GIS在退耕还林还草中的应用

GIS在退耕还林还草中的应用背景：近年来，由于自然和人为因素的影响，我国许多地区生态环境恶化，严重制约了社会和经济的可持续发展，而退耕还林是改善生态环境、促进地区经济可持续发展的重要途径。而由于GIS所拥有的强大功能，使得它在退耕还林中得到了重要的应用。可持续发展已成为当今发展的核心内容 。生态安全保障体系建设是我国正在实施西部大开发战略中的一项重要内容。退耕还林是我国为了保护生态环境的一项重大举措, 是实现生态安全和可持续发展的重要途径。长期以来, 由于人们对森林和草地的过度开发和破坏, 造成了局部生态安全保障体系的破坏 。1998年我国长江流域的特大洪水灾害, 与其中上游生态安全保障体系的破坏具有密切的关系 ，中上游生态安全保障体系的破坏导致了水土保持能力的降低,引起严重的水土流失。减少水土流失的方法主要有两种，退耕还林和修建梯田。然而,修建梯田,涉及到将上坡的土壤搬到下坡,并将肥沃的土壤埋到了下层,引起上坡土壤肥力的降低5。同时,它要求有大量劳动力和资金的投入，因而这不是最佳的选择方法。而退耕还林是改善中国生态环境的一项治本之策们最佳的选择。遥感和GIS为我们完成该项任务提供了先进的技术手段。由于地方领导、决策者的观念以及缺乏一些退耕还林的关键技术支持, 已表现出了诸多问题:（1）退耕还林规划水平低, 表现在大于25度的坡耕地仅凭目估, 主要靠人力去调查退耕地点；（2）退耕还林面积扩大化。为了得到国家的退耕还林补贴, 许多小于25度的缓坡地也纳入退耕范围。这就要求退耕还林还草必须从实际出发，做出长远而科学的规划。然而, 退耕还林的耕地在哪儿、如何退? 如果这些关键技术不解决, 将对全面启动的退耕还林工程造成极大的困难, 也将在经费上造成不必要的巨大浪费。RS、GIS 技术能够有效地解决这些难题6 , 遥感与GIS 技术无论精度、效率以及数据获取的现势性方面, 都是传统方法所难以比拟的, 同时也可以节约大量人力、物力。通过对GIS的学习和查找资料，本编重在探讨GIS在退耕还林中的应用。1、退耕还林中存在问题退耕还林是指在水土流失严重或粮食产量低而不稳定的坡耕地、沙化耕地以及生态地位重要的耕地，退出粮食生产，植树或种草。国家按照核定的退耕地还林面积，在一定期限内无偿向退耕还林者提供适当的粮食补助以及种苗造林费和生活费的现金补助。退耕还林工程的实施对于推进生态建设、改善生态环境有着直接而重要的作用。此外，工程增加了农民的收入来源、促进了农村产业结构调整。然而，我国所面临的生态环境问题仍然十分严峻。退耕还林实施过程中还存在很多问题：1) 弄虚作假、违法乱纪现象时有发生由于退耕还林工程在短期内不能有效带动地方经济增长，一些地方政府因此对退耕还林工程重视程度不够，甚至还出现了专项资金被挪用或落实不到位的情况。经济林比重过大，农户参与积极性不高退耕还林条例允许承包经营户按一定比例在其所承包土地或林地种植经济林木,如果树等这些林木具有商业价值，可以给农户带来实际效益。然而，这些经济林木往往对当地生态环境的改善没有起到积极作用，有的甚至会破坏当地国有的生物多样性特征。2) 种苗采购不科学，补助年限不合理在集体采购种苗时，树木苗种选择不科学使得林木种植不能维持和保护当地的生物多样性，进而难以产生良好的生态效果。一些地方政府部门在种苗交易过程中甚至暗箱操作，以权谋私，违规截流种苗补助费，使得农户不能获取足够数量的高质量种苗，导致政府与承包经营户之间容易发生纠纷。3) 生态移民工程进展缓慢2、GIS空间分析概述地理信息系统是在计算机硬件和软件支持下,对地理空间数据进行采集、输入、存储、操作、分析和建模,以提供对资源、环境及各种区域性研究、规划、管理及决策所需信息的人机系统。空间分析功能是GIS 区别于其它信息系统主要标志,体现了GIS 的本质特征。它是指对空间定位数据和属性数据进行统计、变换、分类、综合、比较、推断,以解释时空分布规律,分清主次因素、预测发展趋势26 。从数据模型的角度,把空间分析可以划分为拓扑分析、属性分析、拓扑与属性的联合分析。