我国水土保持监测技术和方法的现状与发展方向

李智广,姜学兵,刘二佳,赵辉

(1.水利部水土保持监测中心,100057,北京；2.珠江水利科学研究院,510611,广州；3.北京地拓科技发展有限公司,100084,北京)

我国水土保持监测技术和方法的现状与发展方向

李智广1,姜学兵2,刘二佳3,赵辉1

(1.水利部水土保持监测中心,100057,北京；2.珠江水利科学研究院,510611,广州；3.北京地拓科技发展有限公司,100084,北京)

我国水土保持监测的空间尺度体系、内容和指标体系、数据采集、传输和管理等技术与方法体系已基本形成,监测设施与设备正向装备化快速发展。在全面分析我国水土保持监测设施设备研究、开发与应用现状的基础上,提出了推进监测新技术和新方法研发应用的建议。现代空间技术、光电技术和信息技术已深刻、全面地融入到水土保持监测中,促进了配备成套监测装备的研发与应用并极大地提高了监测的技术手段、数据采集效率和信息精准程度。为加速推进监测新设施、新设备的研发与应用,须集中人才、资金和物力等资源进行进一步调查研究,确定研发重点,做好联合攻关,建立试验示范基地,并引导和鼓励全国水土保持监测网络的监测点升级改造,全面推进监测技术现代化。

水土保持；监测技术与方法；研发与应用

在我国水土保持科技发展的进程中,试验观测、野外调查、区域考察和全国普查等技术研究与应用一直都是被高度关注和发展最为活跃的领域之一,并且取得了瞩目的成就[1-3]。近年来,在全国土壤侵蚀普查、全国水土保持监测网络和信息系统建设、全国水土流失动态监测与公告、国家“863计划”重大行业3S应用示范——水土保持项目、“国家中长期科学与技术发展规划纲要工程”高分辨率对地观测系统重大专项——高分水利遥感应用示范系统等科研,以及基建和财政预算项目的带动下,在3S (RS、GIS、GPS)应用技能大赛、监测新技术和新方法学术研讨、监测设施设备交流推介等科学研究、设备研发和使用推广、管理信息系统开发与应用等工作的推动下,我国建立了土壤侵蚀的监测系统、天地一体化水土流失监测模型、多源多尺度遥感水土流失监测与数据中心。此举实现了地面监测与遥感监测的一体化,提高了监测数据的获取、处理、传输和服务的能力,为不同空间尺度水土流失监测提供了强有力的技术保障,也极大地促进了我国水土保持监测现代化和信息化发展,实现了监测的科学性、及时性、持续性和系统性。

1 水土保持监测技术和方法的发展现状

经过70多年的快速发展,水土保持监测已从单一的坡面观测向地域尺度监测转换,从劳动密集型向技术密集型过渡,从较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展,从单纯的地面监测发展到与遥感相结合多源多尺度监测,从间断性监测逐步过渡到自动连续监测；同时,水土保持监测设施设备正在向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的方向发展,逐步发展成集自动化、信息技术、网络通信、3S、信息管理系统为一体的综合应用技术。

1.1 水土保持监测方法体系基本形成

随着水土保持科技研究、生产实践的不断发展,我国已形成全面的监测方法体系。

1.1.1 空间尺度体系日趋健全 在坡面(地块)、小流域和区域等不同空间尺度上,都形成了良好的监测方法。在坡面尺度上,监测对象原型包括试验坡面径流场、大型自然坡面径流场、天然坡面径流场、简易土壤侵蚀观测场等多种形式,这些原型的监测方法已经相当丰富[4-7]；在小流域尺度上,监测对象原型包括构成小流域的地块和作为整体的小流域,目前不仅实现了对小流域控制站径流量和泥沙的观测,而且实现了对由地块到地块、直到流域构成的“土壤流失链”体系性的数据处理与分析[4,7-8]；在区域尺度上,通过遥感监测、抽样监测、典型监测等方法,获取土壤侵蚀及其防治效益的数据,为我国区域水土保持综合科学考察、土壤侵蚀普查以及流域水土保持效益分析、专题调查以及区域泥沙研究等提供方法[7,9-18]。

