gis在水土保持中的應(yīng)用

1、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)是 20世紀(jì)60年代中期開始逐 漸發(fā)展起來的一門新的技術(shù)系統(tǒng)。近半個(gè)世紀(jì)以來，一方面,隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù) 的提高，軟件開發(fā)工具的廣泛應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的推廣；另一方面,隨著衛(wèi)星遙感 技術(shù)趨于成熟和全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)，海量信息涌向社會(huì)，成為GIS非常重要 的數(shù)據(jù)源，同時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，也為GIS提供了大量的社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的數(shù)據(jù); 這兩方面都加速了 GIS的發(fā)展和應(yīng)用，使GIS不斷成熟起來。GIS是對(duì)各種空間信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析和可視化表達(dá)的信息處理與管 理系統(tǒng)，它能提供文字和數(shù)據(jù)，根據(jù)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，還提

2、供直觀形象的空間 圖形和圖像。GIS能對(duì)空間屬性的對(duì)象進(jìn)行輸入、輸出、編輯、修改、查詢。圖 形信息和屬性數(shù)據(jù)一旦輸入地理信息系統(tǒng)，就可進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和查詢1。GIS強(qiáng)大 的空間分析和統(tǒng)計(jì)運(yùn)算功能，能對(duì)已有資料進(jìn)行加工處理，得到科學(xué)的結(jié)果，避免 因人而異的主觀隨意性,有利于科學(xué)決策。正因?yàn)槿绱?，作為一種強(qiáng)有力的研究工 具,GIS現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源、礦產(chǎn)資源、交通運(yùn)輸、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、 水電建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。GIS基本原理GIS概念及組成地理信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GIS(GeographicInformationSystem)，是融計(jì)算機(jī)圖形和數(shù) 據(jù)庫于一體儲(chǔ)存和處理空間信息的高新技術(shù),它把地理位置和

3、相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合 起來，根據(jù)實(shí)際需要準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地輸出給用戶，因此RS與GIS結(jié)合,才能發(fā) 揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)1-2。GIS軟件ARC/INFO采用開放的體系結(jié)構(gòu)，使統(tǒng)計(jì)、分區(qū)、評(píng)估 和其他信息不加修改就可以綜合到系統(tǒng)中。GIS所需要的硬件包括處理速度高且 存儲(chǔ)容量大的計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)輸入設(shè)備如數(shù)字化儀、掃描儀，圖形輸出設(shè)備如繪圖儀 等。軟件方面，有 ESRI 的 ARC/INFO 和 ARCVIEW、ERDAS 的 IMAGINE、USARMY 的 GRASS等。在我國(guó)應(yīng)用較廣的為美國(guó)環(huán)境研究公司(Environmental SystemsResearch Institute, Inc.)開發(fā)的

4、ARC/INFO(用于 UNIX)、PC ARC/INFO(用于。，)和 AR-CVIEW(用于 Windows 3.X、Windows 95 和 WindowsNT)。GIS技術(shù)GIS是對(duì)各種空間信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析和可視化表達(dá)的信息處理與管 理系統(tǒng)GIS能提供文字和數(shù)據(jù)，根據(jù)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，還提供直觀形象的空間 圖形和圖像。GIS能對(duì)空間屬性的對(duì)象進(jìn)行輸入、輸出、編輯、修改、查詢。圖 形信息和屬性數(shù)據(jù)一旦輸入地理信息系統(tǒng)，就可進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和查詢。GIS也可以 使用各種坐標(biāo)系統(tǒng)，甚至包括AUTOCAD等軟件包使用的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)空間對(duì) 象進(jìn)行精確定位。此外,GIS還能與AUTOCA

