Astract: At present our country's highway construction rapidly expand, springs up everywhere in the land, at the same time, after highway construction, its both sides ecological environment becomes a big difficult problem, monitors effectively with difficulty and protects. This article main narration advanced 3S technology characteristic, function and in road environmental protection aspect application.
摘要：目前我国的公路建设迅速发展，在全国各地遍地开花，与此同时，在公路建设好后，其两旁的生态环境成为一个较大的难题，难以有效地监测并保护好。本文主要讲述先进的3S技术的特点、作用及在公路环境保护方面的应用。
关键词：3S技术、 公路环境
引言：
3S技术是遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)的统称。作为遥感和信息技术领域的高新技术,3S技术正处在日新月异的发展阶段。在空间遥感信息获取技术方面,一个多层、立体、多角度、全方位和全天候的对地观测网正在形成; 在信息与数据处理方面,将加速技术整合, 实现遥感、制图、地理信息系统、卫星定位系统、虚拟现实技术和决策支持系统的一体化与全数字化;在应用领域中, 更加强调信息提取的自动化和智能化以及信息共享,逐步实现网络化的自然资源与环境空间信息基础设施,提高综合空间分析能力。我国从20世纪90年代末期开始将3S技术应用于公路环境保护领域。
1、 3S 技术现状及应用发展状况
遥感技术、地理信息系统和卫星定位系统(即3S 技术)作为遥感技术和信息技术领域的3项核心技术, 早在10余年前就已开始出现技术上的整合(主要表现在软件的开发方面), 并朝着无缝 集成方向发展。这是大势所趋, 既是技术发展的结果, 也是政府决策、规划、环境资源监测、灾情评估、工程开发方面应用的要求。
1.1 全球定位系统（GPS）
GPS是美国为适应军事发展的需要，研制的具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，具有性能好、全天候、高精度、自动化等显著特点，在地质测量、环境监测、工程变形监测、地震监测等方面得到广泛应用。在环境监测中，GPS主要用于实时、快速地提供目标地、物理坐标，为所获取的空间及属性信息提供准时或实时的地理定位及地面高程模型。在环境监测中不管利用遥感影像还是直接野外进行数据采集，都可以借助GPS 获取采集点的空间位置。
1.2 遥感技术（RS）
RS主要是指从远距离高空以及外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理， 从而研究地面物体的形状、大小、特性及其环境的现代技术科学。在环境监测中，RS是环境研究的主要信息来源，一般通过遥感图像来实现。遥感图像是地面景观物体按照一定比例尺缩小了的立体模型，真实、客观、连续地记录了地表物体的总体与个体的信息特征。随着RS处理技术的进步和虚拟现实技术的不断发展，还可实现动态仿真，提高调查效率与环境监测精度[3]。
1.3 地理信息系统技术（GIS）
GIS是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球上与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。在环境监测中，GIS强大的空间信息管理与分析功能是进行区域环境和资源动态分析，建立动态数据库的最佳手段，是综合处理与分析多源时空数据的理想平台。GIS 能通过对多源的信息综合、复合图像处理及其三维图像显示技术的综合应用，把现实生活中的种种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合在一起。在实地监测及模型模拟的情况下，GIS还可以迅速地完成多维、多元复合分析，能使我们快速分析出某一特定区域环境的综合信息，为生态环境的专题研究、规划和其他与之相关的决策提供了一套强有力的信息处理工具。