拓扑分析包括空间图形数据的拓扑运算,即旋转变换、比例尺变换、二维及三维显示和几何元素计算等;属性分析包括数据检索、逻辑与数学运算、重分类和统计分析等;拓扑与属性的联合分析包括与拓扑相关的数据检索、叠置分析、区域分析、邻域分析、网络分析、形状探测、空间内插等27 ,同时,把这些空间分析方法也称为通用性GIS空间分析工具,已经广泛用于地学研究领域。林业生产、科研、管理中的许多问题,都和地理空间位置有关,比如森林资源分布、森林资源的动态变化、森林火险区划、营林规划设计、林业专题制图、自然保护区管理等 。这些特征表明GIS 具有广阔的应用前景。但是,从GIS 的整体理论看,目前GIS用于林业生产领域的重点主要在专题制图和林业资源信息管理系统的开发与建立方面,而GIS空间分析的应用相对比较薄弱,还没有在林业规划决策中充分发挥作用。3、GIS在退耕还林中的应用分析包括4个步骤。首先，建立土地利用、土壤侵蚀、数字高程、坡度、坡向、植被指数、降雨和温度等数据库,并对生态环境质量进行评价,从而得到生态环境质量数据库;其次,从土地利用数据库中提取旱地的数据,并与坡度数据、土壤侵蚀数据、植被指数数据和生态环境质量数据进行叠加分析;再次,确定退耕还林的原则,并在GIS 的支持下,确定需要退耕还林的面积及其空间分布;最后,利用降雨数据进一步确定退耕还林的面积及其空间分布。1）建立数据库数据的采集要根据退耕还林的要求，结合水土保持学研究方法，并充分考虑到数据采集的可行性和定量分析的可操作性，来确定在退耕还林空间分布的规划分析中采用的主导因素。主导因素有：高程、坡度、坡向、河流、居民点、土地利用类型、土壤类型、降雨量、温度、湿润度和环境质量等级等等。不同的区域当以本区域具体的实际情况加以选择适合本区域的数据集。它所用的数据包括110 万的土地利用数据,110 万的土壤侵蚀数据,125 万的地形数据,以及降雨、温度、湿润度数据和环境质量等级数据。从地形数据中提取等高线,利用GIS 软件ARC/INFO 获取坡度信息。其步骤如下,首先,利用CRE2ATTIN 命令生成TIN。其次,利用TINLATTICE 命令将TIN 转换成100m 100m 大小的网格数据。最后,在GRID 环境下,利用SLOPE 和ASPECT 函数分别生成坡度数据和坡向数据。土地利用数据是通过对LANDSAT TM 卫星遥感图像经目视判读,采用人机交互的方式提取土地利用信息。所使用图像的成像时间多在1994 1996年。土地利用被分成6 大类,即耕地、林地、草地、水体、城乡居民地和未利用土地。其中耕地包括水田和旱地,林地包括有林地、灌木林地和疏林地和其他林地。2) GIS数据叠加分析根据建立起来的GIS数据库，对不同数据之间进行叠加分析, 以解释时空分布规律,分清主次因素、预测发展趋势。例如，在黄土高原小流域中, 坡度是影响水土流失的一个重要地形因子, 土壤的抗冲蚀能力随坡度的不同而出现较大差别 ，而退耕还林主要考虑的土地利用类型是旱地。因而，我们可以建立坡度与旱地之间的叠加分析。 3）确定退耕还林面积与分布在确定退耕还林面积与分布之前，我们需要知道退耕还林的原则，然后对比已经得到的叠加分析结果来确定退耕还林的面积与分布。以下是退耕还林具体的规划原则：( 1) 坡度在25度以上的耕地。( 2) 区域内退耕还林的耕地以生态林为主, 同时考虑到百姓的经济收入来源问题, 可以适当种植部分经济林, 但面积要严格控制在20% 以内。为了方便百姓对经济林的养护与耕作, 经济林的分布应该在居民点周围。( 3) 退耕还林的实施还应当考虑到集中连片治理原则, 结合区域单位面积退耕还林比重来划分退耕还林重点区域。这既有利于森林分类经营, 又有利于退耕还林集中治理, 科学划分退耕还林重点区域。( 4) 退耕还林的主要目的之一是减少土壤水土流失量, 所以应当优先考虑河流两侧的需退耕的坡耕地, 即明确优先河流两侧的原则。4、GIS在退耕还林应用中的发展趋势GIS为退耕还林工作建立了坚实的应用平台，但由于数据本身的限制不能做到实时监测，通过与RS、GPS的结合，能够实现数据的实时更新，从而做到对退耕还林工程效果的实时监测，这对退耕还林的意义无疑是重大的，因而，这将是一个特别重要的发展趋势，同时网络GIS的发展