3S技术在耕地保护中的应用研究
引言
经济技术迅速发展以及人口剧增和城市化进程加快，造成了耕地减少、土地退化、资源短缺、生态环境恶化等诸多问题，耕地作为人类获得食物的主要基地，自然成为这种矛盾焦点，是否有足够的土地来生产未来人口所需要的粮食比任何时期都更为急迫地被提上议事日程，如何协调保护与占用之间的关系是当前国家面临的严峻问题之一。
近些年来，党和国家领导人对耕地保护十分重视，并将其放在民族生存与发展的角度来考虑，指出：“保护耕地是事关社会主义建设全局的大事”，“保护耕地就是保护我们的生命线”。国家先后制定了一系列重大政策、法律，一再强调要切实保护耕地。党的十六大提出全面建设小康社会，加快推进社会主义现代化进程的宏伟目标之后，耕地保护工作将面临经济发展、人口增长、生态环境等多种压力。
因此耕地保护工作应当坚持实事求是、与时俱进、开拓创新的辩证原则，不断丰富完善保护理念，创新保护机制，构建新的保护体制，走有中国特色的耕地、生态、经济协调的、可持续发展的道路。“耕地动态监测”就是对耕地进行了全面性的调查，掌握了其数量、质量、利用现状等各种信息后，监测耕地资源动态变化的过程，模拟区域耕地的时序演变，体现耕地“质”与“量”的演化规律，把握耕地资源保护的“度”，为耕地保护提供宏观决策支持。
二、耕地保护的3S动态监测
3S集成技术在国土资源保护中发挥着重要作用，3S技术强大的空间数据处理分析和表达能力为解决这一问题提供了技术。3S集成是指三种技术与其他相关技术有机地集成在一起，是一种有机的结合、在线的连接、实时的处理和系统的整体性，主要依靠遥感（RS）、全球定位系统（GPS）作为信息获取的技术手段，依靠地理信息系统（GIS）作为时间、空间和属性系统处理和分析手段。RS数据可以迅速地进入GIS分析处理系统，使我们可以动态地分析地表某类现象的变化。来自GPS接收机精确的位置信息可以帮助航空像片的几何校正和镶嵌，保证了RS数据及地面同步监测数据获取的动态配准，使它们动态进入GIS数据库。
（一）系统构成
在3S监测系统中，RS数据是监测土地资源成败的主要因素，是构成监测系统的重要组成部分，系统的核心是GIS数据库，各类空间数据经过纠正、转换、处理后都以某种格式存放在数据库中。在形式上，这些信息分为数字、文字和图形等类，分别存放在数据库和图形库里;在内容上，这些信息包括土地利用现状、土壤、气候、水等资料，从而构成庞大的数据库和图形库群体。GIS使用查询、显示、分析、决策功能进行搜寻、迭加、筛选等，便可实现土地利用动态监测，为管理部门提供决策支持服务。
（二）耕地动态监测流程
1.本底数据的获取
进行耕地变化监测必须建立基础数据库，其中的基础数据主要是耕地及其他用地的多边形矢量数据和地块的属性数据，包括图幅号、地块编码、地类名称、地类编码、地块面积和其他属性。建立一个区域基础数据库，最简单的方法是采用计算机的文件系统。文件系统同样具有数据管理、存取、检索、查询、建档和数据更新的功能。
精化基础数据库时，可以根据区域现有的数据源选择以下方法：（1）用SPOT图像和TM图像将同一年的SPOT全色图像（最好是冬季且无雪覆盖的图像）和适当季节的TM图像（3，4，5波段）融合处理，提取土地覆盖类型的空间数据。（2）用中比例尺航空像片将比例尺1∶3.5万的近期（2年之内）航空像片用100～200μm的步距数字化，经过处理取得正射纠正的影像，和当年的TM（3，4，5波段）融合处理，提取土地覆盖类型的空间数据。（3）TM图像与GPS测量相结合将TM（3，4，5波段）合成，与基础数据库中现有的空间数据叠加，检测变化后，用差分GPS测量方法进行实地修测。
2.航天卫星遥感图像的处理和分析
对土地利用进行动态监测必须依靠多光谱卫星遥感数据来发现土地覆盖类型的变化。对土地覆盖类型的变化检测，根据理论和经验应选用TM的3，4，5波段进行处理。图像处理包括预处理，不同质的融合或同质图像不同波段的合成，以及图像的判读分析。
3.差分GPS测量数据的获取与处理
