3S技术在生态环境监测中的应用分析

杨建波

（秀山县生态环境局，重庆 409900）

生态环境是经济社会可持续发展水平的重要评价依据。生态环境质量反映了社会生产与人居环境稳定和协调的程度。生态环境监测评价则是在时空上对特定区域范围内生态系统的组合体类型、结构、功能及其组合要素开展的系统测定和观察，并评价和预测人类活动对生态环境系统的影响，帮助人们认识和掌握生态环境状况及潜在发展趋势，为资源合理利用、生态环境保护提供决策依据。

近年来，随着信息技术的快速发展，由遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）集成的3S 技术成为获取、管理、分析和应用空间信息的核心支撑技术，并在生态环境监测和资源利用中得到了广泛的应用。其中，RS 可在较大范围内快速、高效获取目标信息，GIS 可将获取的数据信息进行综合分析和归类，而GPS 则可在短时间里对目标进行准确定位。因此，有必要将三者结合起来，更好地发挥各自优势，为生态环境监测提供技术支持和服务。

1 RS、GIS、GPS 技术概述

1.1 遥感技术（RS）

遥感技术原理，是利用不同物体间产生的不同波普及反应，对物体进行监测，再利用专门的信息读取软件系统，对监测物体获取的反射波普进行分析、还原，最终获得被监测物体形象及性能状态[1]。

1.1.1 RS 特点

RS 具有信息方式多样化、信息采集范围大（利用遥感卫星、遥感飞机进行监测信息采集）、信息收集效率高（实现信息收集、存储、传输一体化）和受限小（山林、平原及深海地区均可进行勘查）等特点。

1.1.2 RS 技术在生态环境监测中的应用流程

将RS 技术应用于大气环境、水环境、土地环境等领域进行生态环境监测，需要先将遥感器收集到的数据信息按照统一格式进行预处理，然后利用归一化的方法对生态环境进行动态监测。获取动态环境监测数据后，对这些监测数据信息进行分析处理，帮助人们了解生态环境状况。

1.2 地理信息系统（GIS）

GIS 是在计算机技术支持下，对整个或部分地球表层（含大气层）空间中相关地理分布数据进行采集、储存、管理、处理、分析、显示和描述的空间数据信息系统[2]。

1.2.1 GIS 特点

地理信息系统在生态环境监测中的应用特点主要表现为：大多直接选用商用GIS 软件；多为生态环境专业人员建立和应用；在生态环境监测领域内的应用主要集中于耕地、植被、绿地等某一领域内的现象监测。

1.2.2 GIS 技术在生态环境监测中应用流程

GIS 应用于生态环境监测，是将存储、处理空间信息系统，通过分析信息空间分布，监测各个时段信息变化，并比较不同空间数据信息，使数据更为直观、生动。以水环境监测为例，其应用流程为：选定监测区域—对监测区域进行监测—收集监测数据—输入监测数据—查询监测数据—分析、评价监测数据。通常需要环境监测站、信息处理中心及监理所等部门共同完成。

1.3 全球定位系统（GPS）

利用卫星星座、地面控制及信号接收机对监测对象进行动态跟踪及定位。利用GPS 系统功能配合环境信息后台数据库，实现对监测点及周边环境空间、属性数据采集，并建立完善的信息系统数据库。

1.3.1 GPS 特点

将GPS 应用于环境监测中，能够实现全天候测试，精确度更高，提升环境监测的质量和效率。

1.3.2 GPS 技术在生态环境监测中的应用流程

做好网形规划及监测时段安排，并从找寻点位、架设仪器、记录观测手簿等方面做好摆站，然后将监测获取的数据下载。

2 3S 技术特点及运行

图1 3S 技术集成

3S 技术是将RS、GIS、GPS 三种技术进行应用合成（见图1），其组成技术在空间信息管理方面发挥着各自的功能优势。将3S 技术应用于生态环境监测中，可以形成多功能综合系统，更好地发挥3S 技术在环境监测中的作用，为环境保护提供有效的监测数据资料。这有助于充分利用生态环境资源，实现人与自然和谐相处，促进经济社会可持续发展。3S 技术结合了RS、GIS、GPS 技术的各自优势，其中，GIS 具有较强的空间查询、分析及综合处理能力（不足：数据获取较难）；RS 能够快速、高效地获取被监测区域的大面积信息资料（不足：数据定位及分类精度差）；GPS 能够快速确定被监测区域的目标位置，具有很强的空间数据精准定位功能（不足：无法给出监测目标具体的地理属性）。

在生态环境监测中，GPS 承担快速、实时监测目标位置的职能；RS 为环境监测后台监测技术人员提供地表物理及环境几何地理信息变化过程数据信息；GIS则通过多种时空数据综合分析，构建3D虚拟模型，帮助环境监测技术人员直观地观测现场状况。