1.1.2 内容指标体系逐步完善 在兼顾系统性、科学性、完备性、可操作性的基础上,国家标准、行业标准和理论著作全面阐述的监测指标体系,既能够全面反映水土保持监测内容,又能区别表达不同内容的侧重。目前关于监测内容和指标体系的出版物主要包括SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》、GB/T 15772—2008《水土保持综合治理规划通则》、GB/T 15774—2008《水土保持综合治理效益计算方法》、GB 50434—2008《生产建设项目水土流失防治标准》、SL 419—2007《水土保持试验规程》、SL 592—2012《水土保持遥感监测技术规范》、SL 277—2002《水土保持监测技术规程》等技术标准,以及水土保持监测理论与方法[8]、监测技术指标体系[19]、生产建设项目水土保持监测[20-21]等著作。其中,监测内容涵盖了水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀等各种侵蚀类型,涉及土地、径流泥沙、土壤、植被以及相关的社会经济等绝大部分水土流失治理与预防的对象。这些标准和著作为水土保持监测内容和指标的设定、数据采集方法的确定和数据处理分析提供了良好的指导[22]。

1.2 水土保持监测技术加速发展

近年来,水土保持监测新技术的研发与应用日益活跃,呈现出加速发展的良好态势。许多高新技术企业的介入极大地促进了现代空间信息技术以及其他的高新技术在水土保持监测中的应用。

1.2.1 数据获取与管理体系全面 水土保持监测数据获取体系不仅包括采集、传输和管理的各个环节,而且包括各环节间的有机联系及其构成的整个体系。目前已经实现数据的高频自动采集、远距离信息传输、模型化分析处理、数字化应用与网络共享[2]。在数据采集环节,监测的技术平台由平面网络向高空与平面结合的立体网络发展,包括了航天遥感、航空遥感、无人机监测、实时摄像、地面观测等,可以实现对不同空间尺度的水土保持监测[7]；在数据传输环节,相关技术不仅包括传统的光盘、硬盘以及硬拷贝的方式,而且有线和无线的网络传输也逐步发展；在信息管理环节,可以做到在线或离线数据分析、海量数据存储、网络查询与即时获取、信息服务与全面共享[23-25]。可见,数据采集、传输和管理体系已在水土保持监测的不同时空尺度上全面应用。

1.2.2 信息提取效率和精度改善 现代空间信息技术的融入极大地提高了获取区域水土保持监测对象的分辨率和专题信息提取效率。这主要表现在: 1)米级、亚米级的高分辨率遥感影像和无人机摄影影像已经广泛应用于水土保持监测当中,不仅能对梯田、淤地坝以及小型蓄水保土工程等工程治理措施进行精准监测[26-28],而且能对生产建设项目扰动土地、水土保持设施、占地类型、动态变化等进行精确定位[29]；2)对植被、水体、土壤及其他相关地物敏感反映的多光谱遥感数据,可为模型化提取水土保持专题信息提供基础,如提取植被指数、土壤水分、土壤有机质、土壤盐渍化、冻融相变水量及其他专题信息[30-32]；3)野外精确定位和导航技术为水土保持设施及水土流失影响因素对象的定位、距离与面积测量、地面坡度分析等提供方便、快捷的手段,可以应用于设施验收、现场监督、野外调查等工作[33-35]。

1.3 水土保持监测设施设备基本完善

水土保持监测工作的有效开展,需要水土保持监测设施设备才能实现。随着科学技术的发展,现代水土保持监测设施设备更先进、更快捷、更精确,推动水土保持监测技术向更深、更广的领域发展。

