“3S”技术在水土流失动态监测野外核查中的应用研究

陈 斌，李 俊，高 智，邹小玲，季耀波(.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 322；2.杭州华辰生态工程咨询有限公司，浙江 杭州 322)

“3S”技术在水土流失动态监测野外核查中的应用研究

陈 斌1,2，李 俊1，高 智1，邹小玲1，季耀波1
(1.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.杭州华辰生态工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122)

野外核查；动态监测；遥感监测；水土流失；“3S”技术

为减少野外工作中的不确定性、提高野外核查的准确性和效率，笔者结合多年外业工作经验，总结了基于“3S”技术的水土流失动态监测野外核查方法，并以太湖流域水土流失动态监测项目为例，介绍了水土流失动态监测野外核查工作中数据来源、前期准备、野外核查、内业整理等方面的具体工作。实践表明，采取基于“3S”技术的水土流失动态监测野外核查工作方法，有助于规范工作流程、提高工作效率。

水土流失监测是评价水土流失与生态环境状况、水土流失预防保护措施和效果的重要手段。中共中央、国务院在2012年一号文件中明确提出要强化水土流失监测预报[1]。《水利部关于加强水土保持监测工作的通知》中特别指出“全面加强水土流失动态监测”是水土保持监测的重点任务之一。

目前，水土流失动态监测多采用遥感监测与野外抽样调查复核相结合的方法。利用遥感监测快速、宏观、客观的特点，监测区域土地利用情况和植被状况，并根据区域地形地貌，通过三因子综合评价法评价区域水土流失状况，进而从总体上监测预防保护区情况，达到动态监测的目的。但是在实际工作中，由于遥感影像存在同物异谱、异物同谱现象，以及受人为因素影响，在数据解译后常常会存在与实际地物不符的情况，因此在专题信息提取分析之前，需要对数据进行野外调查复核[2]，以确保数据的科学性和准确性。笔者基于太湖流域水土流失动态监测项目，结合多年外业工作经验，在减少野外工作中的不确定性、提高野外核查准确性和效率的前提下，总结了一套野外核查方法。

1 数据来源及软硬件设备

1.1 基础数据

(1)遥感数据。采用国产资源遥感卫星影像，影像资料由水利部公开招标采购获得，采集日期主要是每年的8、9月，要求项目区影像数据云量少于3%、重叠度不低于4%，采集区域为位于国家级重点预防保护区范围内的浙江省淳安县、安徽省黄山市(徽州区、黄山区、屯溪区)等，影像全色波段分辨率为2.1 m、多光谱分辨率为5.8 m。

(2)地形图数据。地形图数据来源于国家测绘地理信息局的1∶5万地形图，数据采用高斯克吕格投影、CGCS2000坐标系、6°分带，通过航空摄影测量方法成图。该比例尺地形图可用于研究和评价地形情况，供工业、农业、林业、水利、地质、气象、环保等各部门勘察、规划、设计、科研、教学等使用，可用于编写小比例尺地形图或作为绘制专题图的基础资料。

1.2 软硬件条件

结合多年野外核查经验，综合考虑现场核查中的各个过程，对软硬件的要求如下。

(1)硬件配置。笔记本电脑，内存4 GB以上，CPU Intel Core(TM)i5；GPS手持接收机，Garmin公司的eTrex 209x型号GPS(具备高灵敏度GPS+北斗接收芯片，定位精度95%概率优于10 m，经过差分后精度可提高至3 m)；数码相机。另外还需要汽车、测距仪等装备。

(2)软件要求。GPS设备适配软件，包括Garmin Basecamp 3.0、Unistrong GIS Office 2.2；地理数据处理软件，ESRI ArcGIS；遥感图像处理软件，ENVI等。

2 前期准备

2.1 设计核查线路

按照先大后小、全面覆盖的原则进行线路设计。先确定大尺度线路，如淳安县—屯溪区—徽州区—黄山区的核查线路；再进行小尺度线路的设计，根据各个县(区)道路网络系统和地形地貌特点，主要为南北向或者东西向，线路要尽可能多地贯穿核查区域，而第二年的线路方向应与第一年不同。