通过科研、技术、应用部门和商业公司的共同努力, 3S 技术的集成和整合取得了长足发展并达到了实用化程度, 许多国家业已建立的空间信息基础设施从技术上就是依赖于遥感、地理信息系统和卫星定位系统的一体化, 并借助数据库技术和数字通讯技术(包括卫星和光纤通讯)而实现的,我国的中国重大自然灾害应急监测、评估运行系统 就是一个典型的3S 技术综合集成应用的例子。当然, 应当看到, 目前的3S 技术还没有实现真正意义上的无缝 集成和整合, 其与数据库技术、虚拟现实技术、决策支持系统等技术的集成和整合仍然是今后遥感信息技术领域最主要的发展方向和趋势。
2、3S技术在公路环境保护及监测的作用日益突出
随着人们对公路环境问题及其规律认识的不断深化，公路环境监测正从一般意义上的环境污染因子监测开始向生态环境监测过渡和拓宽。公路生态监测是对公路两边范围内生态系统的宏观监测，是一项宏观与微观监测相结合的工作。许多传统监测手段，只能解决局部监测问题，只有借助于现代高新技术，才能得到综合整体且准确完全的监测结果。在RS和GIS基础上建立的数学模型，能促进以定性描述为主到定量分析为主的过渡， 实行时空的转移，在空间上由野外转入室内，在时间上从过去、现在的研究发展到在三维空间上定量预测未来。国内已经成功地应用“3S”技术进行了公路生态环境监测保护并获得成功，如青海省遥感中心成功地利用“3S”技术，对青海部分山区的区域进行了彻底地调查，快速查清了共和县和龙羊峡库区公路两旁森林、草地覆盖的现状，制作出共和县和龙羊峡库区的公路生态环境分类图，建立了公路生态环境数据库，为政府规划决策、资源开发、环境保护等提供科学依据和服务。
另外，“ 3S” 技术还可用于采集宏观的、区域的乃至全球的动态综合环境信息，将其与常规的环境信息采集手段相结合，就可实现综合、系统的环境信息采集。顾峰华等利用QUICKBIRD、SPOT-5多光谱和全色波段进行了山区、半山区到平原区土地利用类型遥感解译精度研究，在土地利用类型和植被覆盖度遥感解译的基础上，进一步进行地貌类型、沟谷密度和土壤类型解译，结合降雨等自然条件，完成对矿区土壤侵蚀强度的综合分析。王国平应用全球定位系统进行野外控制点点位及高程数据采集；应用地理信息系统对调查成果进行综合分析、计算、编辑和制图，从而快速高效地完成了公路环境保护工作。
3、 公路环境保护的研究和技术应用
3.1 、滑坡和泥石流的研究依据
鉴于遥感强大的分辨能力与航测的精确的模拟能力, 针对公路环境特点, 可应用遥感与航测技术调查与滑坡、泥石流有关的环境因素( 如构造部位、地层岩性、断裂、含水带、地形特征、植被覆盖、土地利用等) , 推测滑坡、泥石流发育环境因素及产生条件, 进行区域危险性分区及预测, 为防治公路环境灾害提供科学的依据。
由于公路、铁路地质灾害发生和监测管理存在着自身的特点, 受勘测、施工手段还认识不足的影响,公路、铁路在施工中对原始地貌扰动后又未能采取适当、有效的防护措施是公路、铁路地质灾害发生的主要原因。此外, 公路地质灾害点多且线长, 难于统筹监测和治理。因此, 以这种空间带状结构作为研究对象, 在公路沿线发生地质灾害地段应用GIS 系统并结合线路构造物进行灾害综合评价、预和预报具有很强的科学性。
全球定位系统由空间星座、地面控制站和用户系统组成, 其中空间星座包括21 颗工作卫星和3 颗备用卫星, 保证在全球任何地方、任何时候都可以同时观测到4 颗以上的GPS 卫星。用户通过接收GPS 卫星信号, 实时获得3 维位置、3 维速度和1 维时间共7 维数据, 相对定位精度可高达厘米级。由于GPS 具有定位精度高、操作简便、观测时间短、可全天候作业等特点, 因此在公路建设中已广泛应用。
3.2 主要研究内容
