“3S”技術(shù)在集水高效農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用

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[關(guān)鍵詞]集水工程分布；地理信息系統(tǒng)；遙感圖像；全球定位系統(tǒng)
[摘 要]在PC ARC/INFO支持下，用數(shù)字化儀將目標(biāo)地區(qū)1∶1萬(wàn)地形圖上等高距為5m的等高線、水系、道路、行政邊界等錄入計(jì)算機(jī)，用遙感圖像對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正與更新，用全球定位系統(tǒng) 對(duì)集水工程及參照 物進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)集水節(jié)灌工程的規(guī)劃布局及合理性分析、輸出相應(yīng)的專(zhuān)題圖件，取得了較好效果。對(duì)“3S”技術(shù)在高效農(nóng)業(yè)其他領(lǐng)域的應(yīng)用前影進(jìn)行了展望。
[中圖分類(lèi)號(hào)]S274.2；N39   [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]1000-0941（2000）11-0027-02
 
甘肅省中東部半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期受干旱制約，土地產(chǎn)出低、產(chǎn)量不穩(wěn)定、投入效益差。從90年代起，甘肅省實(shí)施的利用自然降水、集雨節(jié)灌的集水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)解決我省中東部地區(qū)人民溫飽和脫貧致富發(fā)揮了重要的作用。
為了克服在集水工程規(guī)劃中存在的盲目性，科學(xué)地指導(dǎo)工程規(guī)劃與決策，我們把“3S”技術(shù)應(yīng)用于定西縣高泉流域和靜寧縣靳坪集水農(nóng)業(yè)示范區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，取得了較好的效果。
 
1  “3S”技術(shù)及系統(tǒng)配置要求
 
   “3S”技術(shù)包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）。地理信息系統(tǒng)就是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，將描述客觀世界的各種數(shù)據(jù)按其地理坐標(biāo)或空間位輸入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)存貯、更新、查詢、檢索、量測(cè)運(yùn)算、分析處理、綜合應(yīng)用及顯示制圖制表，對(duì)客觀世界中各種具有空間特征的事物、關(guān)系和過(guò)程進(jìn)行描述、分析與模擬，進(jìn)而指導(dǎo)人類(lèi)利用和改造客觀世界。遙感是指利用飛機(jī)、衛(wèi)星或其他飛行器作運(yùn)載工具，用傳感器收集目標(biāo)物電磁波信息，運(yùn)用物理手段、數(shù)學(xué)方法和地學(xué)規(guī)律來(lái)揭示目標(biāo)物性質(zhì)、形狀、分布和動(dòng)態(tài)變化的現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)。全球定位系統(tǒng)是美國(guó)開(kāi)發(fā)研制的現(xiàn)代定位技術(shù)，它由空間星座、地面控制站和用戶系統(tǒng)組成，其中空間星座包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，保證在全球任何地方、任何時(shí)候都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的GPS衛(wèi)星。用戶通過(guò)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)時(shí)獲得3維位置、3維速度和1維時(shí)間共7維數(shù)據(jù)，相對(duì)定位精度可高達(dá)厘米級(jí)。
在“3S”技術(shù)中，GIS是核心，RS和GPS為GIS提供快捷高效的數(shù)據(jù)源。只有將“3S”技術(shù)緊密結(jié)合，才能充分發(fā)揮各自的先進(jìn)性能，完成空間分析與數(shù)據(jù)處理任務(wù)。因此，在實(shí)踐中“3S”技術(shù)經(jīng)常是集成應(yīng)用的，對(duì)硬件設(shè)備和軟件要求較高。硬件包括高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)字化儀、掃描儀、繪圖儀、打印機(jī)和GPS數(shù)據(jù)接收機(jī)等，軟件包括操作系統(tǒng)、繪圖儀、打印機(jī)和GPS數(shù)據(jù)接收機(jī)等，軟件包括操作系統(tǒng)、中文平臺(tái)、空間矢量數(shù)據(jù)輸入、編輯和分析軟件、圖像處理工具軟件等。
 