2.2 筛选核查点位

核查点布设以县(区)为单元，根据遥感解译的土地利用类型及图斑总数等，进行随机抽样核查。核查点的数目必须满足不少于5‰的比例要求，且只有核查点正确率高于90%时，解译成果才算合格。

具体筛选过程：第一步利用ArcGIS软件feature to point命令，将解译的土地利用面要素数据转换为点要素数据，点要素数据保留了原土地利用中心点的经纬度和土地利用类型属性等信息；第二步通过 Python语言随机采样代码random.sample(population,k)，对点数据进行1.5%左右(即5‰要求的2～3倍)数量的随机采样抽点；第三步加载设计好的线路，对采样点进行删减，直至点数满足要求。

第二年筛选核查点位时，第一步先获取由第二年土地利用面要素数据转换的点要素数据；第二步用第一年的土壤侵蚀强度等级数据，按不同侵蚀强度等级对转换的点要素数据进行分类，此时点要素数据多了一层土壤侵蚀强度等级属性；第三步对分类的点要素数据分别进行1.5%左右数量随机采样；第四步加载设计线路，对采样点进行删减，直至满足要求。之后，利用遥感图像处理软件从影像中提取变化图斑，对前后两期影像进行波段运算，通过 Majority/Minority Analysis 工具对小碎斑进行过滤，再进行聚类分析处理进一步过滤小碎斑，矢量化后利用ArcGIS将面积较小的图斑删除，得到有变化属性的图斑。此类图斑若无法通过影像判断其变化属性，则将其加入核查点中进行野外核查确认。

2.3 设计调查记录表

根据水利部要求和新安江预防保护区动态监测的实际需要，考虑野外核查的特点，调查记录表的内容应包括县(区)域名称、样点号、经纬度、地貌类型、盖度照片、郁闭度照片、远景照片、近景照片、工作照片、备注、记录者、时间等。将筛选好的核查点按ID编号并保留其经纬度和土地利用属性做成核查点总表。

2.4 确定野外判别标准

根据水利部水土保持监测中心发布的《水土流失重点区域监测成果整编工作手册(试行)》中的附表《野外调查单元土地利用分类表》规定：一级大类有8类，分别是耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地；二级类有16类，如耕地二级类分别是水田、水浇地、旱地。二级类分类后附带名称含义解释，如水田是指用于种植水稻、莲藕等水生农作物的耕地。

3 野外核查

3.1 查勘点定位

通过Basecamp或GIS Office软件将筛选好的核查点按ID编号(确保点号与核查点总表中保持一致)并导入GPS。在使用前要把GPS拿到室外空旷处或者车窗外，避免高楼和树木的干扰，开启后机器会自行搜索卫星信号进行定位。一般情况下，GPS接收到3颗卫星信号即可进行定位，4颗及以上卫星信号不仅能定位还可以对所在位置海拔进行测定。当临近核查点位时，由一人手持GPS在前方带路寻找点位，到达点位后将核查点号报给记录人员并指出点位所在具体位置，若无法近前则需通过GPS测算点位的方向和距离，并通过测距仪进行识别。

3.2 判别点位土地利用属性

以土地利用分类表中的含义为依据，结合专业知识和经验，根据现场周边的土地利用类型、林草植被覆盖度、地貌类型及其他复杂情况，对核查点位进行土地利用属性判别。为排除核查点总表中核查点位的土地利用属性先入为主的干扰，采取先由人工进行初步判断，再与总表比对进行二次判断。默认总表中的土地利用属性正确，若二者接近则以表中属性为准，若二者相去甚远，则对该点进行方圆50 m范围绕点查看，避免因GPS的偏移导致误判的可能。若判别结果与表中不符，则做好标记留待内业加载影像图后再次进行核对比较。

