第一节水土保持动态监测的原则内容和方法.docx
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第一节水土保持动态监测的原则内容和方法
第一节 水土保持动态监测的原则、内容和方法
水土保持是建设生态环境、改善农业生产条件和治理江河湖海的一项主要工作，已成为世界各国可持续发展战略的重要组成部分。
为了全面掌握水土保持工作的成效及动态变化很有必要对其进行监测。
随着遥感影像光谱分辨率、几何分辨率的不断提高和覆盖时间周期化，以及3S（GIS、RS、GPS）集成技术的逐步成熟和计算机网络技术迅猛发展，开展这一工作，在技术上已经完全可行。
一、水土保持监测的作用
水土保持监测的作用可概括为以下五个方面：
1、成为水土保持项目管理的重要手段
通过监测判断水土保持治理是否符合标准，是否达到预期目标，为完善、提高水土保持管理体系，提高水土保持管理水平奠定基础。
2、为项目建设提供基础资料
通过监测建立本底信息库，为水土保持及其他项目建设的评估、可行性研究、规划、设计等提供基本资料。
3、为水土保持评价和决策提供科学依据
通过动态监测体系，可以客观、准确、及时地反映出不同治理措施及其配置的影响范围、效益和成果，为进一步开展全面治理工作提供科学的依据，可以少走弯路快见成效。
4、为水土保持监督执法提供依据
通过监测提供的数据，为水土保持执法公正、公开、科学、规范提供保证。
5、为水土保持宣传提供新途径
通过动态监测来科学地评价水土保持生态环境建设的综合效益，有助于水土保持在国民经济建设中发挥更大的作用。
二、水土保持监测的原则
水土保持动态监测（dynamicmonitoringofsoilandwaterconservation）的目的是及时、准确、全面地反映水土保持生态建设情况、水土流失动态及其发展趋势，既为水土流失防治、监督和管理决策服务，又为国家生态建设提供依据。
因此，监测工作应充分考虑服务对象对信息的需求和服务的有效性，并遵循以下原则：
（一）规范性
监测方法、监测方式和范围的界定、指标等必须统一，监测的描述和表达等应有全国统一标准，监测方法在同一水土流失类型区具有通用性。
（二）综合性
针对不同的监测对象，应从自然、经济和社会等多方面选择监测指标，从多个角度反映水土流失及其预防和治理状况；在监测方法上，既利用高新技术，也利用常规调查技术，互相补充，使监测结果全面、完整。
（三）动态性
水土流失监测应定期或不定期进行，可提供静态和动态水土保持状况。
把各次监测结果、各种专题研究和调查结果综合分析，建立各监测指标的数量化模式，可实现预测、预报。
（四）层次性
宏观、中观和微观监测均涉及层次性问题。
由于必要性和技术条件的影响，监测可以在全地区、重点地区或典型样点（某一流域或某个地块）进行。
三、水土保持监测的内容与方法
（一）监测内容
《中华人民共和国水土保持法实施条例》规定：
“国务院水行政主管部门和省、自治区、直辖市人民政府水行政主管部门应当定期分别公告水土保持监测情况。
公告应当包括下列事项：
①水土流失面积、分布状况和流失程度；②水土流失造成的危害及其发展趋势；③水土流失防治情况及其效益。
”据此，水土保持监测内容应包括以下几个方面：
1、水土流失变化
防止和控制水土流失是流域综合治理的重要内容。
因此，通过各种手段调查、分析、预测流域土壤侵蚀模数，不同地貌部位，不同土地利用状况和人类活动等与水土流失的关系及其治理途径是动态监测的主要内容。
水土流失状况包括土壤侵蚀类型、强度、水土流失程度、分布及其危害等，如水力、风力和冻融等侵蚀的面积、侵蚀模数和侵蚀量，河道泥沙、洪涝灾害，植被及生态环境变化，监测对象对周边地区经济、社会发展的影响等。
水土流失因子监测主要包括降雨和风、地貌、地面组成物质及其结构、植被类型及覆盖度、水土保持措施的数量和质量。
2、土地利用现状
流域生态经济结构的合理性在很大程度上取决于农林牧副渔业生产的用地比例和投资，许多山丘区作物生长条件差，土地生产力低，人们为了生产足够的粮食便毁林开荒，任意扩大耕种面积，其结果是越垦越穷，越穷越垦，引起严重的水土流失和生态环境恶化。
按照系统工程原理，对土地利用状况逐步进行调整、优化，有利于恢复生态平衡、保持水土和获取最大的整体效益，土地利用现状可以反映农林牧业用地比例的合理化程度。
3、治理措施实施情况
治理措施一般包括生物措施、工程措施和农业耕作措施，在生产实际中各种措施是互相结合，互相补充的。
造林、种草面积或植被覆盖度、坡地梯田化面积、鱼鳞坑数量、谷坊和塘坝数量等，不仅反映了各种治理措施的实施状况，也反映了流域水土流失的综合治理和景观生态的改良程度。
4、生产与收入变化
区域生产水平的提高和收入的增加可以反映综合治理活动对经济子系统影响的大小，粮食产量、林果收入、木材蓄积量、畜牧业的增值和工副业的发展带来的经济效益，以及区域总产值、劳均纯收入的变化等，分别反映了种植业、林业、畜牧业和工副业在综合治理活动的作用下所发生的变化。
