现代技术在水土保持动态监测中的应用

柳小康，尹金花，李 斌

（1.云南省地质工程勘察总公司；2.云南岩土工程勘察设计研究院，昆明 650051；3.云南地矿建设工程有限责任公司，昆明 650299；4.昆明滇池水务集镇污水处理有限公司，昆明 650000）

我国是世界上水土流失最严重的国家之一[1]。水土保持动态监测就是对水土流失的类型、成因、程度、影响范围、分布特征、危害及其防治效果进行动态监测和评估[2]。地面观测、调查监测等传统水土流失监测方法成本较高，更新速度较慢，监测结果精度较低，实时性较差，难以实现重点监控[3-4]。随着科技水平的提高，现代新技术初步探索运用到水土保持项目监测，也逐渐发展成为实现水土流失及水土保持效益实时动态监测和预报的重要手段。

1 3S 集成技术及其应用

3S 集成技术，即RS、GIS、GPS 和数据库、互联网、通信技术等结合，以实现对地观测、分析和应用的综合技术[4]。国内诸多研究以不同分辨率的遥感影像为数据源，集成3S、数据库、专家系统等技术，开展了多尺度的水土流失动态监测，比如以3S、数据库、计算机网络、决策系统等技术综合集成建立的全国水土保持监测网络和信息系统、云南省水土保持3S 集成智能决策系统等[5-8]。无人机遥感技术作为一种便捷、准确的手段，应用领域近几年也逐渐得到拓展，该技术能有效提高水土保持监测的精度、效率及自动化程度[9]。运用3S 集成技术开展水土流失遥感监测，可以有效管理、分析和使用区域内与水土流失有关的大量信息，这是传统方法难以实现的。

2 4D 技术及其应用

4D 技术是指DEM、DOQ、DRG、DLG 或DTI 四种数字产品的开发与生产技术，其集合了3S 技术、数字摄影测量技术，具有精确度高、更新速度快、生产成本低、生产效率高等特点[10-11]。4D 技术可以提供地形、土壤等地表状况的基地信息，也可以及时发现土壤侵蚀变化和土地利用变化的动态信息，从而为土壤侵蚀预测、流域治理决策提供实时性强、精确度高的科学依据。例如，闫慧敏等在黄土高原不同地貌和生态类型区进行了以4D 产品构建数字流域的空间数据框架的试验研究[11]。4D 技术将会为水土保持动态监测开拓出一条高效率、高精度、简便易行之路。

3 自动监测技术及其应用

自动监测技术就是利用自动化设备对水土保持监测点的降雨、径流、泥沙、土壤水分等数据进行自动采集、GPRS 传输、存储和分析[12]。自动化设备实现了高频率的连续采集、艰苦环境下监测和精确观测，大幅提高了动态分析的精度[13]。汤崇军等应用水土流失自动监测集成系统，对红壤坡地进行水土流失监测，结果表明，温度、湿度、雨量、水位、土壤含水量等的自动监测结果与人工测定结果之间呈良好的线性相关关系，监测数据较为准确、稳定[14]。运用操作简单、性能可靠及自动化程度高的自动监测技术，逐渐促进了水土保持监测的现代化、智能化和信息化。

4 三维激光扫描技术及其应用

三维激光扫描技术是一种使用激光和相机捕获坐标和图像信息的高精度立体扫描技术。三维激光扫描技术的测量系统主要由三维激光扫描仪、内置数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成[15]。常用类型包括机载型、地面型和手持型三种。三维激光扫描技术具有大面积、高密度采集空间三维数据的能力，已探索运用到水土流失强度和范围、土地扰动土方量、水土保持措施面积及相关参数的动态监测。研究发现，三维激光扫描仪可以直观地监测坡面各点的微地形变化，很好地对坡面细沟侵蚀过程进行动态监测，基于三维激光扫描技术估算侵蚀量的平均精度达到了96.85%，与传统方法实测值的误差较小，其测量精度能满足水土保持监测及水土保持方案的要求，且多次试验能降低其测量误差[16-18]。将三维激光扫描技术应用于水土保持动态监测，能快速提高工作效率和实时监测的精度，是对传统监测方法的扩展与补充。

5 虚拟现实技术及其应用

虚拟现实或称灵境技术，是综合利用计算机图形系统、各种显示及控制等接口设备，在计算机上生成交互式的三维环境，为用户提供沉浸感觉的一种技术，具有沉浸感、交互感和想象感等特征[19]。通过构建流域的虚拟现实环境发现，虚拟现实景观能真实、直观地反映土壤侵蚀、土地利用和植被覆盖等现状信息，大幅减少水土保持监测中遥感影像分类模版的误差，减少野外调查次数，通过室内飞行浏览观察人类不能到达的区域图像，提高分类精度，从而为水土保持规划和管理部门及时提供现状信息[20-21]。

6 结论

水土保持监测是一项关乎国计民生的基础性工作，新水土保持法也进一步明确了水土保持监测的地位和作用。现代新技术在水土保持动态监测中的探索和应用前景非常广阔，但也存在诸多需要改进的方面。首先，现代技术在水土保持动态监测中的应用大多还处于初步探索阶段，尚有大量技术性问题需要研究和解决，新技术应用成本也比较高，新技术应用效益也有不足[22]。其次，土壤侵蚀和水土流失监测等基础性研究限制了水土保持监测方法的发展，比如定量监测难度大，尚无适合我国实际的土壤侵蚀监测和预报模型等。此外，水土保持监测还存在不同管理尺度、管理层次和监测数据来源的尺度分异问题，不同尺度监测数据未能建立有效联系，急需加强水土保持监测不同尺度转换和融合问题的探索和研究。