“3S”技術在集水高效農業(yè)工程中的應用

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[關鍵詞]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，用數字化儀將目標地區(qū)1∶1萬地形圖上等高距為5m的等高線、水系、道路、行政邊界等錄入計算機，用遙感圖像對基礎數據進行糾正與更新，用全球定位系統(tǒng) 對集水工程及參照 物進行精確定位，實現對集水節(jié)灌工程的規(guī)劃布局及合理性分析、輸出相應的專題圖件，取得了較好效果。對“3S”技術在高效農業(yè)其他領域的應用前影進行了展望。
[中圖分類號]S274.2；N39   [文獻標識碼]1000-0941（2000）11-0027-02
 
甘肅省中東部半干旱地區(qū)的農業(yè)生產長期受干旱制約，土地產出低、產量不穩(wěn)定、投入效益差。從90年代起，甘肅省實施的利用自然降水、集雨節(jié)灌的集水高效農業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，對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，科學地指導工程規(guī)劃與決策，我們把“3S”技術應用于定西縣高泉流域和靜寧縣靳坪集水農業(yè)示范區(qū)的規(guī)劃設計中，取得了較好的效果。
 
1  “3S”技術及系統(tǒng)配置要求
 
   “3S”技術包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）。地理信息系統(tǒng)就是在計算機軟硬件支持下，將描述客觀世界的各種數據按其地理坐標或空間位輸入計算機，實現存貯、更新、查詢、檢索、量測運算、分析處理、綜合應用及顯示制圖制表，對客觀世界中各種具有空間特征的事物、關系和過程進行描述、分析與模擬，進而指導人類利用和改造客觀世界。遙感是指利用飛機、衛(wèi)星或其他飛行器作運載工具，用傳感器收集目標物電磁波信息，運用物理手段、數學方法和地學規(guī)律來揭示目標物性質、形狀、分布和動態(tài)變化的現代探測技術。全球定位系統(tǒng)是美國開發(fā)研制的現代定位技術，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、任何時候都可以同時觀測到4顆以上的GPS衛(wèi)星。用戶通過接收GPS衛(wèi)星信號，實時獲得3維位置、3維速度和1維時間共7維數據，相對定位精度可高達厘米級。
在“3S”技術中，GIS是核心，RS和GPS為GIS提供快捷高效的數據源。只有將“3S”技術緊密結合，才能充分發(fā)揮各自的先進性能，完成空間分析與數據處理任務。因此，在實踐中“3S”技術經常是集成應用的，對硬件設備和軟件要求較高。硬件包括高性能計算機、數字化儀、掃描儀、繪圖儀、打印機和GPS數據接收機等，軟件包括操作系統(tǒng)、繪圖儀、打印機和GPS數據接收機等，軟件包括操作系統(tǒng)、中文平臺、空間矢量數據輸入、編輯和分析軟件、圖像處理工具軟件等。
 
