摘要：贯彻执行国家退耕还林（草）政策是改善我国西部地区生态环境、推动西部大开发的有力保证。本文简单介绍了什么是3S技术，论述了3S技术在退耕还林（草）的过程中所能够发挥的重要作用，并从理论上探讨了其运作原理和模式，最后对可能存在的一些问题做了简单的讨论。

 

    关键词： 3S技术  西部  退耕还林（草）  数字高程模型（DEM）

 

   

 

1.    引言

 

我国西部地区因地域环境差、自然灾害多，导致其生态环境脆弱，再加上近些年人们盲目地乱垦滥伐、过度放牧等不合理的社会经济活动，使得西部地区生态环境迅速恶化，水土流失加剧，沙漠化日益严重。恶劣的生态环境直接影响着社会的可持续发展和人类的生存，已成为制约西部经济发展的瓶颈。

 

西部大开发，生态建设和环保工作是基石，是切入点，我们要按照中央提出的“退耕还林（草）、封山绿化、个体承包、以粮代赈”的综合举措，切实做好陡坡地退耕还林（草）的工作。该退耕的土地一定要退，但也不能为了显示政绩而盲目退耕。有专家指出，如果不能将退耕还林（草）的工作具体到每一个地块，退耕还林（草）的效果是很难保证的。那么25度以上必须退耕的坡耕地到底有多少？怎样才能将生态退耕的任务落实到具体的地块？退耕之后，如何来确定到底是还林还是还草？如何对退耕还林（草）的工作成果进行评价和动态监测？近几年迅速发展起来的3S技术及其集成可以帮助我们解决这些问题。

 

    2. 3S技术及其综合应用

 

所谓“3S”技术是指遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）技术的统称。3S技术及其集成是构成地球空间信息科学的技术体系中最核心的技术。

 

    2.1. 遥感（RS）技术

 

    遥感是一种非接触地快速、大面积观测地物状态的现代化手段[1]。当代遥感应用的发展具有以下特征：

 

高分辨率：遥感的分辨率体现在几何分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面。目前卫星遥感的最高几何分辨率已达到1米 X 1米，用于军事目的的遥感分辨率甚至已达到厘米级。光谱分辨率表示的是对光谱波段的细分程度，将波段分解越细，越能从地物获取更详细的信息，目前光谱分辨率最高已达到几个纳米的水平。热红外辐射计的温度分辨率也已经提高到0.1K。

 

多时相特征：随着小卫星群计划的推行，通过多颗卫星协同工作，对同一地表进行重复采样的时间间隔越来越短。比如，SPOT卫星运作体系中的三颗卫星因都能倾斜观测，使得SOPT 1—2天内就能实现对同一个地点的重复观测，这对于应付突发事件如一些自然或人为灾害（如洪水、森林大火等）具有十分重要的意义。多波段、多极化方式的雷达卫星，将能消除恶劣天气的影响，实现全天候和全天时对地观测。通过卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合，是实现多时相遥感数据获取的有力保证。

 

随着计算机技术、通讯技术、数字化技术和光学技术的进步，卫星遥感技术正在朝着高精度、多光谱、高分辨率的方向发展，遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析过渡，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向计量探索过渡[2]。

 

    2.2. 地理信息系统（GIS）技术

 

GIS是一种在计算机软硬件支持下，对空间数据进行录入编辑、存储、查询、显示和综合分析应用的技术系统。与RS的结合是GIS发展的一个新趋势，这体现在GIS是遥感图像处理和应用的技术支撑，如遥感影像的几何配准、专题要素的演变分析等，而遥感图像则是GIS的重要数据源。目前GIS的分析功能主要有网络分析、影像分析和三维分析等，网络分析用来帮助解决各类地理网络问题，如寻找最佳路径；影像分析提供了对地学影像进行处理的功能，如影像的可视化、影像增强和影像分类等；三维分析功能是用来建立、显示以及分析三维数据，如等高线的计算、坡度坡向的计算、曲表面面积及体积计算等。

 

    2.3. 全球定位系统（GPS）技术

 