5、群众物质和文化活动水平的变化情况
监测项目包括人均生活水平、生活消费支出、食品、衣着、日用品、住房、燃料等物质生活消费和文娱、卫生、交通、邮电文化生活费用，以及人均口粮、人均居住面积、学龄儿童入学率、文化站数和人均寿命等。
这些项目的变化反映了水土保持工作对社会子系统的影响程度和范围。
（二）监测方法与技术
总体说来，水土流失监测要综合运用遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）技术，地面调查、专项试验和数理分析与预测、预报方法等。
RS技术用于获取影响水土流失因素的信息，GPS技术主要用于确定和获得地理位置信息，GIS技术用于编辑、分析监测信息并对其进行管理。
水土流失监测可以在三种空间尺度上进行，即：
从地面、飞机以及卫星上实施监测。
其监测的范围大小、时间频率以及用途分述如下：
1、地面监测
地面监测可以提供“地面-真实”测定结果，可以用来鉴定飞机、卫星提供的“遥感”数据的准确性，以及用来解释这些数据。
地面监测范围主要包括小区或样地监测、空中和卫星等遥感监测的训练区监测等，比例尺一般为1∶10000。
地面测量对只有从地面监测才能获得最好属性的对象特别适用。
例如：
土壤侵蚀模数、泥沙输移比以及其他许多环境属性。
在地面监测时，要充分利用GPS定位技术，以便记录监测对象的位置属性，分析诸如位置、面积、长度、体积、等高线和坡度等。
GPS技术可以帮助我们实现数据的快速采集、对象属性的实时分析等。
2、航空监测
结合地面观测，航空监测的数据可以用来校验卫星监测判读的正确性和判读精度等。
航摄带宽随制图比例尺要求变化。
比例尺一般为1∶10000-1∶100000，扫描宽度为2－10km。
空中监测可以用来监测典型地区水土保持工程措施的分布及其数量、面积等。
一般可以用于小流域（5－30km2）、中型流域（100—l000km2）的土地利用状况、植被覆盖、淤地坝、梯田等水土保持措施的状况。
3、卫星监测
利用卫星遥感技术，对大流域或大范围水土流失及其防治成果进行监测，与地面调查和航空遥感技术结合，可以判读植被覆盖、作物状况、地面组成物质区划等影响土壤侵蚀的因素，分析水土流失的分布、强度变化、治理面积等。
卫星监测的最大优点是资料以很频繁的时间间隔重复，真正实现动态监测。
综合运用多种监测技术和方法，可以实现下述4个方面的功能：
一是快速清查宏观区域水土流失状况；二是定量检查、验收水土保持治理工程；三是实时分析监督执法对象的有关属性；四是预测、预报水土流失及其防治发展趋势。
四、中国水土保持监测建设方向
（一）初步建成全国水土保持监测网络与信息系统
水土保持监测网络包括1个国家监测中心，7个流域监测中心站，31个省级监测总站，各省（自治区、直辖市）重点预防区、重点防护区和重点监督区监测分站，以及水土保持观测站（点）。
（二）完善监测技术规程与规章
技术规程包括水土流失监测技术规程、水土保持防治效益监测技术规程、水土保持数据规范等。
规章主要包括水土保持监测网络管理条例、监测资质证书管理办法，以便职确定网络的组织管理、站点能和成果管理，保证监测人员持证上岗、确保监测成果的规范性和可靠性。
（三）推广监测技术，培养监测技术队伍
坚持不懈地试验研究、推广和应用现代监测技术，培训监测技术人员，熟练掌握现代监测设备操作和数据分析技术，确保信息的准确、快速和系统。
（四）强化水土流失动态监测
水土流失动态监测，坚持统筹全国、突出重点的原则，既掌握全国的总体状况又熟悉重点地区、重点项目和典型对象的具体情况，为国家经济建设的稳定、持续发展和地区间的协调、平衡发展创造良好的生态环境。
《全国生态环境建设规划》提出的近期建设任务：
1、建立全国土壤侵蚀背景值数据库
以全国土壤侵蚀遥感调查的土壤侵蚀及其因子数据为主，设计和建立全国土壤侵蚀背景值数据库。
该数据库包括土壤侵蚀、土地利用、基础地理信息和水文泥沙等专题数据，以及有关的遥感影像。
该数据库的建成将为水土保持动态监测奠定数据基础。
2、跟踪监测重点区域和重点项目实施效应
重点区指重点预防保护区、重点监督管理区和重点治理区，效应监测主要是指实施的生物、工程和预防保护措施，以及实施措施后产生的生态和经济效益的消长情况。
监测重点区跟踪监测的内容包括：
实施的各类防治措施、措施实施后控制水土流失、改善生态环境和群众生产条件与生活水平等效应。
重点项目主要包括贫困地区坡改梯、南方风化花岗岩地区崩岗治理和黄土高原水土保持治沟骨干工程，主要监测重点项目实施的措施及其效益情况。
3、重点开发建设项目区水土流失监测
重点开发建设项目区是指大型资源开发、城市建设、道路、水利水电等一切可能在较大范围内扰动自然环境、引起水土流失的建设开发区。
开发建设项目水土保持监测，应根据项目方案计划如期进行，监测有关内容并研究分析开发建设对项目建设区和直接影响区环境造成的影响。
监测内容包括：
