水土保持监测与管理课件

水土保持动态监测与管理第一节水土保持动态监测的

原则、内容和方法

水土保持是建设生态环境、改善农业生产条件和治理江河湖海的一项主要工作，已成为世界各国可持续发展战略的重要组成部分。为了全面掌握水土保持工作的成效及动态变化很有必要对其进行监测。随着遥感影像光谱分辨率、几何分辨率的不断提高和覆盖时间周期化，以及3S(GIS、RS、GPS)集成技术的进步成熟和计算机网络技术迅猛发展，开展这一工作，在技术上已经完全可行。一、水土保持监测的作用水土保持监测的作用可概括为以下5点：1、成为水土保持项目管理的重要手段2、为项目建设提供基础资料3、为水土保持评价和决策提供科学依据4、为水土保持监督执法提供依据5、为水土保持宣传提供新途径二、水土保持监测的原则

监测工作应充分考虑服务对象对信息的需求和服务的有效性，并遵循以下原则：（一）规范性（二）综合性

（三）动态性

（四）层次性三、水土保持监测的内容与方法（一）监测内容1、水土流失变化2、土地利用现状3、治理措施实施情况4、生产与收入变化5、群众物质和文化活动水平的变化情况（二）监测方法与技术总体说来，水土流失监测要综合运用遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)技术，地面调查、专项试验和数理分析与预测、预报方法等。RS技术用于获取影响水土流失因素的信息，GPS技术主要用于确定和获得地理位置信息，GIS技术用于编辑、分析监测信息并对其进行管理。

水土流失监测可以在3种空间尺度上进行，即：从地面、飞机以及卫星上。三种水平监测的范围大小、时间频率以及用途分述如下：1、地面监测地面监测可以提供“地面-真实”测定结果，可以用来鉴定飞机、卫星提供的“遥感”数据的准确性，以及用来解释这些数据。

2、航空监测结合地面观测，航空监测的数据可以用来校验卫星监测判读的正确性和判读精度等。

3、卫星监测四、中国水土保持监测建设方向（一）初步建成全国水土保持监测网络与信息系（二）完善监测技术规程与规章（三）推广监测技术，培养监测技术队伍（四）强化水土流失动态监测五、开发水土流失预报模型以水土保持监测网络的地面观测数据为基础，并利用人工降雨试验方法获取的有关参数，借鉴国外成功的模型，开发不同尺度的水土流失模型，包括坡面土壤流失量模型、小流域水土流失模型和区域水土流失趋势预测模型。有了水土流失预测模型，就可以指导农业耕作、牧业经营、区域开发和水土保持措施设计，就可以有效控制人为水土流失，改善生产条件、建设生态环境。现代水土保持动态监测与管理是在地理信息系统（geographicalinformationsystem，简称GIS）支持下，综合应用科学技术的最新成果和管理经验，把大量单一分散的数据资料变成活的综合的信息资源，向用户提供灵活方便的查询检索，统计计算和列表制图的基本信息服务。第二节水土保持信息系统概述在此基础上进行多因子的综合分析、定量评价、多目标决策，为合理开发利用流域的自然资源提供强有力的工具，使流域的管理建立在计算机化、模式化和科学化的水平上，为区域分析、辅助决策与资源的保护、改良和合理利用服务。一、地理信息系统基本概念（一）信息与数据

信息（information）是事物或现象特性的表征。由于每种事物或现象都带有区别于其它事物或现象的特性，它们的存在必然是通过其特性表现出来。（二）地理信息地理信息是关于地理圈（大气、生物、土壤、岩石、水）或地理环境中固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的信息。水土保持信息是地理信息的重要内容之一。（三）地理信息系统概念

地理信息系统（GIS）是在计算机硬件和软件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。从飞机上鸟瞰黄土塬（陕北）接口图形编码请示图形编码请示扫描数字化跟踪数字化DTM窗口条件窗口条件查询功能查询功能属性编码请求属性数据编码显示器制图功能输出请求点线面打印机绘图仪地理信息系统

·数据库与数据库管理系统

·空间数据处理

·空间数据分析

·规划、管理和决策模型

·信息显示与制图输出图10－1GIS的结构（一）硬件系统计算机硬件是计算机系统中实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS硬件配置一般包括四个部分。1、计算机主机2、数据输入设备3、数据存储设备4、数据输出设备（二）软件系统软件系统是指水土保持GIS运行所必需的各种程序，通常包括3个层次的软件。1、计算机系统软件2、水土保持GIS软件和其他支撑软件（1）数据输入模块（2）数据存储与管理模块（3）数据分析与处理模块（4）数据输出与显示模块（5）用户接口模块