GPS是一种以卫星为基础的现代定位方法。用GPS定位可以同时测定三维坐标，这将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从事后处理扩展到实时定位与导航[7]。其精度已达到厘米甚至亚毫米级，从而大大拓宽了GPS技术在各行各业的应用范围。GPS与RS结合应用，可以提高对地观测的精度，而且在时间和费用上具有无可比拟的优势。目前二者的结合主要应用于地形复杂的地区制图、地质勘探和生态环境的动态监测等方面。

 

    2.4. 3S技术的综合应用

 

RS、GIS和GPS的综合应用，可以充分发挥各自的技术优势，是实时、准确而又经济地为人们提供所需要的各种空间信息和决策辅助信息的有力手段。3S技术综合应用的基本思路是：利用RS提供最新的图像信息，利用GPS提供图像信息中的主要“位置”信息，利用GIS为图像处理、分析应用提供技术手段，三者一起紧密结合，可以为人们提供精确的基础资料，其中包括图件和文本数据[3]。

 

    3. 运用3S技术对西部土地利用类型分布状况进行调查，确定需要退耕还林（草）的具体地块

 

利用3S技术对西部土地利用现状进行本底调查，将生态退耕的任务落实到具体地块，需要经过下面介绍的几个环节。

 

    3.1. 建立矢量图形和遥感影像库

 

根据我们所做研究的总体目标和3S的技术特点，需要收集的基础资料主要是研究区域的图形资料和图像资料，以及当地的自然、经济等各方面文字形式的统计资料。

 

其中图形资料包括当地的各种地形图、行政区图、土地利用现状和植被分布等专题地图，尤其是要收集已有的电子地图，这些资料中包含着我们所必需的空间信息。收集地形图的目的主要是提取当地的高程数据以建立数字高程模型（DEM），以及对遥感图像进行几何配准和校正。为了使研究的最终成果发挥最大的效用，要求所收集的地形图具有较大的比例尺，其中的高程数据也要尽可能地精确。但考虑到我国西部广大地区地物分布较简单，采用1:50000或1:25000比例尺的地形图应该能满足需求。如果比例尺过小，可以应用GPS技术来补测数据以放大比例尺。对于坡度变化较大且等高线较稀疏的地方，也需要应用GPS技术补测数据以对等高线做加密处理。因为所有的分析和计算都是基于电子数据的，所以要通过GIS对收集到的非电子形式的图形资料数字化，建立起矢量图形库。

 

需要获取的遥感图像应该选择能够反应土地利用最新动态最容易将耕地、林地和草地判别出来的最佳时相最佳波段的数据。目前用得最多的遥感图像种类有TM图像和SPOT卫星影像。SPOT卫星具有两个重要的特点：一是能形成立体观测，以东西不同视角对同一地方进行观测所得到的一对影像通过GIS软件的自动相关处理可以直接生成DEM；二是具有指令控制编程系统，可以通过编写指令控制卫星的观测范围以满足某些特定的应用，提供了对数据可靠性的最大保障，这在同步监测、长期监测、动态监测等对数据时间、质量要求严格的应用领域非常可贵。SPOT的代表产品是它的10米分辨率的全色影像和20米分辨率的多光谱彩色影像。SPOT计划在2001年底发射的SPOT5卫星将在保持视场为60公里不变的情况下，将全色影像分辨率提高到2.5米，将多光谱影像分辨率提高到10米。与TM图像相比，SPOT影像在几何分辨率、动态监测和生成立体相对等几个方面都具有优势，因此可以选择SPOT影像作为对土地利用类型分布情况进行调查所需要的动态数据源，建立遥感影像库。

 

    3.2. 遥感图像处理和信息提取

 

（1）遥感图像的投影变换和几何纠正。在对遥感图像进行判读解译和相关分析之前，必须首先对遥感图像进行投影变换和几何纠正处理。由于遥感图像的投影方式与我国地形图普遍采用的高斯——克吕格投影方式不一样，为了保证遥感图像与地形图保持地理几何位置的一致性，必须对遥感影像进行相应的投影变换，这一过程是在对遥感图像进行几何配准的过程中完成的，即通过在遥感图像和数字化地形图上选取同名地物点，构建该地物点坐标和图像坐标之间的数学关系方程，实现遥感图像的投影变换。

 