自然状况，如地形、气象、植被、地面物质组成等；土地利用状况；水土流失情况，包括扰动原地貌、损坏土地和植被面积，弃土、弃石和弃渣量，或开荒、毁林（草）面积等。
4、重点流域或地区水土流失监测
重点流域或重点地区的监测，将在常规监测获取典型地块或小流域监测数据的同时，建立整个监测范围内影响水土流失因子动态变化的图形库、数据库和水土保持知识库，结合水文、泥沙和气象监测结果，综合分析提供大江大河流域的泥沙来源和数量，为流域或地区群众生产生活条件改善、生态环境建设和大江大河治理提供决策信息。
5、水土流失典型监测
水土流失典型监测，主要指在不同水土流失类型区选择有代表性的地点，设立监测站点，定位观测水土流失和水土保持治理效益，为建立土壤流失和治理效益预测模型提供准确、系列化的数据。
五、开发水土流失预报模型
以水土保持监测网络的地面观测数据为基础，并利用人工降雨试验方法获取的有关参数，借鉴国外成功的模型，开发不同尺度的水土流失模型，包括坡面土壤流失量模型、小流域水土流失模型和区域水土流失趋势预测模型。
有了水土流失预测模型，就可以指导农业耕作、牧业经营、区域开发和水土保持措施设计，就可以有效控制人为水土流失，改善生产条件、建设生态环境。
第二节 水土保持信息系统概述
现代水土保持动态监测与管理是在地理信息系统（geographicalinformationsystem，简称GIS）支持下，综合应用科学技术的最新成果和管理经验，把大量单一分散的数据资料变成活的综合的信息资源，向用户提供灵活方便的查询检索，统计计算和列表制图的基本信息服务。
在此基础上进行多因子的综合分析、定量评价、多目标决策，为合理开发利用流域的自然资源提供强有力的工具，使流域的管理建立在计算机化、模式化和科学化的水平上，为区域分析、辅助决策与资源的保护、改良和合理利用服务。
一、地理信息系统基本概念
地理信息系统是伴随计算机科学、信息科学和地球科学发展起来的一门高技术的交叉学科，被广泛地应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理和交通安全等领域。
（一）信息与数据
信息（information）是事物或现象特性的表征。
由于每种事物或现象都带有区别于其它事物或现象的特性，它们的存在必然是通过其特性表现出来。
比如，一个建筑物是通过它的形状、大小、色调等特性表现它的存在。
我们的视觉“捕捉”到这一物体的光学特性，便判断出这一物体是建筑物，从而得到建筑物坐落在这里的信息。
信息是客观存在的，它不随主观意志而转移，我们不可能制造信息，改造信息，只能认识信息。
信息可以传播，传播以后自身并不损失与消耗。
信息是通过信号或讯号、符号等人们可以认识的载体或媒介来传播，比如光、电、生物、声等不同形式的信号、化学现象、语言文字等被人们所认识并在人们中传播。
信息本身不能改造，但是它的载体是可以改造且变换的，所有科学采集某个信息的过程就是实现这一改造与变换的过程。
它将各种物质存在以及它的变化信息通过光、电、声、化学、力学等手段加以探测，并将其载体——某种信号加以放大、转换、记录，最后被人们所接收。
有许多信息由于条件的限制，一部分人暂时认识不到，但它仍然客观存在，另一部分人或人们将来可以认识它们。
数据（data）是信息（information）的表达形式或称载体，而信息则是数据的内容，数据可以被转换为不同的形式，这种转化并不影响信息的本质。
只有当数据被处理、加工或解译后才产生信息，才有意义。
地理信息系统中从数据的准备、输入，到数据的管理、处理、分析和成果的输出过程是信息被加工、处理和流动的过程。
（二）地理信息
地理信息（geographicinformation）是关于地理圈（大气、生物、土壤、岩石、水）或地理环境中固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的信息。
水土保持信息是地理信息的重要内容之一。
地理信息的空间性是区别于其它信息（如工业统计、人口普查）的根本标志。
空间性（spatiality）是指地理信息的定位意义，地理信息是地理实体（entity）所具有的。
地理实体的位置可以按照经纬网或一定的坐标网来标定。
地理信息具有多维结构的特征，专题地图如地貌形态、水土保持措施、土壤侵蚀类型、水土流失强度等地理信息，它们都可通过叠置在二维平面上的第三维特征来表示。
专题特征之间的联系通过公共的地理基础数据（地理实体）来实现。
地形图的数学基础提供了公共的地理基础数据。
因此，地图数据（特别是各种专题地图）是GIS的主要信息源。
地理信息具有动态变化的特征，从沙漠化、水土流失的循序渐进到森林火灾、洪水的急速突变，都反映了地理信息随时间变化的特点。
而地图数据反映了地表客观物体某一时刻的静态特征或规律，要反映地理信息的时序性，就必须利用遥感技术及时对其更新和利用科学的手段进行预测。
（三）地理信息系统概念
地理信息系统（GIS）是在计算机硬件和软件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。