1.3.1 技术大幅提升 目前,远距离测量、激光扫描、实时摄像、径流泥沙自动观测、侵蚀过程数字化摄影等设施设备可以高精度、快速采集微地形变化(如面蚀与细沟侵蚀)、小范围地表扰动(如挖方、堆弃土石料)、河道径流与输沙以及侵蚀因子数据[36-38]。这极大地改善了水土保持监测技术手段,提高了监测数据精度和采集效率。同时,水土保持移动终端系统、iSurvey智能调查助手以及土壤流失量评价野外调查等系统对平板电脑、智能手机、移动宝等设备的利用,使应用终端从PC延伸到移动手机和移动终端。这不仅让数据采集、分析、管理随时随地触手可得,而且提高了信息化程度、降低了信息化成本。

1.3.2 功能逐渐丰富 水土保持监测的内容涉及诸多方面,在不同的空间尺度上,即使同一内容同一指标的测试方法以及设施设备均存在差异。随着科学技术的飞速发展,设施设备的组件不断更新,应用功能逐步丰富,区域适用性增强。以水土流失监测设备为例,传统的水土流失监测设施设备监测周期长、自动化程度低,可靠性差,实时在线监测能力差,人为因素对观测数据影响较大。水土流失实时监测设备,通过称重传感器测量水沙混合物的重量,液位开关控制测量体积,电磁铁控制翻斗的翻转,控制器记录翻转的时间间隔,运用在线监测方法、手段,对水土流失量进行实时测量,形成快速便捷的数据采集、传输、处理和发布系统[39]。

1.3.3 装备程度提高 随着水土保持监测的设施设备逐步向装备化发展,形成了由单个仪器、组合设备和成套装备构成的监测装备,实现了原始创新和集成创新。近年来,相关高等院校、研究院所和企业不断研究、发明和设计开发了许多水土保持监测仪器、设施、设备和成套装备,极大地丰富了监测技术手段,提高了监测效率,扩大了监测范围和监测数据精度。例如:水土流失流动监测车[40]使原来固定的监测设施变为可以移动到需要的地点、针对监测关注对象、按照需要设计参数进行现场试验和观测,实现了野外开展主动监测；坡面土壤侵蚀形态演变的数字化摄影观测仪,观测在降雨条件下下垫面地形的演变过程,生成下垫面的DEM,并进行土壤侵蚀量的计算[37]；无动力水土流失过程自动监测装置将水流动力、分流和径流泥沙实时监测等技术有机融合,可以实现地块、小流域和河道径流及其含沙量的自动测定与数据分析、管理[41]。

2 推进水土保持监测新技术和新方法研发应用的对策建议

水土保持监测新技术和新方法的研发与应用尽管取得了明显进展,但仍存在一些突出问题,主要表现在:一是我国监测设施设备质量不高,性能不稳定,一致性较差,使用寿命短,故障率高,远不能适应我国水土保持监测工作发展的需要；二是大精仪器和自动监测系统大多依赖于进口,但引进的设施设备经常会出现“水土不服”,数据采集、传输、应用和服务等方面与地域要求相差甚远；三是监测新设施新装备缺乏认证,甚至没有正规地开展,难以定型生产,导致用户没有渠道了解产品性能；四是新技术新方法的推广不力、市场参与度低、应用不足,生产建设项目监测中新技术新方法应用有限,绝大多数监测站点仍以传统监测设施设备为主；五是径流泥沙测试设备研发较少,适用于水土流失突发事件和灾害事件监测的装备缺乏,难以满足生产实践的需求；六是研发单位单打独斗、力量单薄分散,产品缺少第三方的标定或者中试说明,仍未形成4S式的销售、维修、配件和信息反馈链条化[1]。

为进一步集中力量、集中目标,加快推进水土保持监测新技术和新方法的研究、开发与应用,提出4方面建议。

2.1 确定监测新技术与新方法的研发重点

由于水土保持工作的综合性极强,监测内容和指标、监测技术和方法涉及的范围也较广泛,为在短期内取得突破,需要集中人力、物力和财力,有的放矢。从全国水土保持监测网络运行和完善的过程、以及国家重点水土保持生态建设监测和生产建设项目水土保持监测的实践出发,进一步分析监测新技术和新方法研发需求,提出近期研发重点和优先研发目录,引导监测设施设备的研发和销售。