（2）建立遥感解译的分类系统。为了指导遥感图像的判读解译，生成研究本身所需要的各种专题图，必须建立适当的土地利用分类系统。分类的原则是：要服务于资源清查，有利于达到研究的预定目标，能够较好地反映实际情况和土地利用的规律性，还要考虑到制图比例尺的大小，方便使用；要能显示出所研究区域的地理规律和土地利用特征；在高级分类上要考虑与现行国家分类系统保持一致，在低级分类上要反映当地实际情况。

 

（3）野外调查。能否根据研究目标从遥感图像中提取出所需要的信息和所提取信息的质量是3S应用的关键所在，关系到3S技术应用的成败。为了保证提取信息的精度、提高信息质量，在进行室内判读之前的野外调查工作是非常必要的。野外调查的目的是了解研究区域内不同地貌类型的土地利用状况，就分类系统规定的各种土地利用类型将遥感图像与实地做对照，总结出实地各土地利用类型在遥感图像上的成像规律和影像特征，如颜色、形状、结构、纹理和阴影等。还要研究各种地类的分布与地理条件的关系，为室内的判读分析建立感性认识。

 

（4）室内判读并生成矢量专题图。在完成野外调查熟悉了整个研究区土地利用特征后，就可以利用遥感图像处理软件，根据地物的光谱特性和样区土地利用特征所建立的解译标志，进行遥感图像的室内判读。判断直接在数字图像上进行，并选取各种地类的感兴趣区域制作分类模板，由计算机自动识别地类。考虑到现有遥感图像分辨率的限制和遥感图像处理软件进行自动分类的可靠性，为了保证分类精度，应对图像上复杂或模糊的地物点采取目视解译。

 

完成分类后，直接在遥感图像上勾绘图斑，生成或更新土地利用现状图和其它各种专题地图如耕地分布图、林地分布图等矢量图形，供以后使用。利用遥感图像生成土地利用现状图可以提高土地利用图的精度，集中反映在图面内容上是类型界线准确，图形真实，因而在面积计算和统计上比常规的实地勾绘方法精度要高，有利于生产部门使用，还解决了在那些交通不便或人们难以通行的戈壁、沼泽、海洋等地区资料收集的困难。

 

（5）对分类结果的精度评价。为了检验室内判断分类的精确度，可以在研究区域内选取若干调查点，利用GPS技术进行野外实地定点定位调查，所得资料通过GIS统一编辑后建立起研究区域调查点分类数据库，对研究区域内土地利用现状分类结果进行精度评价。

 

3.3. 建立DEM

 

建立数字高程模型（DEM）是生成三维影像地图、进行各种地形分析的基础。通常DEM数据有三个来源：用高程数据生成DEM、用SPOT立体相对图像提取DEM数据、用RADASAT立体相对图像提取DEM数据。三种DEM数据获取途径相比较，用遥感图像的立体相对提取DEM最大的优点是数据更新快，但费用较高。用SPOT立体相对提取的DEM，X、Y、Z三个方向上的误差均在10米左右[12]。从地形图提取出来的高程数据生成的DEM精度高于立体相对提取的DEM，且购买费用低，但由于受到地形图的限制，数据更新困难，仅适用于高程变化不大的地区。

 

生成了DEM，就可以利用GIS软件提供的地形分析功能进行等高线计算、曲表面面积和体积计算、坡度坡向的分析和计算等。本研究的最终目标是要落实需要生态退耕的具体地块，因此用到的主要地形分析功能是对研究区域的坡度坡向的计算。

 

    3.4. 图形、图像的叠加分析及成果表达

 

完成了对遥感图像的处理和判断分类、建立了DEM之后，下一步就进入了核心的步骤，即是对遥感图像、DEM和土地利用图、行政区图等矢量图形进行叠加分析，得到最终成果。

 

（1）坡度带的划分。在对DEM进行坡度计算时，计算某一个点的坡度是没有多少实际意义的，通常是给定一个坡度范围，由软件自动搜索坡度在该范围内的所有地块并标示出来。根据本研究的目标要求，至少要在研究区域内划分出适宜于农业耕作和人类居住的平地与缓坡地（坡度<15o）、可以部分用于农业生产和人类居住的中坡地（15o —25 o）以及不适宜农业生产和人类居住的陡坡地（>25 o）等三个坡度带，从而自动生成研究区域的坡度图，同理通过坡向计算可以生成研究区域的坡向图。