3、应用分析程序

（三）水土保持空间数据

水土保持空间数据是指以地球表面空间位置为参照的与水土保持有关的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。

不同用途的水土保持GIS其空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的特征：

1、已知坐标系中的位置

即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。

2、实体间的空间相关性

即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体之间的构成关系等。

3、与几何位置无关的属性（四）系统开发、管理与使用人员三、水土保持信息系统设计与建立

（一）水土保持信息系统设计思想

水土保持GIS的开发建设和应用是一项系统工程，涉及到系统的最优设计、最优控制运行、最优管理，以及人力、财力、物力资源的合理投入、配置和组织等诸多复杂问题。需要运用系统工程的原理和方法，结合空间信息系统的特点实施建设。因此，在建立GIS过程中确定应用目标是什么，选用哪些数据源，以及数据的质量、精度如何等一系列重大问题是至关重要的，这直接关系到系统的有效性和实用性。可性性研究用户需求数据来源系统设计系统运行数据转换系统检验投入产出研究执行计划实验计划组织数据库硬件要求软件要求政策因素法律因素图10—2水土保持信息系统建立过程（二）系统建立过程

1、可行性研究（1）用户需求调查。

（2）确定系统目的和任务。

（3）数据源调查和评估。

（4）评价水土保持信息系统的年处理工作量、数据库结构和大小、服务范围、输出形式和质量等。（5）系统的支持状况。

2、系统设计系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型。其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统的不同而有很大的差异。

3、建立系统的实施计划

系统设计完成后，把所估算的硬件和软件的总投资、人员培训投资及数据采集投资等作为建立水土保持GIS的投资额，同时估计若干年后能收到的经济效益，这是投入产出估算。如果估算的结果令人满意，则进行后继工作。

4、系统实验

结合用户要求完成的任务，选择小块实验区(或者用模拟数据)对系统的各个部分、各种功能进行全面试验。

5、系统运行

当水土保持信息系统对用户的决策过程不断提供支持的时候，已经建立的系统会不断膨胀，并不断地被更新和增加。

（三）水土保持信息系统的软件设计

1、结构化的设计方法结构化的程序设计方法是软件发展早期形成的，设计工作侧重于软件结构本身，力图通过以下三种准则，清晰地描述软件系统，并用于程序编制，其过程形式是：①分清任务的执行顺序；②明确任务执行条件和分支，即“如果……则……否则”结构；③重复执行某项任务直到定义的条件满足为止。2、面向对象的软件设计方法

面向对象的设计方法是近年来发展起来的一种新的程序设计技术，其基本思想是将软件系统所面对的问题，按其自然属性进行分割，按人们通常的思维方式进行描述，建立每个对象的模型和联系，设计尽可能直接、自然地表现问题求解的软件，整个软件系统只由对象组成，对象间联系通过消息进行。

3、原型化的设计方法原型化设计方法的特点是不需要一开始即清晰地描述一切，而是在明确任务后，在软件的实现过程中逐步对系统进行定义和改造，直至系统完成。4、程序编制软件设计完成后，进入程序编制阶段，主要任务是设计具体算法和编程。水土保持信息系统所采用的算法多来自计算机图形学、计算机图像处理、计算机辅助地图制图等,需经改造使之适合于地理信息系统的数据结构。

（四）用户界面设计(1)菜单式界面(2)命令式界面(3)表格式界面（五）水土保持信息系统评价1、系统效率2、系统可靠性3、可扩展性4、可移植性5、系统的效益四、系统数据库建立

水土保持信息系统软件设计编制完成后，就可以进入系统数据库的建立阶段。系统数据库的建立过程如图10-3（一）源数据获取与预处理

1、检核图形几何位置

2、检核属性数据错误（二）数据录入1、空间数据的数字化过程2、属性数据的录入源数据预处理空间数据输入编辑质量检查质量检查属性数据输入编辑汇总统计不合格合格合格不合格不合格图10-3数据库建立工作流程示意图（三）数据质量控制和评价1、数据质量衡量准则水土保持信息系统数据包括空间数据和属性数据，通常衡量数据库的数据质量主要是检测其空间数据的准确性、属性数据的正确性、数据的完整性、一致性和现势性。

2、数据误差来源分析数据的误差大小通常是一个累积的量。数据从最初采集，经加工最后到存档及使用，每一步都可能产生误差。

数据处理过程误

差

来

源数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷等误差数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差不同系统格式转换误差：矢量-栅格互换、三角网-等值线互换数据存储存数据精度不够空间精度不够：网格或图像太大、地图最小制图单元太大表10-1数据的主要误差来源数据处理分类间隔不合理多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差比例尺太小引起的误差数据输出输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当数据处理过程误