5、D等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，也可以輸出其 他應(yīng)用系統(tǒng)能夠接受的文件格式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。另外,GIS強(qiáng)大的空間分析和統(tǒng)計(jì) 運(yùn)算功能,能對(duì)已有資料進(jìn)行加工處理，得到科學(xué)的結(jié)果，避免因人而異的主觀隨 意性,有利于科學(xué)決策。正因?yàn)槿绱?GIS現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源、礦產(chǎn)資源、交 通運(yùn)輸、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、水電建設(shè)、水土保持等方面的技術(shù)性管理。正因 為GIS是涉及多種行業(yè)的信息技術(shù)工具,有廣闊的應(yīng)用前景,地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ) 軟件和應(yīng)用軟件不斷出現(xiàn)，常見的有ARC/INFO、ARCVIEW、MAPINFO、MGE以及 GEOSTAR 等3-4。GIS基本原理GIS技術(shù)可認(rèn)為來自2個(gè)比較成熟的軟件技術(shù):數(shù)據(jù)庫管

6、理系統(tǒng)(DBMS)和計(jì)算 機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD),并附加上對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理和分析功能。GIS的強(qiáng)大功能在于 能夠建立和分析地理對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系,這些地理對(duì)象包括高速公路、城市、水域、 管網(wǎng)等。建立拓?fù)潢P(guān)系是明確定義空間聯(lián)系的數(shù)學(xué)過程。對(duì)于GIS數(shù)據(jù)庫中的對(duì) 象不僅能根據(jù)它們的地點(diǎn)和類別屬性進(jìn)行分析，還能根據(jù)它們的空間關(guān)系進(jìn)行分 析。GIS系統(tǒng)通常具有圖形用戶界面(GUI),允許用戶在可視化的地圖上顯示和操縱 數(shù)據(jù)5-7。系統(tǒng)的核心是GIS引擎，它提供數(shù)據(jù)庫地理和拓?fù)涔δ芤约坝脩艚缑妗?GIS引擎提供大量操作分析功能，包括測(cè)距、投影變換、統(tǒng)計(jì)、拓?fù)浏B壓、緩沖區(qū) 分析地形表面操作、網(wǎng)絡(luò)分析等。許多GI

7、S產(chǎn)品允許用戶利用宏語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 擴(kuò)展，包括定制菜單和函數(shù)等8,有的還支持與外部應(yīng)用程序進(jìn)行開放通訊。所有的GIS都具有某種形式的地理數(shù)據(jù)文件。GIS的圖形和屬性均由文件系 統(tǒng)管理，其典型代表是Idrisi(美國(guó)Clark大學(xué)開發(fā))。國(guó)內(nèi)大多數(shù)自行開發(fā)的軟件均 屬此類?；旌闲虶IS的圖形以專門的文件方式存儲(chǔ)，并由專門的圖形軟件處理，而 屬性數(shù)據(jù)由商業(yè)化DBMS管理,其典型代表是ARC/IN-FO(美國(guó)ESRI)。整體GIS的 圖形和屬性均由一擴(kuò)展的關(guān)系型DBMS管理,其典型代表是SICAD/OPEN(西門子利 多富)及System9(美國(guó)Unisys)。一體化GIS將圖形和屬性數(shù)據(jù)封裝在一起

8、,由面向 對(duì)象的DBMS統(tǒng)一管理，目前尚無成熟產(chǎn)品。后兩者是GIS的發(fā)展方向。GIS可以 根據(jù)若干原則來分類，例如所完成的任務(wù)、目的、專業(yè)類型、系統(tǒng)功能、用戶類 型、行政等級(jí)、空間數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地理范圍和系統(tǒng)操作難易程度等。按 照GIS空間數(shù)據(jù)模型的不同，可以將GIS軟件分為柵格、二維拓?fù)涫噶俊?shù)字高程 模型(DEM)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)、三維模型、時(shí)序模型等。柵格數(shù)據(jù)模型在許多 產(chǎn)品中都存在，但趨勢(shì)是更靈活的二維拓?fù)涫噶炕虿灰?guī)則三角網(wǎng)。真正的三維和 時(shí)序模型還很少使用，但它們是未來的研究方向。另外，圖像GIS將遙感圖像與GIS 矢量分析緊密結(jié)合起來，對(duì)地面進(jìn)行三維立體觀察和GIS分