 

（2）图形、图像叠加及成果表达。因为已完成了对遥感图像的判断分类，通过对遥感图像、土地利用图、行政区图和坡度图的叠加分析，便可以清楚、直观地看出耕地、林地、草地等各种地类在各坡度带内的分布情况，得到退耕还林（草）地块分布专题图，从而将退耕还林（草）的任务落实到具体地块和具体行政区内。还可以通过GIS软件对各坡度带内的各种地类进行面积自动计算和统计，生成一系列地类面积统计表。

 

将遥感图像和土地利用图进行叠加，可以生成研究区域的影像地图。影像地图具有影像内容、线划要素、数学基础等，拥有比单纯的土地利用现状线划地图丰富得多的信息量，具有直观易读的特点，从而提高了地理信息为人们的视觉直接感知的可视化表达程度及辅助决策的准确度，在国民经济建设中有重要的应用价值。

 

通过对遥感影像和DEM数据进行处理并进行综合分析，可以生成具有三维视觉的影像图，在此基础上可以进行地貌特征、分布规律等内容的研究，还可以进行各种地类分布情况以及地类分布与地貌之间关系的分析。三维影像图是GIS与遥感图像处理技术综合集成的产物。计算机软硬件技术、图形学和图像处理技术的提高，以及数字地形模型研究方法的日趋成熟，为三维影像图的广泛应用奠定了基础。可视化飞行技术则是利用三维影像图来直观地动态观察地形的起伏变化及各种地类的分布情况，可以在真实的模拟地理环境中执行显示、查询和分析操作。用户通过设定观测方位角、观测高度、观测视角、飞行路线、飞行速度等一系列参数，以实现地貌分析及其它各种分析的目的。目前市场上流行的大多数GIS或遥感图像处理软件，如TitanGIS、ERDAS IMAGINE等，都具有三维场景模拟飞行的功能，这种可视化飞行技术对野外实地考察起到了重要的参考和指导作用。

 

    3.5. 利用遥感调查资料对还林还草做适宜性评价

 

退耕还林还草不是一件简单的事情，而是一个复杂的生态工程，客观上要求我们既要做好退耕工作，也要做好退耕之后的还林还草工作。在具体确定还林还是还草时，我们应本着科学的态度，坚持因地制宜的原则，具体说来就是要坚持“宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草”。通过遥感调查，我们不仅查清了土地利用的现状，还可以获得研究区域的有关土壤、地质等方面的信息，再结合当地的自然条件如水文、气候等因素，就可以通过GIS对土地利用做出适宜性评价，为确定还林还是还草提供科学的依据。比如，只要用户提出种树对高程、坡度、土壤类型、水文、地质、温度、降水等条件的要求，专家系统通过多因子分析或其它模型的计算就可以自动统计出符合这些条件的土地面积，并指出这些地块的分布情况，与需要退耕的地块分布专题图叠加，就可以一目了然地看出需退耕的地块可以还林还是还草。

 

    4. 对生态退耕成果的评价和动态监测

 

对西部实行生态退耕是国家针对西部日益退化的生态环境和西部大开发战略的要求所做出的重要部署，国务院在有关文件中已明确指出，为了切实推行退耕还林（草）工作，必须实行严格的目标责任制。通过前面的论述可以看出，运用3S技术可以将退耕还林（草）的任务落实到具体的地块，从而为每个行政区分配生态退耕任务，并能对需要退耕的土地还林还是还草做出适宜性评价，为相应的决策提供依据。但如何来评价退耕还林（草）任务的落实情况？为了解决这个问题，我们必须建立生态退耕成果的评价体系，并对退耕还林（草）工作进行动态监测，从宏观上实时掌握整个西部生态恢复的进展情况。

 

