GIS在水土保持规划设计中的应用

G I S在水土保持规划设计中的应用

王　勇1,鄢铁平2,刘岩松3

(1.中国地质大学信息工程学院,湖北武汉430074;

2.湖北省水利厅水土保持处,湖北武汉430074;

3.武汉风雅科技有限公司,湖北武汉430074)

[关键词]水土保持;GI S;数字高程模型

[摘　要]地理信息系统(GI S)作为集计算机科学、地理学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的学科,可为水土保持规划设计与管理提供强有力的技术手段支持。在介绍了GI S在水土保持规划设计中的应用背景和目标的基础上,详细介绍了数字高程模型和时态GI S这两项关键技术在水土保持规划设计中的应用。阐述了如何根据数字高程模型自动生成小班的高程、坡度和坡向,以及利用时态GI S对土地利用规划情况、规划治理措施完成情况等进行动态模拟分析的原理。

[中图分类号]S157.2;TP391.41 [文献标识码]C [文章编号]1000-0941(2005)10-0035-02

随着国家对生态环境建设的高度重视,治理水土流失、改善生态环境呈现出大发展的新局面,水土保持作为生态环境建设的主体工程,也面临着前所未有的发展机遇。特别是国家实施的西部大开发战略,把治理水土流失、改善生态环境作为一项重要举措,必将进一步加快生态环境建设步伐。如何提高水土保持规划设计和管理水平、如何规范项目建设程序,是水土保持部门面临的重要课题[1]。

利用目前成熟的计算机和网络技术,实现对水土保持信息获取、分析、管理、检索的高度自动化,实现水土保持规划设计与管理手段现代化已经成为可能。与此同时,水土保持规划设计与管理对数据处理、图形显示与输出提出了较高要求,而地理信息系统(GI S)作为集计算机科学、地理学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的学科[2],可为水土保持规划设计与管理提供强有力的技术手段支持。在水土保持规划设计中引入GI S技术,可提高规划设计成果的标准化、专业化程度并提高工作效率。

我们研究的内容主要有以下几个方面:①水土保持规划业务建模。根据水土保持规划的国家规范和管理办法以及业务需求,提炼出水土保持规划业务模型,结合计算机技术、GI S技术,保证水保规划设计的各个阶段实现自动化、专业化。②高效规划设计图件编制。提供方便灵活的图形编辑功能,可根据其小班的基本信息自动生成各类专题图件,根据国家和行业标准,提供标准化的图示和图例。③更加专业化的水土保持规划设计可视化界面开发。将GI S与M I S紧密结合,将水土保持规划设计与管理融为一体,实现图文互动,提供一个水土保持规划设计的办公平台。④规范化的数据体系建设。实现水土保持规划设计数据的统一管理、资源共享,从而满足各职能部门对数据的需求。这里主要介绍数字高程模型(DE M)和时态GI S 这两项关键技术在水土保持规划中的应用。1　数字高程模型在水土保持规划设计中的应用

水土保持小流域综合治理的最小单位是小班,其属性内容包括编号、面积、高程、坡度、坡向、地貌部位、基岩种类、土壤质地、土地利用现状、土壤侵蚀类型、土壤侵蚀强度等因子,这些因子为水土保持规划设计提供了最基本的数据源,是规划设计工作中最基础、最重要的分析处理对象。高程、坡度和坡向是小班属性中非常重要的因子。其中,高程包括最大高程、最小高程和平均高程,反映了小班的海拔高程、相对高差、地形情况等因素;坡向记录了坡的倾斜方向,对水土保持规划有一定的参考作用;坡度对水土保持规划设计具有决定性的作用,是土地利用规划和治理措施规划首先要考虑的因素。如何利用数字高程模型计算上面三个主要参数是下面要阐述的问题。

按照以往的做法,这些重要因子,都是在野外通过仪器测量得到的,费时费力。特别是坡度,有的甚至是通过肉眼估算的值,精度非常低,有时甚至产生错误。基于这些精度很低的数据来进行规划,成本较高,同时会造成不合理甚至错误的情况发生,对水土保持造成不利影响。为了解决这一难题,我们使用数字高程模型分析和空间叠加分析,实现小班高程、坡度和坡向的自动生成。

我们先通过扫描地形图和土地利用现状图得到光栅图像,然后进行矢量化,得到矢量化的等高线和小班数据。再通过高程自动赋值给所有等高线赋予了高程值,然后进入矢量地图库进行相邻图幅等高线和小班边界的接边处理。最后,对等高线进行裁剪输出,可以得到小流域范围内的等高线;对小班边界进行拓扑处理,可以得到小流域的所有小班区域。按下面的流程计算出小班的高程、坡度和坡向。