9、析,這也是目前的研究 方向之一 9。不同種類的應(yīng)用對(duì)地理數(shù)據(jù)的比例和精度要求不一。一般說來，環(huán)境管理和規(guī)劃中常用的比例尺范圍是1B(1萬5萬)，城市規(guī)劃和 交通規(guī)劃應(yīng)用的比例尺可達(dá)1B1 000甚至更大10。1. gis在水土保持中的應(yīng)用現(xiàn)狀水土保持初設(shè)要求先進(jìn)的技術(shù)手段、可行的措施、規(guī)范的管理和典型的示范 性，為此有大量空間對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)和空間圖形和圖像，如流域地形、土壤侵蝕 狀況、水保設(shè)施布設(shè)、水保效益觀測(cè)體系等,需要形象直觀的描述和表達(dá)。地理 信息系統(tǒng)GIS正是能把數(shù)據(jù)管理和圖形管理有機(jī)結(jié)合起來的信息技術(shù)，對(duì)這些信 息的表現(xiàn)具有極大的優(yōu)越性2。通過地理空間分析可以產(chǎn)生常規(guī)方法難以得到 的

10、分析決策信息,在工作精度、效率和科學(xué)性等方面，要遠(yuǎn)高于人工；應(yīng)用地理信息 系統(tǒng)進(jìn)行水保初設(shè),不僅能完成流域內(nèi)各要素的分析，而且可以將自然發(fā)生或思維 規(guī)劃的動(dòng)態(tài)過程實(shí)施于數(shù)據(jù)模型中，對(duì)未來的趨勢(shì)進(jìn)行精確預(yù)測(cè),從而指導(dǎo)水保工 作，提出水保治理最優(yōu)方案。GIS在水土保持規(guī)劃中的應(yīng)用我國(guó)利用GIS進(jìn)行水土保持規(guī)劃的實(shí)踐起步較早，主要內(nèi)容是應(yīng)用GIS軟 件對(duì)地形圖進(jìn)行數(shù)字化，建立數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），根據(jù)坡度、 坡向等情況，建立地理數(shù)據(jù)庫，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的需求，建 立相應(yīng)的模塊。利用GIS技術(shù)，不僅可以優(yōu)化各種水土保持措施配置，而且還 能對(duì)水土

11、保持措施的實(shí)施效果進(jìn)行數(shù)量化分析。馮九梁等在進(jìn)行山西狼窩溝小流 域水土保持規(guī)劃時(shí)，將遙感解譯（RS）、GIS和CAD與常規(guī)方法相結(jié)合，大大 提高了規(guī)劃設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。基于GIS軟件，排除難以治理、 已治理及特殊用地地塊，根據(jù)用地優(yōu)先次序選定規(guī)劃地塊。李建民、李昌志等也 分別利用GIS進(jìn)行水土保持規(guī)劃和水土保持初步設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的GIS開發(fā)平臺(tái)采用專門設(shè)計(jì)的開發(fā)語言，而且還有很多函數(shù)和命令庫， 水土保持工作人員在掌握運(yùn)用時(shí)有一定的難度，基于以上原因，周寶書等提出建 立水土保持規(guī)劃信息系統(tǒng)。通過水土保持規(guī)劃系統(tǒng)，可進(jìn)行水土保持圖形和屬性 查詢，水土保持統(tǒng)計(jì)分析，水土保持利用狀況變更，以

12、及圖形顯示和輸出等多種 功能。史志華等將地理信息系統(tǒng)和修正通用土壤流失方程（RUSLE）結(jié)合，進(jìn)行 農(nóng)地水土保持規(guī)劃。利用RUSLE預(yù)測(cè)農(nóng)地的土壤侵蝕量，根據(jù)地塊可能產(chǎn)生的 土壤侵蝕量，在GIS軟件中對(duì)其賦予不同的值，以確定不同地塊采取不同措施 的優(yōu)先性。土壤侵蝕危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)倪九派等基于ARC/INFO軟件和SPSS軟件，運(yùn)用層次分析法和系統(tǒng)聚類法， 對(duì)三合水土保持生態(tài)園區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。從坡度、土層厚度和植被覆 蓋度三個(gè)因素評(píng)價(jià)土壤侵蝕。湯麗潔等基于GIS技術(shù)和RS技術(shù)，對(duì)巢湖流域 地表覆蓋、水土保持措施、坡度坡長(zhǎng)、土壤可蝕性和降雨侵蝕力5個(gè)主要影響 水土流失的因子進(jìn)行分析，并采用修正