GIS采集、存贮、管理、处理和综合分析地理信息，并输出数据和提供图形服务。
地理信息系统（GIS）是计算机科学、制图学、地理科学等多学科交叉的产物，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析的方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地学研究和与地学有关的决策服务的技术系统，它具有①具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；②以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，可产生高层次的地理信息；③由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息。
计算机系统的支持是GIS的重要特征，使GIS得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析等特征。
二、水土保持信息系统的构成
一个典型的水土保持信息系统由4部分构成，即硬件系统、软件系统、空间数据和系统管理操作人员，可综合表示为图10—l。
（一）硬件系统
计算机硬件是计算机系统中实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。
GIS硬件配置一般包括四个部分。
1、计算机主机
工作站、微机、便携式计算机；
2、数据输入设备
数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；
3、数据存储设备
光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；
4、数据输出设备：
图形终端、绘图仪、打印机和硬拷贝机等。
（二）软件系统
软件系统是指水土保持GIS运行所必需的各种程序，通常包括3个层次的软件。
1、计算机系统软件
由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，有操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。
2、水土保持GIS软件和其他支撑软件
由通用GIS软件和数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等组成。
其核心软件通用GIS软件有5个主要功能模块：
（1）数据输入模块。
将系统外部的原始数据，包括遥感影像数据、专业图件数据、测绘调查数据、文档资料数据以及各数据库数据及网上数据，传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式。
（2）数据存储与管理模块。
数据存储和数据库管理涉及地理元素（表示地表物体的点、线、面）的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。
空间数据库的操作包括数据格式的选择和转换，数据的连接、查询、提取等。
（3）数据分析与处理模块。
指对图件及其属性数据进行分析运算和指标量测，在这种操作中，输入的是图件，分析计算后生成的也是图件，在空间定位上仍与输入的图件一致，称为函数转换。
空间函数转换分为基于点或象元的空间函数，如算术运算、逻辑运算或聚类分析等；基于区域、图斑或图例单位的空间函数，如叠加分类、区域形状量测等；基于邻域的空间函数，如像元连通性、扩散、最短路径搜索等。
量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指标的计算。
函数转换还包括错误改正、格式变换和预处理。
（4）数据输出与显示模块。
输出与显示是指将系统内的原始数据或经过系统分析、转换、重新组织的数据提交给用户，如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上，或采用CRT（CathodeRayTube）显示器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出，也可以将结果数据记录于磁存储介质设备或通过通讯线路传输到用户的其他计算机系统中。
（5）用户接口模块。
用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。
系统通过菜单方式或解释命令方式接收用户的输入,并随时向用户提供系统运行和操作帮助信息，使系统成为人机交互的开放式系统。
3、应用分析程序
是系统开发人员或用户根据水土保持专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。