差

来

源3、数据质量控制技术数据库数据质量控制包含前期的误差控制和后期的误差处理。数据采集的前期控制是指在整个空间数据和属性数据采集过程中，进行过程分解，每个具体操作制定数据质量控制措施，这些措施具有预防和处理误差的双重功效。4、数据质量评价数据质量直接影响到数据应用的经济效益和社会效益，数据质量评价的内容主要是评价数据的完整性、正确性、一致性、准确性和现势性。

（四）数据维护

数据是任何信息系统的生命线，因此要注意数据的维护和管理。对于日常数据管理时，所有进入系统内的数据必须在当日内备份，拷贝到专用软盘内存档，软盘统一编号，每周清理一次。存档数据除系统管理员、主管信息的负责人外，任何人不得动用，删除、修改数据需专门人员进行处理。运行在监测管理部门内部计算机网络上的数据要由系统管理员进行授权管理，向有关处室开放，这些部门可以查询、打印等，但不能更改数据。

第三节水土保持动态监测

信息系统

一、水土保持监测网络信息系统（一）总体目标建立一个以地理信息系统(GIS)为平台的实用化的信息管理系统，为各级水土保持管理部门及科研设计单位提供数据统计、信息管理、规划设计及决策支持工具。具体体现在以下几个方面：1、多种水保数据的集成与高效处理2、实现水保信息的网络化传输和共享3、为水土保持工作的管理提供服务4、水土保持决策支持与规划设计5、水土保持信息发布6、办公自动化（二）系统组成省级水保监测网络信息系统由省级监测网络系统、地市级监测网络系统、县区监测网络系统三大部分组成，如图10-4所示。省级监测网络系统计算机网络系统应用软件系统地市级监测网络系统计算机网络系统应用软件系统县区级监测网络系统计算机网络系统应用软件系统图10-4系统组成（三）系统组网方案省级水土保持监测网络信息系统是国家水保持监测网的接入点，该网络不仅要收集、汇总全省各地市水土保持及防治的各种信息，而且还应在Intranet环境下，提供WWW、FTP、TELNET等服务。省水保局的行政结构为三级，根据其行政结构和业务特点，可将省水保监测网络设计为三层网络结构：省局网络中心、地市级网络及县区级网络。

（四）系统功能1、水土保持监测信息综合处理

（1）监测数据汇总处理（2）监测数据统计、分析（3）监测数据查询（4）监测报警处理2、项目管理（1）项目综合统计管理

（2）项目计划管理（3）项目审批管理（4）项目实施动态管理（5）项目验收管理（6）项目综合查询管理3、会议演示（1）水保监测信息分析（2）项目规划方案演示（3）项目治理完成情况演示（4）各种图片、图像演示

4、监督、执法管理（1）开发建设项目管理（2）水土保持执法管理（3）编制水土保持治理方案资格管理5、规划辅助设计（1）小流域综合治理规划辅助设计（2）工程辅助设计6、数据传输与通信模块数据传输与通信模块用于在省网络监测中心与国家、省其它厅局及地市级水保监测系统之间传输各种数据，包括公文、项目规划方案、各种水保监测数据、水保治理信息、各种统计报表等，它们可以是文字或图形、图像信息等形式。

二、水土保持动态监测信息子系统（一）监测方法及其程序监测系统是建立在一定的硬件设备和软件系统下的。系统建立包括以下几方面的技术指标：1、监测范围2、监测指标的更新周期3、监测点网的布设4、网络系统的建立灰色预测回归分析增长曲线生产函数灾变预测相关分析数量模型数据统计分析实验室检查方法检验分析监测目的制定监测原则确定监测内容监测项目体系、周期建立监测系统模型仪器测试人员考核数据的准确度、精确度分析流域系统的监测田间试验室内分析野外观测图片解译调查访问查阅资料建立预测预报模型监测图监测数据监测附加说明图10－6动态监测程序（二）监测系统设计监测网络系统包括硬件设备和处理软件，现代计算机网络为流域动态监测提供了自动化监测的可行方案。图10-7为流域动态监测系统的典型配置图。（三）监测系统基本功能监测是利用基础年份的数据与监测年份的数据进行对比，分析监测指标的变化情况。指标的获取可以通过基础信息管理子系统中的RS、GPS手段，变化规律明显的指标可以通过模型来计算。监测系统的结构如图10-8。图10—7为流域动态监测系统的典型配置图资源管理子系统流域监测子系统监测指标库监测模型库监测指标变化分析基础年份图形库、数据库监测年份图形库、数据库图10-8动态监测系统结构水土保持管理信息系统就是利用计算机技术，将流域内的各种资源与环境信息按空间分布进行存贮管理，把大量单一分散的数据资料变成活的综合的信息资源。向用户提供灵活方便的查询检索，统计计算和列表制图的基本信息服务。第四节水土保持管理信息系统评价流域动态基础数据库效益用户水土保持管理信息系统3S工具综合信息结果输出汇总上报临时数据库一、基础信息管理子系统（一）系统功能1、图形图像管理基础地理信息系统的核心是一个地理数据库，主要包括以下功能：文件管理、数据获取、图形编辑、建立拓扑关系、属性数据输入与编辑、地图修饰、图形几何计算、图形查询与空间分析和图形接边处理