13、的通用土壤侵蝕模型估算土壤侵蝕量，生 成水土流失等級(jí)分布圖，從而完成對(duì)巢湖流域水土流失現(xiàn)狀和空間分布特征的評(píng) 估分析，為流域水土流失治理及決策提供科學(xué)參考。張旭群等基于GIS和RUSLE對(duì)粵東黃岡河流域土壤侵蝕進(jìn)行評(píng)估，分析得 出影響土壤侵蝕的主要因素是降雨，顯著因素是地形地貌。曹曉儀等選取風(fēng)力、植被、氣溫、降水、地形、土壤等因子，在ArcGIS9. 3 平臺(tái)支持下，建立土壤風(fēng)蝕環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫，采用層次分析法構(gòu)建土壤風(fēng)蝕危險(xiǎn) 度評(píng)價(jià)模型，對(duì)榆林市土壤風(fēng)蝕危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法可從宏觀上揭示區(qū)域風(fēng) 蝕危險(xiǎn)度的空間格局特征，并指出榆林市土壤風(fēng)蝕危險(xiǎn)度空間分異格局呈帶狀分 布，危險(xiǎn)度從西北向東南逐漸

14、降低。通過土壤侵蝕危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，可為水土保持規(guī) 劃提供參考，有利于有針對(duì)性地布置水土保持各項(xiàng)措施。土地生態(tài)系統(tǒng)水土保持價(jià)值評(píng)價(jià)李晶等基于GIS技術(shù)，根據(jù)陜北高原的特點(diǎn)，采用無植被覆蓋的潛在土壤侵 蝕量來估算各生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量，并從保護(hù)土壤肥力、減少表土損失和減輕泥 沙淤積3個(gè)方面來評(píng)價(jià)水土保持的經(jīng)濟(jì)效益。通過研究發(fā)現(xiàn)陜西三類不同地貌 類型區(qū)水土保持價(jià)值排序?yàn)椋耗喜康蜕角鹆陞^(qū)大于北部風(fēng)沙過渡區(qū)，中部黃土丘 陵區(qū)水土保持價(jià)值相對(duì)最低。高偉等基于GIS技術(shù)，結(jié)合實(shí)地測(cè)量，對(duì)安口小 流域水土保持的效益進(jìn)行研究。通過測(cè)定流域內(nèi)土壤的物理性狀、土壤的含水量、 土壤的滲透性、土壤粒級(jí)、土壤抗蝕性、林分的生長(zhǎng)

15、狀況以及枯枝落葉的水源涵 養(yǎng)功能等多項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)該流域的水土保持效益進(jìn)行評(píng)估。1.4開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持GIS管理系統(tǒng)姚赫等針對(duì)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持，提出建設(shè)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持GIS管 理系統(tǒng)，以便建設(shè)單位和水行政主管部門全面、科學(xué)、系統(tǒng)地監(jiān)督、管理開發(fā)建 設(shè)項(xiàng)目水土保持工作。GIS管理系統(tǒng)具體包括水土保持方案、水土保持初步設(shè)計(jì) 及施工圖設(shè)計(jì)、水土保持工程施工、水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)理、水土保持監(jiān) 督管理、水土保持設(shè)施竣工技術(shù)評(píng)估以及水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估共8個(gè)方面的 內(nèi)容。1.5水土保持監(jiān)測(cè)分區(qū)黃建輝等在傳統(tǒng)水土流失分區(qū)基礎(chǔ)上，應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)現(xiàn)有地圖和衛(wèi)星影像 解譯分析，建立水土流失地學(xué)模