3.3 调查记录表填写

GPS定位后把样点号记录好并填写记录的日期和时间，待土地利用属性判别完后，若实际核查属性与总表中一致，则在表中对应的地貌类型的方框中打钩，若不一致，则打叉并将实际的土地利用属性在表中标注。

3.4 拍照记录

每个核查点都需要进行远景和近景拍照记录，包括GPS和现场的工作照，并对记录完毕的调查记录表进行拍照记录。

4 内业整理

4.1 GPS数据导出

将GPS的航迹数据导出，利用GIS Office软件Tools菜单下的Covert Navi Date to GIS Date命令将其转为线要素Shape file 矢量数据，并保留存档，便于在下次线路设计时进行对照。

4.2 照片资料归类

将记录照片按“核查顺序+样点号”文件夹命名的方式进行分类，每个文件内至少包含有远景照片、近景照片、GPS+记录表照片、工作照4张记录照片资料，将照片分别放入调查记录表电子版相应位置，建档保存。

4.3 核查记录检查汇总

在ArcGIS中把核查记录表中做标记的核查点导入，加载最新影像图进行核对，并确定该点的土地利用类型。此时默认该点所在图斑的土地利用属性为野外核查结果，除非通过影像图判断核查结果错误，比如该图斑内有多种土地利用属性，野外核查结果的属性占该图斑总面积比例很小。之后对整个核查结果进行汇总，统计正确率。

4.4 对预处理数据进行修改

若正确率不低于90%，则将核查中发现的预处理中存在错误图斑的土地利用属性进行修改，预处理数据可用来进行下一步工作。若低于90%，则将数据返回重新处理，再次进行核查验证，直到满足水利部的统一要求为止。

4.5 结果与分析

利用“3S”技术在水土流失动态监测中进行野外核查，有利于在工作流程上规范操作。以某年黄山市屯溪区野外核查为例，先通过两期影像进行变化自动检测分析。图1为两期影像初次运算的结果，白色表示未发生变化，黑色斑点表示两期影像存在不同。再进行过滤和聚类操作，得出土地利用发生变化的图斑分布情况的一个初步结果，依据此结果进行核查线路设计。图2为某年黄山市屯溪区东西向的核查线路图。在实地核查时，因为地貌类型复杂多变，所以有些核查点较难到达。图3为黄山市屯溪区某处核查点位内业土地利用数据修改示意，其中“×”处为现场核查时人员定位点，“·”处为所核查土地利用图斑的中心点。比如，图3、表1中的0010地物类型为有林地，其中心点(“·”处)位于山丘之上，现场核查时人员可在0010点(“×”处)借助测距仪进行核查，并在内业整理时，根据GPS线路和GPS新增点位进行再次确认，保证了数据核查结果的准确性。

图1 某年黄山市屯溪区两期影像初次运算的结果

图2 某年黄山市屯溪区东西向核查线路

图3 黄山市屯溪区某处核查点位内业土地利用数据修改示意

表1 土地利用核查点修改说明

5 结 语

随着科学技术的发展，野外核查的技术方法和手段会越来越多样。“3S”技术应用在水土流失动态监测野外核查线路和点位的选择、内外业工作流程规范，以及数据库建立与应用方面均有重要作用。基于“3S”技术的野外核查方法与传统方法相比在提高效率的同时，更避免了传统方法由于操作人员技术水平参差不齐而带来的误差。后续工作中，我们将重点解决野外核查中耗时多的问题，借助“3S”技术实现快速准确定位，以大大提升野外核查效率。

[1] 姜德文.水土保持公报的改革方向与内容趋向[J].中国水土保持,2015(7):1-3,15.

[2] 丁凤,陈文惠,张明锋.运用3S技术进行福建省生态环境现状遥感调查野外核查的实验研究[J].福建地理,2002(4):60-62.

TP79;S157

A

1000-0941(2018)01-0062-03

陈斌(1988—)，男，江西上饶市人，助理工程师，硕士，主要研究方向为“3S”技术在生态环境监测中的应用。

2017-05-15

(责任编辑 李杨杨)