成果评价的内容应该包括两方面：一是退耕任务的完成情况，即该退耕的土地是否已退耕；二是还林还是还草的选择是否适宜当地的实际情况。进行成果评价的技术路线类似于上述的技术路线，其基本思路是：选择最佳波段、最佳时相的遥感图像数据，经过图像处理和判读分类之后，与已建立起来的DEM进行叠加分析，生成最新的退耕地块分布及其它专题图和相关的面积统计表。将新得到的数据与原来的调查结果相比较，便可以看出必须退耕还林（草）的土地已退耕多少，已经还了多少林和草。通过实时的动态评价还可以监测出新的植被破坏情况。

 

3S技术的迅速发展，不仅可以大力推动陡坡地的退耕还林（草）生态工程，在西部生态恢复和重建的过程中发挥不可替代的作用，在西部大开发的其它领域以及在整个国民经济的建设中同样具有广泛而深入的应用前景。3S技术在西部大开发中的重要应用价值已经引起国家的高度重视，“西部金睛行动”的正式启动就是一个明证。只要我们坚持以高新技术作为改造西部的有力工具，再造一个山川秀美的西部将指日可待。

 

    5. 问题与讨论

 

3S技术的综合应用在我国刚刚展开，退耕还林（草）又是一个规模宏大的生态工程，在具体研究3S技术在这个工程中的应用时，以下几个问题还是值得探讨的。

 

（1）资金的问题。这项以遥感技术为核心的研究工作需要大量的遥感图像和数字地图作为基础资料和信息来源，而这两种数据的价格都很高，因此必须有充足的经费作为保障。

 

（2）计算机软、硬件设备的问题。对遥感影像和数字地图的各种处理和分析都需要专业的GIS或RS软件支持，因此相关专业软件是必备的。要实现动态监测就要求实时获取新的遥感影像，因此要求有大容量的存储设备来存储这些图像数据，而且对大量的数据处理和分析也要求必须配备性能较高的计算机硬件。

 

（3）人才的问题。运用3S技术推动西部生态退耕是一个复杂的系统工程，必须配备RS、GIS专业人员以及农学、林学、生态学等各方面的人才，各专业人才相互配合、协同作战才能较好地达到预期目标。

 

（4）工作成果精度的问题。现有地形图的比例尺大小、遥感图像的几何分辨率都直接影响着遥感图像判断分类的精度，从而影响最终工作成果的精度。因此，如果现有地形图比例尺过小，必须通过补测数据放大比例尺。如果选择用遥感图像立体相对自动提取DEM数据，再考虑到遥感图像的分辨率，则最好选择SPOT影像。除此之外，通过计算机对遥感图像自动判断分类的精度也值得考虑，因此必须做好野外调查工作，建立精确的遥感解译标志，并且计算机自动分类要与目视解译相结合。判读分类完成后，还要对分类结果进行精度评价。

 

 

 

参考文献：

 

[1]     朱德海，严泰来，杨永侠，土地管理信息系统，中国农业大学出版社，2000.6。

 

[2]     李德仁，数字地球与“3S”技术，中国地理信息系统协会第五届年会论文集，1999。

 

[3]     仇肇悦，李军，郭宏俊，遥感应用技术，武汉测绘科技大学出版社，1998.10。

 

[4]     莫源富等，3S技术在我国山区生态建设中的应用——以贵州省毕节市为例，中国地理信息系统协会第五届年会论文集，1999。

 

[5]     严泰来等，精确农业的由来与发展及其在我国的应用策略，计算机与农业，2000.1。

 

[6]     林培，农业遥感，北京农业大学出版社，1990.8。

 

[7]     王素明，三维地貌影象图及可视化飞行技术研究，第四届ArcInfo暨ERDAS中国用户大会论文集，地震出版社，2000.9。

 

[8]     陈圣波，地球空间信息技术在新一轮国土资源大调查中的应用探讨，国土资源遥感，地质出版社，1999年第2期。

 

[9]     党安荣等，遥感与地理信息系统在人居环境可持续发展研究中的应用，第四届ArcInfo暨ERDAS中国用户大会论文集，地震出版社，2000.9。

 

[10]   贾文涛，刘素凤，GIS及其应用综述，计算机与农业，2000.10。

 

[11]   李登科等，延安市宝塔区植被、土地利用类型遥感调查，第四届ArcInfo暨ERDAS中国用户大会论文集，地震出版社，2000.9。

 

[12]   黄玉琪，SPOT影像的DEM自动生成，测绘通报，1998年第9期。