里信息集成系統(tǒng)中得到了充分發(fā)揮，能夠?qū)λ钄?shù)據(jù)進行實時的更新和處理，為各種實際問題提供有效的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，是一個自動化的實時智能信息系統(tǒng)。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(yán)密的數(shù)據(jù)接口進行系統(tǒng)、嚴(yán)格的集合，讓其成為一個綜合、全面的大系統(tǒng)，將其整體性能進行了提升。到目前為止，兩兩相互結(jié)合的方式已經(jīng)為3S集成技術(shù)提供了諸多經(jīng)驗。

2 水土保持與荒漠化防治的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 逐漸完善產(chǎn)業(yè)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(xué)科，其最主要的任務(wù)是對我國的水土資源進行調(diào)查，并對其出現(xiàn)的問題進行分析研究，提出合理、科學(xué)的解決方案，同時需要對關(guān)鍵的理論和相關(guān)技術(shù)進行提升，讓其在生態(tài)環(huán)境保護、水土資源開發(fā)和保持方面得到具體的應(yīng)用。我國在水土保持和荒漠化防治方面，起步相對于發(fā)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(qū)域內(nèi)建立了水土保持相關(guān)的試驗站，利用實驗室對于各項基本數(shù)據(jù)進行調(diào)查和監(jiān)控，建立起了基本的水土保持相關(guān)的基本監(jiān)測方法，通過各項工作來搜集研究范圍內(nèi)水土流失的具體情況。

2.2 繼續(xù)擴展治理思路

隨著水土保持監(jiān)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(xiàn)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(dāng)中，隨著自然環(huán)境的不斷變化，社會環(huán)境也在不停地改變，對于水土保持的相關(guān)工作模式和采用的方法也不能停滯不前，而是需要隨著環(huán)境的變化及時地做出相應(yīng)的調(diào)整，以應(yīng)對環(huán)境變化帶來的負(fù)面影響。例如在衛(wèi)星導(dǎo)航進行等位時，其定位的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)度和時效性對于工程和科學(xué)應(yīng)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(guān)的政府部門和一些監(jiān)測機構(gòu)，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(fā)展現(xiàn)狀，許多高校都設(shè)立了相對應(yīng)的學(xué)科專業(yè)，培養(yǎng)相關(guān)的技術(shù)人才，為我國水土保持提供有力的后備力量。

3 3S技術(shù)在水土保持與荒漠化防治中（水土保持動態(tài)監(jiān)測）的應(yīng)用

3.1 全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用

在對水土保持的動態(tài)進行實時監(jiān)測時，遙感技術(shù)需要一定的時間對此進行處理，有時候地面的情況已經(jīng)發(fā)生了一些變化，但是在遙感技術(shù)處理后得到的影像上并不能得到及時的呈現(xiàn)，而這時就可以采用全球定位系統(tǒng)（GPS）對此進行及時的矯正和數(shù)據(jù)的補充。例如在特定的區(qū)域，一段時間之內(nèi)發(fā)生了毀林、開荒的情況，且其面積較大，而利用遙感技術(shù)得出的影像呈現(xiàn)出來的結(jié)果是在毀林開荒事件發(fā)生之前的數(shù)據(jù)，在這種情況下，就可以利用全球定位系統(tǒng)（GPS）來對其進行定位，及時地掌握地區(qū)內(nèi)情況的動態(tài)變化，且能夠在非常短的時間之內(nèi)就將新遭到破壞的地域進行精準(zhǔn)的測繪，并且將其對應(yīng)到相應(yīng)的具體空間位置，這樣就能夠?qū)b感技術(shù)所生成的數(shù)據(jù)進行及時的修正和充分的補充，讓技術(shù)人員能夠及時、精準(zhǔn)地獲取其地理位置的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.2 遙感技術(shù)的應(yīng)用

隨著遙感技術(shù)獲得的影像資料越來越多，對影像進行處理的技術(shù)也得到了極大提升，遙感技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)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(shù)在水土保持工作中能夠具體地進行運用，讓其特有的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，成為了水土流失監(jiān)測工作當(dāng)中不可缺少的技術(shù)手段。遙感技術(shù)對水土保持可以進行動態(tài)檢測，可以對不同時間內(nèi)，同一塊地域的水土相關(guān)信息進行搜集，且這些數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和周期性。

3.3 地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)在3S技術(shù)中處于信息處理中心的位置。在所有能夠?qū)λ亮魇г斐捎绊懙囊蛩乩?，地形因素所產(chǎn)生的影響是非常大的，特別是坡度帶來的相關(guān)影響。以前技術(shù)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(zhǔn)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(tǒng)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(shù)字化儀器將地形輸入到系統(tǒng)中，通過對數(shù)據(jù)進行矢量化，利用DTM和DEM系統(tǒng)模型進行運算，就可以得到全省甚至全國地域面積內(nèi)的坡度分級數(shù)據(jù)圖。

4 結(jié)束語

應(yīng)用3S技術(shù)對自然界中水土流失進行動態(tài)情況的檢測，能夠及時、精準(zhǔn)地掌握觀測區(qū)的水土流失情況、治理的相關(guān)變化信息掌握，讓我國的水土流失防治有充分的科學(xué)依據(jù)。在未來的發(fā)展中，3S將成為生態(tài)體系建造和自然資源調(diào)研的有力技術(shù)科技手段，給水土保持工作的檢測和相關(guān)情況的管理帶來實用作用。