(1)通过DE M分析,对等高线使用三角网法进行栅格化,生成规则格网高程数据文件(3.grd)。如果地形图的比例尺为1∶10000,为了保证这些值的精确度,系统可采用5m的网

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中国水土保持S WCC　2005年第10期

格间距生成离散数据点[3]。

(2)使用遍历算法,对这些离散数据点逐点进行提取和分析,采集其高程、坡度和坡向等数据,生成数据集。

(3)使用GI S 空间叠加分析算法,将规则格网高程数据文

件与小班区域进行空间叠加分析,将数据集中的离散数据点逐点映射到小班的不同区域上,生成各个小班的离散数据点集。

(4)最后,对流域内的所有小班进行一维遍历,对每个小班

的所有离散数据点进行二维遍历,通过对离散数据的区域分析、统计,生成每个小班上的最大高程、最小高程、平均高程以及坡度和坡向。

小班的高程、坡度、坡向计算过程如图1所示

。

图1　小班的高程、坡度和坡向计算过程

以上求得的数据是水土保持规划设计最基本的数据源,是规划设计工作中最基础、最重要的数据,这些数据可以直接利用在土壤侵蚀分析、土地资源评价、土地利用规划、治理措施规划等水土保持规划设计工作中。

2　时态GI S 在水土保持规划设计中的应用

水土保持规划设计完成后即进入项目实施阶段。在项目实施阶段和项目完成后,需要动态跟踪水土保持项目的治理成果,对土地利用规划情况、规划治理措施完成情况等进行模拟和动态分析,这需要一个有效的分析工具,能够直观、准确、方便地对水土保持成果进行演示、分析和监督等,对规划设计方案作出调整。使用时态GI S 技术对水土保持规划治理成果进行动态演示,建立了水土保持矢量型时空数据库模型,是水土保持规划系统的另一关键技术之一。

传统无时间概念的GI S 中的数据,只能是现实世界在某个时刻的“快照”。时态GI S 就是要在GI S 中考虑时间变化的概念,在原有GI S 的基础上加入时间变量而构成的GI S [4]。其关键问题是建立合适的时间与空间联合的数据模型———时空数据模型,即时空数据库。目前较有代表性的时空数据组织方法有以下3种:

⑴时间作为新的一维。这是在概念上最直观的方法,该方法把时间作为信息空间中的一维。主要有两种表示方式:一是使用三维的地理矩阵,以位置、属性和时间分别作为矩阵的行、列和高;二是与四叉树、八叉树类似,用16叉树表示时间—空间模型。因为目标的空间和属性的变化总是局部的,所以这种表示方法数据冗余度较大[5]。

⑵基态修正法。不存储研究区域中每个状态的全部信息,只存储某个时刻的数据状态(基态),以及相对于基态的变化量。基态修正法可使时态数据量大大减少。在基态修正法中,一般把历史上某个历史事件后的状态作为“基态”,把用户最关注的“现在”状态,即系统最后一次更新的数据状态,称为“现状”。

⑶时空复合法。将时空分割为具有相同时空过程的最大

单元,称为时空单元,每个时空单元在存储方法上被看成静态的空间,而该时空单元中的时空过程则作为属性来存储。

我们将现势性数据称为“现状”,“现状”以前的数据称为“历史”,对时态数据的管理就是对历史数据的管理。历史数据的管理采用“元组级基态修正法”,该方法是在基态修正法的基础上改良得到的[6]。在初始时刻记录完整的历史数据集,通过初始状态和元组级历史数据正向推演出任意时刻的数据集。完整的历史数据集是数据集在某一历史时刻的“快照”,为了不使任意时刻数据状态的推演过程太长,在历史数据纪录累计到一定程度时,自动建立一个数据“快照”。

建立了整个小流域的时空数据库后,就可以对土地利用规划情况、规划治理措施完成情况等模拟动态过程,对属性变化、静态空间分布、静态时间变化和动态时间变化这四种变化进行分析演示。

3　结　语

以地理信息系统为平台的水土保持规划设计过程,实际上是在GI S 环境支持下的水土保持数据库的建设过程和水土保持规划图件的绘制过程。利用GI S 数据库作为输入源,进行多重操作,产生派生数据,实现对小流域自然地理状况和社会经济状况的概括和模拟,突出流域专题要素的结构和相互关系。通过对GI S 数据进行图形表达和概括处理,进而生成符合制图规范和可视化的图件。这种数字化的空间信息远远超过以往静止的地图所包含的信息,具有更新快捷、查询方便等优点。