应用程序作用于水土保持专题数据或区域数据，构成水土保持GIS的具体内容和核心，是真正用于水土保持分析的部分，也是从空间数据中提取水土保持信息的关键。
用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。
（三）水土保持空间数据
水土保持空间数据是指以地球表面空间位置为参照的与水土保持有关的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。
不同用途的水土保持GIS其空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的特征：
1、已知坐标系中的位置
即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。
2、实体间的空间相关性
即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体之间的构成关系等。
空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。
3、与几何位置无关的属性
属性是与水土保持实体相联系的水土保持变量，分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级。
定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。
非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。
任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的。
因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。
水土保持信息系统特殊的空间数据模型决定了水土保持信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了水土保持信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为水土保持动态监测与管理的重要工具。
（四）系统开发、管理与使用人员
人是GIS中的重要构成因素。
水土保持信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。
仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的水土保持信息系统，还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为管理和决策服务。
三、水土保持信息系统设计与建立
（一）水土保持信息系统设计思想
水土保持GIS的开发建设和应用是一项系统工程，涉及到系统的最优设计、最优控制运行、最优管理，以及人力、财力、物力资源的合理投入、配置和组织等诸多复杂问题。
需要运用系统工程的原理和方法，结合空间信息系统的特点实施建设。
因此，在建立GIS过程中确定应用目标是什么，选用哪些数据源，以及数据的质量、精度如何等一系列重大问题是至关重要的，这直接关系到系统的有效性和实用性。
GIS工程的成败及效益，取决于GIS工程的总体规划和设计、技术力量的组织、工程的建设实施和数据源的组织。
水土保持信息系统的开发研究分为四个阶段：
系统分析、系统设计、系统实施、系统评价及维护。
系统分析阶段的需求功能分析、数据结构分析和数据流分析是系统设计的依据。
系统分析阶段的工作是要解决“做什么”的问题，它的核心是对水土保持信息系统进行逻辑分析、解决需求功能的逻辑关系及数据支持系统的结构，以及数据与需求功能之间的关系等问题；系统设计阶段的核心工作是要解决“怎么做”的问题，研究系统由逻辑设计向物理设计的过渡，为系统实施奠定基础。
（二）系统建立过程
水土保持信息系统建立的过程（图10-2），大致可以分成以下几个主要步骤：
1、可行性研究
可行性研究主要是进行大量的现状调查，在调查的基础上论证水土保持GIS的自动化程度、涉及的技术范围、投资数量以及可能收到的效益等。
经过论证后确定系统的目的、任务及GIS的起始点。
这一阶段的工作主要包括：
（1）用户需求调查。
是指调查本部门或其他有关部门对水土保持GIS系统的信息需求情况，在目前和将来发展业务上需要些什么信息，完成本部门专业活动所需要的数据和所采用的处理手段，以及为改善本部门工作进行了哪些实践活动等。
（2）确定系统目的和任务。
一般来讲，水土保持信息系统应具有四个方面的任务：
空间信息管理与制图；空间指标量算；空间分析与综合评价；空间过程模拟。
（3）数据源调查和评估。
调查了解用户需求的信息后，应进一步掌握数据情况。
分析研究什么样的数据能变换成所需要的信息，这
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