2  方法與步驟
 
針對(duì)在集雨高效農(nóng)業(yè)工程建設(shè)中存在的集水設(shè)施選址、有限水資源合理分配等技術(shù)難題，采用空間分析手段，重點(diǎn)解決以小流域?yàn)閱卧挠晁畯搅骷A設(shè)施布局問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)有限水資源的區(qū)位間高效調(diào)配。
2.1  基礎(chǔ)空間信息的輸入
基礎(chǔ)空間信息輸入工作是從底圖開(kāi)始的，工作底圖采用甘肅省測(cè)繪局調(diào)繪的1∶1萬(wàn)地形圖，主要采集了等高距為5m的等高線、高程點(diǎn)、自然水系和水庫(kù)、渠道、道路、行政邊界等信息。
操作主要過(guò)程是在PC ARC/INFO的支持下進(jìn)行的。首先，將基礎(chǔ)地圖巾在數(shù)字化板上，用手扶跟蹤數(shù)字化儀錄入數(shù)據(jù)，當(dāng)鼠標(biāo)器在數(shù)字化板上移動(dòng)時(shí)，可將圖上的矢量線段用坐標(biāo)形式讀出并送至系統(tǒng)，得到矢量格式的地圖數(shù)字化數(shù)據(jù)，形成原始矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)文件；然后，通過(guò)屏幕結(jié)合數(shù)字化儀對(duì)矢量文件進(jìn)行修改，拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)生成，計(jì)算各類(lèi)線段長(zhǎng)度（距離）和各類(lèi)多邊形面積，同時(shí)通過(guò)對(duì)各多邊形面的邊界弧段區(qū)分，對(duì)不同空間數(shù)據(jù)特征賦予不同代碼（即識(shí)別碼），建立空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)；最后完成比例尺變換、圖形縮放等工作。
2.2  用遙感圖像對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正與更新
由于基礎(chǔ)地圖的編制周期長(zhǎng)，抽象度高，不能及時(shí)全面地反映當(dāng)前或特定的地理特征，根據(jù)實(shí)際需要，必須對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正和更新。利用遙感技術(shù)，可以使地圖的更新周期大大縮短，地理信息系統(tǒng)中存儲(chǔ)的信息及時(shí)得到更新。我們采用目標(biāo)區(qū)域的近期航空影像全色黑白像片，利用掃描儀對(duì)像片進(jìn)行高分辯率掃描，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。通過(guò)目視判讀、機(jī)助判讀和外業(yè)調(diào)繪，提取有關(guān)信息，對(duì)基礎(chǔ)空間信息進(jìn)行更新，取得了最新的集水工程分布、梯田分布、新修道路和居民區(qū)的資料。
實(shí)踐證明，在微機(jī)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀，可以節(jié)省大量的人力、物力，且需要的時(shí)間短、速度快。
2.3  全球定位系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有集水工程的精確定位
在進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)的機(jī)助判讀時(shí)，需準(zhǔn)確地對(duì)地表重要參照物的經(jīng)緯度進(jìn)行測(cè)量，GPS為我們提供了非常直觀、迅速的定位方法。把手持式GPS數(shù)據(jù)接收儀帶到現(xiàn)場(chǎng)，其顯示器上會(huì)自動(dòng)給出當(dāng)前位置的經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)記錄到存儲(chǔ)器中，然后在室內(nèi)將這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并輸入計(jì)算機(jī)。
2.4  屬性數(shù)據(jù)的采集與錄入
為了對(duì)集水高效農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化與定量化的管理，還需了解目標(biāo)區(qū)域的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等屬性數(shù)據(jù)，為此我們收集了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)，包括降雨量、降雨時(shí)間、蒸發(fā)量、日照時(shí)間等，還對(duì)目標(biāo)區(qū)域人口、農(nóng)業(yè)土地資源利用及其他有關(guān)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)查。將整理后的屬性數(shù)據(jù)通過(guò)PC ARC/INFO的TABELS子模塊錄入計(jì)算機(jī)，建立空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的鏈接，形成了較為完整的數(shù)據(jù)庫(kù)模型。
2.5  空間分析
將矢量化的等高線數(shù)據(jù)在PCI軟件的支持下進(jìn)行柵格化轉(zhuǎn)換，建立目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM），根據(jù)地形計(jì)算局部地區(qū)的降水總收集潛力，繪制出空間分布圖?？紤]到地表覆蓋物的影響，我們結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，通過(guò)植被模型 和氣象資料制定了集雨節(jié)灌的空間規(guī)劃圖，將規(guī)劃圖與現(xiàn)有集水工程分布圖進(jìn)行疊加，可直觀地分析現(xiàn)有集水工程分布的合理性。
另一方面，為了使有限的水資源發(fā)揮最大的效益，我們未定對(duì)集存雨水的田間分配方案進(jìn)行了探索，根據(jù)現(xiàn)有工程潛在和實(shí)際的貯水量，結(jié)合理論補(bǔ)灌面積和實(shí)際補(bǔ)灌面積進(jìn)行分析，并繪制出了相應(yīng)的分布圖。
 
3  討論
 
（1）“3S”技術(shù)已在資源管理、生態(tài)環(huán)保、基礎(chǔ)建設(shè)、災(zāi)害預(yù)防與監(jiān)測(cè)、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，相信這一高新技術(shù)在集雨節(jié)灌工程中的應(yīng)用必將為西北干旱21世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
（2）可以探討利用微波遙感數(shù)據(jù)確定最佳補(bǔ)灌時(shí)間，通過(guò)農(nóng)田水分與能量平穩(wěn)模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在降水不足威脅作物生長(zhǎng)時(shí)，及時(shí)適量補(bǔ)灌。這對(duì)于經(jīng)常面臨旱災(zāi)威脅的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有積極作用的。
（3）在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，“3S”技術(shù)和決策支持系統(tǒng)（DSS）的結(jié)合已是大勢(shì)所趨。農(nóng)作物栽培的決策支持系統(tǒng) 是一個(gè)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行栽培管理的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，可以對(duì)作物的品種、施肥、水分及其他環(huán)境因子的作用進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)、咨詢等。地理信息系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，發(fā)揮各自的優(yōu)越性能，將集水高效農(nóng)業(yè)推向一個(gè)更高的水平。
（4）“3S”技術(shù)在集水高效農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，隨著高性能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感手段的多樣化，它們所提供信息的精確度將會(huì)大大提高，時(shí)效性也會(huì)大大增強(qiáng)；同時(shí)，用于處理遙感圖像和空間信息的GIS軟件設(shè)計(jì)水平也呈日新月異的態(tài)勢(shì)，向著人性化、直觀化的方向發(fā)展，非專(zhuān)業(yè)人員經(jīng)適當(dāng)培訓(xùn)，也能掌握和使用。加上現(xiàn)實(shí)的農(nóng)業(yè)科研和開(kāi)發(fā)對(duì)高新技術(shù)的迫切要求，“3S”技術(shù)將會(huì)得到越來(lái)越普及。