“3S”技术在集水高效农业工程中的应用(3S集成技术)

[关键词]集水工程分布；地理信息系统；遥感图像；全球定位系统
[摘 要]在PC ARC/INFO支持下，用数字化仪将目标地区1∶1万地形图上等高距为5m的等高线、水系、道路、行政边界等录入计算机，用遥感图像对基础数据进行纠正与更新，用全球定位系统 对集水工程及参照 物进行精确定位，实现对集水节灌工程的规划布局及合理性分析、输出相应的专题图件，取得了较好效果。对“3S”技术在高效农业其他领域的应用前影进行了展望。
[中图分类号]S274.2；N39   [文献标识码]1000-0941（2000）11-0027-02
 
甘肃省中东部半干旱地区的农业生产长期受干旱制约，土地产出低、产量不稳定、投入效益差。从90年代起，甘肃省实施的利用自然降水、集雨节灌的集水高效农业发展战略，对解决我省中东部地区人民温饱和脱贫致富发挥了重要的作用。
为了克服在集水工程规划中存在的盲目性，科学地指导工程规划与决策，我们把“3S”技术应用于定西县高泉流域和静宁县靳坪集水农业示范区的规划设计中，取得了较好的效果。
 
1  “3S”技术及系统配置要求
 
   “3S”技术包括地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）。地理信息系统就是在计算机软硬件支持下，将描述客观世界的各种数据按其地理坐标或空间位输入计算机，实现存贮、更新、查询、检索、量测运算、分析处理、综合应用及显示制图制表，对客观世界中各种具有空间特征的事物、关系和过程进行描述、分析与模拟，进而指导人类利用和改造客观世界。遥感是指利用飞机、卫星或其他飞行器作运载工具，用传感器收集目标物电磁波信息，运用物理手段、数学方法和地学规律来揭示目标物性质、形状、分布和动态变化的现代探测技术。全球定位系统是美国开发研制的现代定位技术，它由空间星座、地面控制站和用户系统组成，其中空间星座包括21颗工作卫星和3颗备用卫星，保证在全球任何地方、任何时候都可以同时观测到4颗以上的GPS卫星。用户通过接收GPS卫星信号，实时获得3维位置、3维速度和1维时间共7维数据，相对定位精度可高达厘米级。
在“3S”技术中，GIS是核心，RS和GPS为GIS提供快捷高效的数据源。只有将“3S”技术紧密结合，才能充分发挥各自的先进性能，完成空间分析与数据处理任务。因此，在实践中“3S”技术经常是集成应用的，对硬件设备和软件要求较高。硬件包括高性能计算机、数字化仪、扫描仪、绘图仪、打印机和GPS数据接收机等，软件包括操作系统、绘图仪、打印机和GPS数据接收机等，软件包括操作系统、中文平台、空间矢量数据输入、编辑和分析软件、图像处理工具软件等。
 