以地理信息系统为平台的水土保持规划设计过程可以实现真正意义上的“全电子化的水土保持规划设计报告”。水土保持规划设计报告要求的内容,均在设计过程中形成了高度集成、一体化的格式,大大减少了投入成本,缩短了规划设计周期。另外,以地理信息系统为平台的水土保持设计过程给水土保持规划设计成果的上报、审核带来了历史性的变革。我们完全可以摒弃纸介质的文字、报表和图件,使用高度一体化的电子格式,从而给水土保持规划设计成果的汇总带来历史性的变革。上级水土保持部门,可以将下级水土保持部(下转第41页)

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63?中国水土保持S WCC 2005年第10期

系统的破坏主要表现在河流廊道连通性遭到破坏、水质严重恶化、生物多样性被破坏(如茭草等单一物种过度生长)等方面。要重建一个健康的河流生态系统,除对内外源污染进行控制外,还必须恢复生物的多样性,重建生态链。

水生生物是构成水体生态系统的最关键要素,包括水生植被、水生动物和微生物。水生植被在生长过程中能吸收水体和底泥中的营养盐,其庞大的根系又是大量微生物以生物膜形式附着的好介质。微生物可将排入水中的有机污染物分解为无机物进入食物链,从而实现水体的自净。通过对各类漂浮植物、浮叶植物、挺水植物和沉水植物等水生植被的恢复和重建,合理分配水体营养盐,可以避免单一优势物种过度生长,减少生物填平作用,延缓沼泽化进程[14]。需要注意的是,水生植被的修复必须以内外源污染的有效控制为前提[15,16]。对农村富营养化河流水体进行修复,传统的生物操纵法并不适用,但有选择性地放养鱼类对于重建农村河流的生态链也是必须的。

4　结　语

在污染物向大型河流和湖泊迁移的过程中,利用农村河流的环境容量,对污染物加以截留和去除,是控制农村面源污染的一条经济可行的途径。通过治理内源污染、控制外源污染排放和对水生生物进行修复,可以有效地提高河流的水环境容量,增强其自净能力,从而实现对农村面源污染的控制。

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p r oving water quality in a hypertr ophic shall ow lake in Hubei Pr ovince China[J].Eco Engineering,2001,18:147～156. [作者简介]孙宇(1979-),男,江苏无锡市人,硕士,从事水利水电工程建设监理工作。

[收稿日期]2005-03-31

(责任编辑　赵文礼)

(上接第36页)门的电子报告成果进行汇总,建立水土保持信息库。通过不断的补充、完善,最终将建成区域性或全国性的水土保持空间数据库、水土保持电子报表数据库和水土保持电子文档数据库。

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[作者简介]王勇(1971-),男(满族),辽宁铁岭市人,讲师,博士研究生,从事地理信息系统应用研究及开发工作。[收稿日期]2005-05-31

(责任编辑　孙占锋)

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孙宇等:利用河流的环境容量控制太湖流域农村面源污染

S O I L AN D W ATER

CO NSERVAT I O N I N CH I NA

No.10(283)2005

Abstracts

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Su mmary of“948”So il and W a ter Con serva ti on Ecolog i ca l Project J I A O Ju2ren

(M inistry of W ater Res ources,Beijing100053,China)(1) Soil and water conservati on ecol ogical building needs scientific and technical support and science and technol ogy shall be p racticed in the main battlefield of ecol ogical building.It shall actively intr oduce foreign techniques and upgrade s oil and water conservati on ecol ogical building by seizing the opportunity of i m p le menting State“948”Pr oject.Upper and M iddle Reaches Ad m inistrati on of the Yell ow R iver and ChangjiangW ater Res ources Comm issi on has made contributi ons t o the innovati on of s oil and water conservati on science and technol ogy thr ough app licati on of“3S”technol ogy.Sea Buckthorn Devel opment and Ad m inistrative Center of the M inistry ofW ater Res ources(MWR) refines flavone fr om Sea Buckthorn and op ti m izes the i m p r oved variety of Sea Buckthorn,establishes a breeding base and accelerates the de2 vel opment of Sea Buckthorn industry t ogether with related p r ovinces.Scientific and Technical Extensi on Center of MWR,China I nstitute of W ater Res ources&Hydr opower Research,Nanjing I nstitute of Hydraulic Research,I nstitute of S oil and W ater Conservati on Research and line depart m ents have innovated integrated technol ogy of p reventi on and contr ol for s oil and water l oss in line with l ocal conditi ons,expanded service area and i m p r oved ecol ogical envir on ment.The benefits of each intr oduced p r oject are re markable,experiences and p ractice can be used for reference and its enlighten ment and influence are far2reaching.