总结近年水土保持监测设施设备交流和技术研讨,初步认为研发重点主要包括适用于坡面、小流域和中小河流等空间尺度的土壤水蚀泥沙实时自动观测方法和设备,突发性水土流失事件快速监测方法与装备,风蚀自动观测方法与设备,移动土壤水蚀实验室,土壤侵蚀扫描数据快速处理与侵蚀量计算模型[1]。

2.2 做好监测新技术和新方法联合攻关

2014年中央1号文件提出推进农业科技创新,采取多种方式引导和支持科研机构与企业联合研发。目前在科研领域,科技部、基金委和中国科学院加大了设备与装备研发的支持力度,并且对技术创新予以优先支持。为避免研发、销售、应用与服务的脱节,克服单臂无力的问题,水土保持部门要进一步加强组织和协调,将监测设施和装备研发的参数研究、设计生产、中试测定和信息反馈等各个环节的相关单位组织起来,共同研究攻关重大课题,分工开展研究、生产与服务,加快新设施和新设备的研发进程,真正实现监测活动有标准遵循、新方法与新装备对应、新装备有操作手册、售后有全天候技术服务。

2.3 引导和鼓励新设施新装备的应用

2014年中央1号文件提出加大农业科技创新平台基地建设和技术集成推广力度。建设国家级水土保持监测设施设备示范基地,选择参数规范、性能优良、功能完备的新设施、新装备进行试验示范,让大家观摩、试用,为新设施、新装备吸引更多的投资。

2.4 鼓励国家监测网络应用新设施和新装备

《中华人民共和国水土保持法》规定,水行政主管部门应当完善全国水土保持监测网络,鼓励和支持水土保持科学技术研究。各级水行政主管部门应当将对监测新设施和新装备的应用纳入监测网络的维护与完善工作并给予项目和经费支持,以大力提高我国水土保持监测的现代化水平。

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(责任编辑:郭雪芳)

Present status and future development of technologies and methods for soil and water conservation monitoring in China

Li Zhiguang1,Jiang Xuebing2,Liu Erjia3,Zhao Hui1
(1.Soil and Water Conservation Monitoring Center,Ministry of Water Resources,100057,Beijing,China；2.Pearl River Water Conservancy Science institute,510611,Guangzhou,China；3.Beijing Datum Technology Development CO.,LTD,100084,Beijing,China)

The systems of water conservation monitoring in China on different spatial scales,contents and indictors,data collection,transfer and management,etc.,have been basically constructed.The monitoring facilities are being equipped extensively and regularly with an accelerating rate.This paper comprehensively analyzes the current situation of the research,development,and application of soil and water conservation monitoring facilities,and then proposes some countermeasures and suggestions on promoting new monitoring technologies and methods.Modern space technology,optical technology,and modern information technology have been extensively and deeply adopted in soil and water monitoring, which have promoted the development and application of pertinent equipments,and thus greatly enhanced the development of new monitoring technologies,data collection efficiency,and information accuracy.To accelerate the development and application of new monitoring facilities and technologies,we should gather our talent,capital and material resources to conduct further investigations.We need to elucidate the focus of future research and development,promote collaborations among research groups,establish the pilot demonstration bases,and guide and encourage the upgrade of the monitoring sites of the National Water Conservation Monitoring Network to promote a comprehensive modernization of monitoring technology.

soil and water conservation；technology for monitoring；research,development and application

S157

A

1672-3007(2015)04-0144-05

2015- 01- 05

2015- 06- 17

项目名称:全国水土流失动态监测与公告项目(1261521610273)；高分水利遥感应用示范系统(一期)(08-Y30B07-9001-1315)

李智广(1966—),男,博士,教授级高级工程师。主要研究方向:水土保持监测评价。E-mail:lizhiguang@mwr. gov.cn