2  方法與步驟
 
針對在集雨高效農業(yè)工程建設中存在的集水設施選址、有限水資源合理分配等技術難題，采用空間分析手段，重點解決以小流域為單元的雨水徑流集貯設施布局問題，以實現有限水資源的區(qū)位間高效調配。
2.1  基礎空間信息的輸入
基礎空間信息輸入工作是從底圖開始的，工作底圖采用甘肅省測繪局調繪的1∶1萬地形圖，主要采集了等高距為5m的等高線、高程點、自然水系和水庫、渠道、道路、行政邊界等信息。
操作主要過程是在PC ARC/INFO的支持下進行的。首先，將基礎地圖巾在數字化板上，用手扶跟蹤數字化儀錄入數據，當鼠標器在數字化板上移動時，可將圖上的矢量線段用坐標形式讀出并送至系統(tǒng)，得到矢量格式的地圖數字化數據，形成原始矢量結構的數據文件；然后，通過屏幕結合數字化儀對矢量文件進行修改，拓撲關系自動生成，計算各類線段長度（距離）和各類多邊形面積，同時通過對各多邊形面的邊界弧段區(qū)分，對不同空間數據特征賦予不同代碼（即識別碼），建立空間信息數據庫；最后完成比例尺變換、圖形縮放等工作。
2.2  用遙感圖像對基礎數據進行糾正與更新
由于基礎地圖的編制周期長，抽象度高，不能及時全面地反映當前或特定的地理特征，根據實際需要，必須對基礎數據進行糾正和更新。利用遙感技術，可以使地圖的更新周期大大縮短，地理信息系統(tǒng)中存儲的信息及時得到更新。我們采用目標區(qū)域的近期航空影像全色黑白像片，利用掃描儀對像片進行高分辯率掃描，并儲存在計算機中。通過目視判讀、機助判讀和外業(yè)調繪，提取有關信息，對基礎空間信息進行更新，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。
實踐證明，在微機上進行計算機自動判讀，可以節(jié)省大量的人力、物力，且需要的時間短、速度快。
2.3  全球定位系統(tǒng)對現有集水工程的精確定位
在進行遙感數據的機助判讀時，需準確地對地表重要參照物的經緯度進行測量，GPS為我們提供了非常直觀、迅速的定位方法。把手持式GPS數據接收儀帶到現場，其顯示器上會自動給出當前位置的經緯度和高程數據，將這些數據記錄到存儲器中，然后在室內將這些實測數據進行整理，并輸入計算機。
2.4  屬性數據的采集與錄入
為了對集水高效農業(yè)實現科學化與定量化的管理，還需了解目標區(qū)域的自然、社會、經濟等屬性數據，為此我們收集了當地的農業(yè)氣象數據，包括降雨量、降雨時間、蒸發(fā)量、日照時間等，還對目標區(qū)域人口、農業(yè)土地資源利用及其他有關社會、經濟數據進行了調查。將整理后的屬性數據通過PC ARC/INFO的TABELS子模塊錄入計算機，建立空間數據與屬性數據的鏈接，形成了較為完整的數據庫模型。
2.5  空間分析
將矢量化的等高線數據在PCI軟件的支持下進行柵格化轉換，建立目標區(qū)域的數字高程模型（DEM），根據地形計算局部地區(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，我們結合當地情況，通過植被模型 和氣象資料制定了集雨節(jié)灌的空間規(guī)劃圖，將規(guī)劃圖與現有集水工程分布圖進行疊加，可直觀地分析現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，我們未定對集存雨水的田間分配方案進行了探索，根據現有工程潛在和實際的貯水量，結合理論補灌面積和實際補灌面積進行分析，并繪制出了相應的分布圖。
 
3  討論
 
（1）“3S”技術已在資源管理、生態(tài)環(huán)保、基礎建設、災害預防與監(jiān)測、軍事等領域得到廣泛應用，相信這一高新技術在集雨節(jié)灌工程中的應用必將為西北干旱21世紀農業(yè)發(fā)展做出貢獻。
（2）可以探討利用微波遙感數據確定最佳補灌時間，通過農田水分與能量平穩(wěn)模型，進行實時監(jiān)測，在降水不足威脅作物生長時，及時適量補灌。這對于經常面臨旱災威脅的半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)的農業(yè)生產是有積極作用的。
（3）在農業(yè)領域，“3S”技術和決策支持系統(tǒng)（DSS）的結合已是大勢所趨。農作物栽培的決策支持系統(tǒng) 是一個對農作物進行栽培管理的計算機應用系統(tǒng)，可以對作物的品種、施肥、水分及其他環(huán)境因子的作用進行模擬、預測、咨詢等。地理信息系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)的結合，可以實現數據共享，發(fā)揮各自的優(yōu)越性能，將集水高效農業(yè)推向一個更高的水平。
（4）“3S”技術在集水高效農業(yè)及其他領域的應用前景十分廣闊，隨著高性能對地觀測衛(wèi)星、導航衛(wèi)星和遙感手段的多樣化，它們所提供信息的精確度將會大大提高，時效性也會大大增強；同時，用于處理遙感圖像和空間信息的GIS軟件設計水平也呈日新月異的態(tài)勢，向著人性化、直觀化的方向發(fā)展，非專業(yè)人員經適當培訓，也能掌握和使用。加上現實的農業(yè)科研和開發(fā)對高新技術的迫切要求，“3S”技術將會得到越來越普及。