Key W ords:“3S”technol ogy;s oil and water conservati on;ecol ogical p r oject;science and technol ogy;“948”Pr oject

Character isti cs of Surface Runoff and Its Nutr i en t L oss of Trees(Bam boo)+Gra ss Rehab ilit a ti on a t an Early St age ………………………………………………………………………………………

ZHANG Xue2quan1,2,HU Ting2xing1,L IW ei1,et al.

(1.Sichuan Agricultural University,Ya’an,Sichuan625014,China;2.Xichang Collage,Xichang,Sichuan615013,China)(25)

It tests and studies the efficiency of s oil and water conservati on in different configurati on modes of returning land for far m ing t o forestry in high p reci p itati on regi on of west China.It educes that the vegetati on rehabilitati on pattern of ba mboo+grass can effectively reduce the surface runoff after not p lanting cr op s for three years,er osive rainfall and nu mber of rainfall events are notably less than that of the far m land and the quantity and concentrati on of surface runoff nutrient l oss of returning land for far m ing are als o s ome what reduced;the functi on of baby B irch+Tall He marthria vegetati on syste m is not as obvi ous as the mode of ba mboo+Tall He marthria and;the nutrient concentrati on of runoff in l ow runoff is higher and it shall pay attenti on t o the structural incubati on and op ti m izati on of s oil syste m f or reducing nutrient l oss as less as possible.

Key W ords:returning land for far m ing t o f orestry;p reci p itati on;surface runoff;nutrient;characteristic of l oss

Est ablish m en t of W a ter Accu m ul a ti on and D ebr is2Ret a i n i n g I ndex System of So il and W a ter Con serva ti on i n Gulli ed L oess ……………………………………………………………………

Pl a teaus K ANG L ing2ling1,S UN Xiao2quan2,BAO Hong2zhe1,et al.

(1.I nstitute of Hydraulic Research,YRCC,Zhengzhou,Henan450003,China;

2.Henan Pr ovincialMetr ol ogicalMeasuring I nstitute,Zhengzhou,Henan450003,China)(27)

It establishes an water accu mulati on and debris2retaining index syste m of s oil and water conservati on measures for the regi on based on the study achieve ments bef ore,conclusi on of the basic train of thought of establishing the index syste m,the p rinci p les of revealing difference, foll owing integrity,putting stress on accuracy and being established in operability and combining with the natural conditi ons of gullied l oess p lateaus.The debris2retaining index of terraced fields,afforestati on and p lanting grasses of gullied l oess p lateaus is s maller than that of the index value of corres ponding measures in gullied r olling l oess area and the index value of water accu mulati on of terraced fields is mostly be2 t w een the1st,2nd and5th sub2areas of gullied r olling l oess area.It puts for ward the main working step s for app lying the index syste m. Key W ords:s oil and water conservati on measures;water accu mulati on benefits;debris2retaining benefits;index syste m;gullied l oess p lateaus

Appli ca ti on of G I S Techn i ques to So il and W a ter Con serva ti on Pl ann i n g and D esi gn

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WANG Yong1,Y AN Tie2p ing2,L I U Yan2s ong3(1.China University of Geosciences,W uhan,Hubei430074,China;

2.HubeiW ater Res ources Depart m ent,W uhan,Hubei430074,China;

3.W uhan Fengya L i m ited Company of Science and Technol ogy,W uhan,Hubei430074,China)(35)

Being as an integrated disci p line of incor porating the sciences of computer,geography,envir on ment,urban,s pace,inf or mati on and management,GI S can p r ovide powerful technical support for the p lanning,design and manage ment of s oil and water conservati on.The paper intr oduces the app licati on of the t w o key techniques of digital elevati on model and ti m e posture GI S t o the p lanning and design of s oil and wa2 ter conservati on in a detailed way based on the app licati on backgr ound and objectives of GI S t o the p lanning and design of s oil and water con2 servati on.It elaborates that how t o aut omatically generate elevati on,sl ope,sl ope directi on of a sub2l ot and how t o dyna m ically si m ulate and analyze the p rinci p les of land utilizati on p lanning and the comp leti on of p lanning and contr ol measures by utilizing ti m e posture GI S.

Key W ords:s oil and water conservati on;GI S;digital elevati on model