3S技术在水土流失动态监测中的应用

张 帆，李建松，余 洋，王 莉，刘金榜，高 郡

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079；

2.长江水利委员会 长江流域水土保持监测中心站，湖北 武汉 430010）

3S技术在水土流失动态监测中的应用

张 帆1，李建松1，余 洋1，王 莉2，刘金榜1，高 郡1

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079；

2.长江水利委员会 长江流域水土保持监测中心站，湖北 武汉 430010）

介绍了基于3S技术的水土流失动态监测方法，包括水土流失动态监测方法的技术线路，水土流失影响因子的动态监测，以及通过ArcGIS空间统计分析功能进行水土流失结果的评价分析，并在2013年度全国水土流失动态监测与公告项目长江流域中应用实践，取得了良好效果，为今后的水土流失动态监测提供一些生产经验。

3S；水土流失；动态监测；影响因子；空间统计分析

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一。水土流失面积大、分布广、危害重、治理难，严重威胁我国的生态安全、粮食安全和防洪安全，已经成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素之一[1]。及时掌握全国水土流失状况，为水土保持工作提供科学决策依据，是我国水土保持工作的关键环节。利用3S技术的水土流失动态监测效率较高，得出的数据也比较可靠。本文基于2013年全国水土流失动态监测与公告项目，以湖南省邵东县为例，介绍了利用3S技术进行水土流失动态监测的方法。

1 水土流失动态监测与3S技术

3S技术是GIS、RS、GNSS高度有机集成应用的技术，它将空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，达到对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的目的。

GIS具备数据采集、存储、管理以及分析和描述空间信息数据的功能，可以为各行业提供科学辅助决策。RS能够实时动态地获取地表信息，通过遥感技术获取的影像具有范围广、信息更新及时、数据信息综合等特点。如今，高分辨率遥感影像在民用领域的应用愈发广泛，遥感数据作为3S技术的主要数据源其重要程度越来越大。GNSS具有实时、连续地获取地球表面任意地点上经纬度与高程，提供三维速度与精确时间的能力[2]。

3S技术在数据采集获取、存储管理、分析描述等方面具有显著优势，在水土保持监测的内业和外业工作中，可以利用3S技术协助监测水土流失影响因子，统计分析监测结果，并根据监测结果帮助相关部门及时科学地预测预报水土流失事件和水土流失灾害。

2 监测技术方案

2.1 技术路线

本文以湖南省邵东县为例，数据源采用资源3号卫星影像（空间分辨率2.1 m），通过遥感影像的人机交互解译监测水土流失因子和水土保持状况，并借助GNSS技术进行野外实地调查，利用ArcGIS空间分析统计功能获取水土流失统计结果。项目技术路线如图1所示。

图1 水土流失动态监测技术路线图

2.2 水土流失影响因子提取

影响水土流失的主要因子有土地利用类型、植被覆盖度、地形、降雨侵蚀力和土壤可蚀性等。由于地形、降雨侵蚀力和土壤侵蚀性在短期内变化非常小，所以当前的水土流失动态监测的重点内容是土地利用类型和植被覆盖度[3]，后3个因子可以通过已有地形图以及当地水土保持部门土壤性质、降雨情况等相关资料获取。

运用3S技术对水土流失影响因子进行野外实地调查和室内遥感影像解译，可以提高工作效率。在野外实地调查过程中，采用GNSS定位为主、人工定位为辅的方法帮助进行路线规划，室内解译的主要方法是在ArcGIS软件平台下进行人机交互解译。遥感影像交互解译是指判读者通过直接观察或借助判读仪器在遥感图像上获取特定目标地物信息的过程[4]。由于高分辨率遥感影像的地物光谱特征相对比较复杂，计算机自动解译难以达到所需的精度要求，人机交互解译仍然是当前所能采取的主要解译方式。

在对水土流失影响因子进行监测的遥感影像解译工作中，首先需要对解译区域的高分辨率影像数据进行几何校正、图像融合、镶嵌等处理，以满足解译所需的数据精度要求，然后根据各种水土流失影响因子的分类标准建立解译标志进行初步解译，通过实地调查修改完善解译标志，并进行整个监测区域的人机交互解译，最后还要通过野外复核调查对解译成果进行验证，对解译成果存在的拓扑、属性等错误进行处理，提取出最终的水土流失影响因子信息。