2  方法与步骤
 
针对在集雨高效农业工程建设中存在的集水设施选址、有限水资源合理分配等技术难题，采用空间分析手段，重点解决以小流域为单元的雨水径流集贮设施布局问题，以实现有限水资源的区位间高效调配。
2.1  基础空间信息的输入
基础空间信息输入工作是从底图开始的，工作底图采用甘肃省测绘局调绘的1∶1万地形图，主要采集了等高距为5m的等高线、高程点、自然水系和水库、渠道、道路、行政边界等信息。
操作主要过程是在PC ARC/INFO的支持下进行的。首先，将基础地图巾在数字化板上，用手扶跟踪数字化仪录入数据，当鼠标器在数字化板上移动时，可将图上的矢量线段用坐标形式读出并送至系统，得到矢量格式的地图数字化数据，形成原始矢量结构的数据文件；然后，通过屏幕结合数字化仪对矢量文件进行修改，拓扑关系自动生成，计算各类线段长度（距离）和各类多边形面积，同时通过对各多边形面的边界弧段区分，对不同空间数据特征赋予不同代码（即识别码），建立空间信息数据库；最后完成比例尺变换、图形缩放等工作。
2.2  用遥感图像对基础数据进行纠正与更新
由于基础地图的编制周期长，抽象度高，不能及时全面地反映当前或特定的地理特征，根据实际需要，必须对基础数据进行纠正和更新。利用遥感技术，可以使地图的更新周期大大缩短，地理信息系统中存储的信息及时得到更新。我们采用目标区域的近期航空影像全色黑白像片，利用扫描仪对像片进行高分辩率扫描，并储存在计算机中。通过目视判读、机助判读和外业调绘，提取有关信息，对基础空间信息进行更新，取得了最新的集水工程分布、梯田分布、新修道路和居民区的资料。
实践证明，在微机上进行计算机自动判读，可以节省大量的人力、物力，且需要的时间短、速度快。
2.3  全球定位系统对现有集水工程的精确定位
在进行遥感数据的机助判读时，需准确地对地表重要参照物的经纬度进行测量，GPS为我们提供了非常直观、迅速的定位方法。把手持式GPS数据接收仪带到现场，其显示器上会自动给出当前位置的经纬度和高程数据，将这些数据记录到存储器中，然后在室内将这些实测数据进行整理，并输入计算机。
2.4  属性数据的采集与录入
为了对集水高效农业实现科学化与定量化的管理，还需了解目标区域的自然、社会、经济等属性数据，为此我们收集了当地的农业气象数据，包括降雨量、降雨时间、蒸发量、日照时间等，还对目标区域人口、农业土地资源利用及其他有关社会、经济数据进行了调查。将整理后的属性数据通过PC ARC/INFO的TABELS子模块录入计算机，建立空间数据与属性数据的链接，形成了较为完整的数据库模型。
2.5  空间分析
将矢量化的等高线数据在PCI软件的支持下进行栅格化转换，建立目标区域的数字高程模型（DEM），根据地形计算局部地区的降水总收集潜力，绘制出空间分布图。考虑到地表覆盖物的影响，我们结合当地情况，通过植被模型 和气象资料制定了集雨节灌的空间规划图，将规划图与现有集水工程分布图进行叠加，可直观地分析现有集水工程分布的合理性。
另一方面，为了使有限的水资源发挥最大的效益，我们未定对集存雨水的田间分配方案进行了探索，根据现有工程潜在和实际的贮水量，结合理论补灌面积和实际补灌面积进行分析，并绘制出了相应的分布图。
 
3  讨论
 
（1）“3S”技术已在资源管理、生态环保、基础建设、灾害预防与监测、军事等领域得到广泛应用，相信这一高新技术在集雨节灌工程中的应用必将为西北干旱21世纪农业发展做出贡献。
（2）可以探讨利用微波遥感数据确定最佳补灌时间，通过农田水分与能量平稳模型，进行实时监测，在降水不足威胁作物生长时，及时适量补灌。这对于经常面临旱灾威胁的半干旱雨养农业区的农业生产是有积极作用的。
（3）在农业领域，“3S”技术和决策支持系统（DSS）的结合已是大势所趋。农作物栽培的决策支持系统 是一个对农作物进行栽培管理的计算机应用系统，可以对作物的品种、施肥、水分及其他环境因子的作用进行模拟、预测、咨询等。地理信息系统与决策支持系统的结合，可以实现数据共享，发挥各自的优越性能，将集水高效农业推向一个更高的水平。
（4）“3S”技术在集水高效农业及其他领域的应用前景十分广阔，随着高性能对地观测卫星、导航卫星和遥感手段的多样化，它们所提供信息的精确度将会大大提高，时效性也会大大增强；同时，用于处理遥感图像和空间信息的GIS软件设计水平也呈日新月异的态势，向着人性化、直观化的方向发展，非专业人员经适当培训，也能掌握和使用。加上现实的农业科研和开发对高新技术的迫切要求，“3S”技术将会得到越来越普及。