在生态环境监测中，三种技术的联合应用较少，大多是两两集成应用。例如，GPS 与GIS 集成，实现生态环境动态监测与管理；RS 与GPS 集成，实现生态环境自动定时数据采集及灾害环境预测；GIS 与RS 集成，能够提供生态环境动态监测、土地利用变化分析及空间环境数据自动更新等。周昊昊利用RS 与GIS 技术，分析了珲春市1996年、2004年和2015年三个时期的遥感影像，并对应提取当期土地利用、植被覆盖数据以及土壤侵蚀数据分析，获得全市整体生态环境变化结果，为全市资源开发和利用提供了具体资源信息指导[3]。

3 3S 技术在生态环境监测中的应用

3.1 城市环境污染监测

当前，人们可以将3S 技术应用于城市环境污染监测。其中，RS 进行前期城市污染资料收集，GIS 则提供技术平台，将RS 与GIS 技术联合可编绘出清晰的城市大气、水环境污染源的分布图，再结合航空多光谱摄影技术，监测大气及水环境中的主要污染物及其空间分布。此外，GIS 可应用于城市生态环境现状调查以及污染源监测、生态环境功能及环境影响评价等领域，为城市生态环境总体规划提供详细的数据资料。目前，我国大部分地区建立了环境基础数据库，并开发了城市环境地理信息系统、城市环境污染应急预警预报系统，人们可以结合GIS 制作出具体的污染源分布图、大气质量功能区划图等，为环境监测提供详细的环境空间数据。例如，收集区域遥感图像，结合城市地面污染物监测数据，利用3S 技术，对城市热岛效应进行调查、分析，并确定具体的城市热源、热场位置、分布区域范围、热岛强度等，进行动态监测分析，从而监测出城市的热力分布规律及变化特点。

3.2 土壤变化监测

将3S 技术应用于土壤变化监测，主要是通过土壤水分、土壤沙漠化、盐碱化以及侵蚀等监测研究，分析土壤变化。通过区域土壤荒漠化的动态演化模拟分析和区域水土流失的遥感监测，人们可以掌握区域水土流失现状，为生态环境建设及治理决策提供依据。高云腾等采用3S 技术，对山东省南四湖地区2000-2005年的土地利用变化情况进行了动态监测，其中湿地、草地分别减少了195 km2、771 km2，城市建筑用地增加了665 km2。整体来看，该区域森林、湿地、草地占比较小，农田和城市建筑用地占比较大，后期要做好不同类型的土地利用规划[4]。

3.3 水体污染监测

区域水环境中的污染物浓度差异会使水体的密度、透明度、颜色和温度发生变化。3S 技术利用水体的上述差异变化所导致的水体反射波普能量变化，可实现对区域水质和水量的实时监测，使人精准地标识出不同区域的水环境质量状况及变化特点，分析区域水环境质量变化趋势和规律，利用模拟直观确定具体的污染源、排污口等具体环境要素在水环境中的空间分布，为水环境治理提供依据。

3.4 植被演化监测

植被是生态环境的重要组成部分，也是评价地表环境质量的重要指标。RS 可以进行大范围植被的实时监测，通过不同时间段的植被监测结果比对人类诱导及自然环境影响产生的植被变化，并分析这种变化的原因和结果，为植被生态环境保护提供预测、评价和决策提供科学依据，从而实现区域资源开发和环境保护。GIS 技术可对区域植被演化进行分析和监测，了解植被的动态演化进程，为相关部门决策提供服务。目前，3S 技术广泛应用于植被演化监测，主要包括植被种类识别，植被类型、植物退化演替和植物生物量研究以及植物季相节律研究等。来永斌采用3S 技术对抚顺市森林为主的区域景观空间格局进行监测，分别获得了景观破碎度、景观中嵌块体等生态景观结构嵌块，并对区域景观空间结构和景观的稳定性进行评价，为后期的区域生态环境保护提供了现实指导[5]。

4 结论

3S 技术在生态环境监测中的应用取得了良好效果。但是，目前以两两结合为主，更多的是RS 与GIS的结合应用，但这两种技术的结合缺少统一坐标空间，获取的空间数据与光谱数据不同步。3S 技术集成应用尚处于起始阶段，在生态环境监测领域的应用方法和理论还需完善，尤其是环境污染遥感监测体系。当前，生态环境监测质量要求越来越高，3S 技术的一体化集成将逐步得到完善，最终形成3S 技术监测系统。人们可以将其作为国家生态环境监测的重要技术手段，不断提升重大环境污染事故的应对处置能力。