用差分GPS测量方法进行土地覆盖类型变化的实地检测，包括GPS地物测量的外业工作和差分GPS测量数据的后处理。通过对GPS数据与耕地现状调查利用数据复合分析处理后，对原数据库进行更新。这样就可以对这个数据库内的资源进行分析研究和利用，切实把握住耕地减少的根本原因，刹住源头。
三、3S技术在唐山耕地保护中的应用
现就唐山市耕地保护利用3S技术监测，特别是煤炭工业对耕地影响监测，进行研究探讨。
（一）研究区现状
唐山市地处华北平原，处在环渤海经济圈开发带中心位置。市区地形复杂，地貌多样，有山地、丘陵、盆地、平原等类型。位于华北平原东北部，土壤肥沃，四季分明，雨量集中在夏季，旱情严重。该区在区域地质构造上，位于板块交接带上，地壳运动活跃，1976年曾发生7.6级大地震。
唐山市的煤矿经过百年开采，对丰富的铁矿、石灰石等资源的群采，已形成6000hm?2的采空区和21400hm?2的采煤塌陷区，也使生态环境遭到严重破坏，严重破坏了地表自然形态、建筑物和农田，由此引起的水土流失、耕地减少、植被破坏等问题愈益突出。其地貌土地利用状况使得用3S技术在RS数据获取与图像处理，GIS内业处理，GPS野外工作等方面有很强的代表性。
（二）3S技术的应用
3S 技术在煤矿环境监测与治理中的应用，已经积累了丰富的经验。其具体模式是：利用RS影像环境信息源，通过图像处理，提取要素，进行GPS辅助的外业调查，获取煤矿环境信息。在GIS的支持下对环境进行评价。通过多时相、多波段、多尺度遥感影像信息与常规环境监测数据的符合与动态比较，研究煤矿环境的演变趋势。利用3S技术进行煤矿环境监测与治理的典型方案如煤矿大气污染，煤矿环境的综合评价，地面塌陷监测，煤矿环境规划等。
1.用于煤矿环境数据信息的监测
遥感是采集环境信息的主要技术手段，根据卫星遥感影像，经过图像处理，可以获取矿区生态环境变化的基本数据和图像资料，获得大气污染状况、土壤污染、破坏和盐渍化进程、水土流失状况、植被破坏与生态环境演变恶化状况、地下及地表水体的污染等方面的数据和信息。GIS数据采集模块可将用常规方法观测到的环境数据输入环境信息数据库，与遥感环境信息进行复合和叠加，实现煤矿多源环境信息的统一管理。例如彩红外遥感影像可监测固体废弃物引起的生态环境变化，用热红外遥感调查工业热流(污水、废气等)对水体和周围环境的污染，可监测城市、工矿的“三废”排出状况。
2.土地资源动态监测
采矿生产对土地资源的影响是一个动态的过程，如何根据采矿生产的进行，实时监测土地资源的破坏情况、预测影响区域，进而确定征地范围，优化征地方案，组织矿区土地复垦，是一个典型的土地资源动态监测与决策支持过程，综合利用3S技术可以胜任这一任务。最为有效的监测方法则是将遥感和GIS集成的监测方法，并发挥GPS技术在获取土地利用变化空间数据方面的优越性。
3.土地复垦
土地资源可持续利用要求“开源”与“节流”并重，对废弃地进行土地复垦是开源的重要措施。唐山因为工业生产而生成的土地挖损、塌陷、压占等方面的问题特别严重。以煤矿为例，采煤塌陷地已累计达20平方公里，据预测，随着煤炭的不断开采，今后每年还将新增2400亩塌陷地压占大部分耕地。土地资源特别是耕地资源浪费严重，进行土地复垦是“开源”的重要措施。将以遥感、GIS、GPS为主体的3S集成技术应用于矿区土地复垦的规划、工程实施、监测、评价等方面，对耕地保护具有重大意义。
4.应用于开采沉陷监测和治理
对塌陷区的动态监测和治理，若采用常规的技术手段（如地形测量）甚至航空摄影测量是难以胜任的。我们采用GPS作控制点定位测量，利用法国SPOT卫星遥感图像资料以及不同时相的彩色红外和黑白全色航空遥感像片，进行计算机几何纠正和图像处理，得到红、绿、蓝3色的假彩色多波段匹配图像，不同色调可以反映开采塌陷区的积水状态和历史变化，运用GIS系统进行统计分析，制作专题图等。
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