16、型，通過ArcGIS空間分析功能，對(duì)重慶市進(jìn)行 水土保持監(jiān)測(cè)分區(qū)，為水土保持監(jiān)測(cè)站網(wǎng)提供理論依據(jù)。gis在水土保持中應(yīng)用的方向地理信息系統(tǒng)是將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化管理、分析的技術(shù)系統(tǒng)。隨著JAVA、 虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展,目前地理信息系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、分布式、真三維和時(shí) 空信息系統(tǒng)方向發(fā)展;空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化管理正逐步實(shí)現(xiàn)，這將極大地 擴(kuò)展地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用范圍8。在水土保持工作中,GIS技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)主要三 個(gè)方面：2.1建立水土保持基本數(shù)據(jù)庫收集資源環(huán)境研究成果圖件資料，水土流失與水土保持調(diào)查數(shù)據(jù)以及科學(xué)研 究數(shù)據(jù)，建立水土流失基本數(shù)據(jù)庫,為水土保持管理和研究部門提供信息支持

17、8,10。|數(shù)據(jù)庫的信息元:是以水土流失分區(qū)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理地理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和流域 分區(qū)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，劃分基本信息元,構(gòu)建空間定位基礎(chǔ)。 土壤侵蝕背景數(shù)據(jù)庫:是 存儲(chǔ)影響水土流失的有關(guān)環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)。為土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)，水土保持 規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。土壤侵蝕評(píng)價(jià)參數(shù)庫:主要存儲(chǔ)土壤侵蝕評(píng)價(jià)模型中所需要 的重要參數(shù),如土壤滲透性、土壤質(zhì)地、土壤導(dǎo)水率和作物管理等方面的數(shù)據(jù)信 息。水土保持知識(shí)庫:主要存儲(chǔ)與水土保持評(píng)價(jià)規(guī)劃有關(guān)的知識(shí)、規(guī)則等。2.2建立水土流失與水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系以水土流失基本數(shù)據(jù)庫和評(píng)價(jià)模型系統(tǒng)為基礎(chǔ),以地面監(jiān)測(cè)和RS監(jiān)測(cè)的成果 為現(xiàn)實(shí)資料依據(jù)，研究開發(fā)區(qū)域水土流失快速調(diào)查的技術(shù)系統(tǒng)

18、，實(shí)現(xiàn)水土流失的快 速調(diào)查4。2.3建立水土流失評(píng)價(jià)模型系統(tǒng)由于水土流失環(huán)境的特殊和復(fù)雜性，水土流失評(píng)價(jià)模型應(yīng)有以下特點(diǎn)：多空間 尺度（坡面、小流域、區(qū)域）;多用途（水土流失評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)、水土保持效益評(píng)價(jià)、水 土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)、災(zāi)害性水土流失預(yù)警；多形式（物理過程模型、數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型、 土壤侵蝕評(píng)價(jià)與GIS形成集成模型）。2.4區(qū)域水土流失快速調(diào)查以水土流失基本數(shù)據(jù)庫和評(píng)價(jià)模型系統(tǒng)為基礎(chǔ),以地面監(jiān)測(cè)和RS監(jiān)測(cè)的成果 為現(xiàn)實(shí)資料依據(jù)，研究開發(fā)區(qū)域水土流失快速調(diào)查的技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水土流失的快 速調(diào)查3。|水土流失快速調(diào)查的GIS系統(tǒng):劃分不同尺度的水土流失調(diào)查評(píng)價(jià)基 本信息元，采集水土流失評(píng)價(jià)指標(biāo)和現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)，建立水土流失快速調(diào)查的基本 GIS數(shù)據(jù)庫、參數(shù)庫、模型庫和知識(shí)庫。評(píng)價(jià)模型和GIS集成系統(tǒng):將上述GIS 系統(tǒng)和土壤侵蝕評(píng)價(jià)模型（小流域模型、區(qū)域模型）集成，編制各種空間尺度的水土 流失專題圖，作為區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)的基本手段。空間尺度轉(zhuǎn)換:在GIS支持下