以邵东县为例，土地利用类型的人机交互解译主要利用土地利用现状调查资料，按照土地利用分类编码和遥感影像对地物反映特征，在遥感图像上勾绘出各地类的界线，并对不同地类赋予相应属性值，获得土地利用类型分布图，如图2所示。通过ArcGIS空间统计功能还可以计算土地利用类型面积百分比统计结果[5,6]，如图3所示。

图2 邵东县土地利用类型分布图

植被覆盖度的解译主要是针对林地和草地的覆盖度解译[7]，首先在野外采用网格法或目估法选取一些采样点建立不同覆盖度下的遥感解译标志，室内解译完成后再去实地进行验证修改，得到最终的植被覆盖度解译成果（图4）。表1列出了在资源3号4、3、2波段假彩色影像上不同植被覆盖度的地类特征。

图3 邵东县土地利用类型面积百分比统计图

表1 植被覆盖度解译标志示例表

图4 邵东县植被覆盖度图

地形因子主要包括地貌类型和坡度，为了获得这些因素，首先需要根据地形数据提取DEM，利用GIS空间分析和三维分析功能，建立不规则三角格网（TIN），得到坡度数据，另外再结合相关资料，获取地貌类型。坡度的等级划分参照《土壤侵蚀分类分级标准》，表2为坡度分级与编码标准。

表2 坡度分级与编码表

2.3 水土流失统计结果评价与统计

获得水土流失影响因子后，需要根据这些水土流失影响因子对水土流失统计结果进行评价与分析，评价分析的内容主要有土壤侵蚀强度分类分级、当地水土保持的质量调查和水土流失治理效果等。对于水土保持质量的调查主要是通过实地检测保持措施的面积变化。水土流失治理效果可以通过观测水文控制测站的径流量和泥沙量的变化，计算减水量和减沙量，并且记录同期降雨量，为水土保持效益的分析研究提供数据依据。土壤侵蚀强度等级分类的获取需要综合此前获得的各类水土流失影响因子及相关资料，通过ArcGIS的空间统计分析功能计算获得[8]，土壤侵蚀强度获取流程如图5所示。

图5 土壤侵蚀强度获取流程图

3 结 语

采用3S技术的水土流失动态监测方法有效地实现了水土保持监测工作的信息化，提高了数据的准确度。本文以湖南省邵东县为例，介绍了利用3S技术的水土流失动态监测方法，并于2013年度全国水土流失动态监测与公告项目长江流域中应用实践，取得良好效果。未来可以对方法中的一些环节进行修改与完善，例如可以探讨建立针对水土流失因子的半自动化遥感解译系统，提高水土流失因子的解译效率；可以建立基于GIS技术的水土流失动态监测信息管理系统，实现水土流失数据的高效管理、成果分析以及信息查询发布等。

[1] 水利部水土保持监测中心.水土流失动态监测方法研究[M].北京:中国水利水电出版社,2011

[2] 梅安新,彭望禄,秦其明.遥感导论[M].北京:高等教育出版社,2001

[3] 邵子玉.基于高分辨率遥感影像的水土流失动态监测方法研究[J].中国水土保持,2010(2):11-12

[4] 濮静娟.遥感图像目视解译原理与方法[M].北京:中国科学技术出版社,1992

[5] 赵莹莹,葛洁,王慧妮.3S技术集成在土地利用更新调查中的应用[J].地理空间信息,2009,7(1):61-63

[6] 汤国安,杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京:科学出版社,2010

[7] 陈涛,李平湘,张良陪.武汉地区1988～2002年植被覆盖度变化动态分析[J].遥感技术与应用,2008,23(5):511-516

[8] 谭炳香,李增元,王彦辉,等.基于遥感数据的流域土壤侵蚀强度快速估测方法[J].遥感技术与应用,2005,20(2):215-220

P237.9

B

1672-4623（2015）01-0131-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.043

张帆，硕士，主要研究方向为地理国情监测、网络地理信息系统和空间分析与建模。

2014-04-09。

项目来源：国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ15B04)。