2、属性数据管理属性数据管理功能是为属性数据的采集与编辑服务的，它是属性数据存贮、分析、统计、属性制图等核心工具，也是整个系统的重要组成部分，需具备对数据库结构操作、属性数据内容操作、数据的逻辑运算、属性数据的检索、从属性数据到图形的查询、属性数据报表输出等功能。3、数字地形模型空间起伏连续变化的数字表示称数字高程模型(DEM)，有3种主要形式，包括格网(DEM)、不规则三角网(TIN)、以及由两者混合组成的DEM。

4、图形输出功能包括点、线、面等不同类型图层的叠合，图例标注，比例尺标注，文字注记，注记符号的制作及其在图中的旋转、移动、缩放、变形等图幅修饰功能；打印预览(模拟输出)功能；输出操作等。（二）基础信息库1、综合治理立地因子数据

2、水土保持工程措施数据

3、林业、牧业措施现状数据

4、社会经济数据

5、沟道主要特征数据

6、土地利用现状数据

7、林业现状数据

8、牧业现状数据

9、副业现状数据

10、荒溪分类数据

二、规划子系统（一）多目标规划1、解决的问题就是根据资源条件、经济条件、发展目标等确定合理的土地利用比例，实现产值或产量等最大、环境持续发展的目标；同时，通过灵敏度分析，确定满足最优解的不同土地利用类型的允许范围。2、功能设计多目标规划的步骤是选择决策变量、建立目标函数、建立约束方程、求解方程、影子价格计算和灵敏度分析等，系统根据这一步骤设计相应的模型功能，并把规划结果选择的变量返回到土地现状图上，自动生成规划图。

（二）专家规划生成规划图及数据库打开数据库文件打开图形文件规则指针定位到一号规则属性指针定位到第一记录提示规则不完备规则结束否打开规则文件规则号与规则数比较规则指针指向下一规则否否是规则匹配运算属性与规则是否匹配属性指针是否到最后一条记录是是属性指针指向下一记录规则匹配结束图10-10专家规划模型流程2、专家规则表达方式专家规则是专家决策模型中知识的表达形式，知识表达方法借鉴了专家系统中产生式规则(productionrule)的形式，即：if…then…的形式。该模型利用关系运算符、逻辑运算符把参与运算的指标体系联结为规则。一条规则由规则号、前提、结论、规则结束符等组成，一个规则文件可由若干条规则组成。每条规则按优先级顺序存放，在规则与事实匹配时可以减少运算时间。为了增强系统的可操作性，适合我国文字特点，规则采用可读的汉字来描述。

3、专家规则编辑为使专家规则能够按一定格式存放，需要设置规划编辑器。它编辑包括规则文件的建立、规则修改、规则存贮、规则保密等功能。其中，为使系统适用于不同流域，用户可以针对特定流域修改系统规则。4、流域规划图生成与输出由于规划是在最小图斑图上进行的，所以只要把规划结果按原图斑进行索引就生成了流域规划图；同时，把结果合并生成数据库。把上述规划结果文件，利用基础信息管理子系统中的输出功能进行整饰，然后以图形或表格的形式输出到打印机和绘图仪上。

（三）工程设计系统

1、工程类型设计（1）水土保持工程。

（2）荒漠化防治工程。

（3）农田水利工程。

（4）防护林体系工程。

（5）牧草场工程。

（6）生态农业工程。（7）道路工程

2、工程措施体系布局采用专家规划模型，即根据不同的地貌类型、地貌部位、土壤类型、坡度、利用现状、侵蚀类型、侵蚀强度、侵蚀阶段等在流域内布设与之相适应的水土保持措施。

3、工程类型索引与工程布局图生成功能4、结果输出功能结果输出包括工程布局图输出和统计结果报表输出。工程图输出通过2种途径实现，一是在工程规划模块中设计输出功能；另一途径是把图形结构转