第一阶段: 对公路沿线典型滑坡和泥石流发生区普查与分析; 室内实验、现场监测与理论模型研究; 获取监测区的遥感数据, 并对遥感数据分类解译及建模; 建立本底空间数据库。
第二阶段: 建立典型滑坡和泥石流三维数字模型; 建立滑坡和泥石流体GIS 数据库; 研究基于GIS技术平台的遥感图象数字处理方法; 探讨基于GIS 技术平台, 根据遥感解译成果, 进行滑坡和泥石流危险度区划研究的理论与方法; 研究基于GIS 技术平台,利用RS 和GPS 的多时相更新信息, 动态监测滑坡和泥石流的理论方法; 研究基于GIS 技术平台的滑坡和泥石流预警技术研究。
3.3 研究技术路线
( 1) 滑坡和泥石流遥感解译与辨识
对公路沿线现有滑坡和泥石流进行调查研究, 以取得公路沿线亟待整治的滑坡和泥石流区域的相关信息, 以及相应的基础地理信息, 如植被、水系、居民地等, 并对部分滑坡和泥石流区进行必要的现场野外地质踏勘。
对典型滑坡和泥石流进行地物波谱测试, 获取监测区的遥感数据, 运用数学图象分析处理方法, 进行研究区典型滑坡和泥石流多源遥感数据融合技术研究, 充分提取滑坡和泥石流监测区的地貌、植被等分类信息。结合对典型工程实例的几何形态特征及光谱特征的研究, 初步建立了一系列遥感解译标志, 并根据遥感解译标志圈定滑坡区和泥石流体。
( 2) 建立典型滑坡和泥石流数字模型
对公路沿线数字地面模型进行加工、处理,作为滑坡和泥石流研究的基础地理信息。建立典型滑坡和泥石流三维数字模型的研制工作。
( 3) 建立典型滑坡和泥石流体GIS 数据库
对滑坡和泥石流区域信息与川藏公路沿线DEM进行叠加、融合, 提取有关信息, 建立针对公路沿线典型滑坡和泥石流体的相关地理信息数据库, 包括典型滑坡和泥石流体的地形地貌、地质构造、地层岩性、土地利用、植被覆盖、水系、城镇居民点以及典型滑坡和泥石流体附近主要的建筑物等等。
( 4) 基于GIS 技术平台的滑坡和泥石流危险度区划研究
确定基于GIS 和RS 技术进行滑坡和泥石流危险度区划研究的理论与方法程序。
a 确定滑坡和泥石流危险度分区的评价指标体系
I 级判别指标: 滑坡和泥石流形成的环境条件;触发滑坡和泥石流的动力条件; 滑坡和泥石流造成的危害。
II 级判别指标: 滑坡和泥石流形成的环境条件,包括地形地貌( 滑坡和泥石流的相对高差、坡度、坡向) 、地层岩性、地质构造、切割密度等; 诱发或触动滑坡和泥石流发生的外部条件, 包括降雨强度、地震强度、侵蚀强度以及人为活动等等; 滑坡和泥石流灾害的发生对人类及其生存环境所造成的危害: 主要包括滑坡和泥石流的分布密度、滑坡和泥石流的规模以及社会经济特征( 人口分布密度、建筑物分布及资产、GDP 分布、土地利用状况、交通干线分布等) 等方面。
b 专题数据提取与空间数据的集成
在GIS 环境下对滑坡和泥石流研究区遥感影像资料进行遥感解译和信息提取, 通过影像的地形纠正和空间坐标配准后, 将解译的有关信息进入GIS 数据库, 快速获取研究区的历史滑坡和泥石流和环境背景资料, 包括地形地貌、地质构造、地层岩性、土地利用、植被覆盖、水系、城镇居民点以及主要的建筑物、研究区的滑坡和泥石流灾害点以及其分布情况等等。而利用不同时相的遥感影像则能实现对研究区的动态跟踪, 获取动态空间参数序列, 为历史滑坡和泥石流的实时编录和更新提供了数据源。
c 基于GIS 技术平台的滑坡和泥石流影响因子敏感性分析与评价因子权重的确定
可以利用GIS 技术平台强大的空间分析功能, 将影响滑坡和泥石流危险度的各种因素与滑坡和泥石流分布密度进行相关分析, 将影响滑坡和泥石流分布及其稳定性的主要因素作为滑坡和泥石流危险度的评价因子。
在确定了滑坡和泥石流危险度区划的评价因子后, 可进一步根据每个因素中各种不同指标对区域地质灾害的影响程度的大小, 对指标进行 打分 , 初步确定各评价指标的取值, 即指标体系的量化。因素的量化一般采用模糊统计法、德尔菲法或对比排序法。目前已经对这几种数学方法的原理进行了初步了解和准备工作。
d 区域图层叠代评价法
滑坡和泥石流危险度区划中的方法主要有如下几种: 多元回归法、聚类分析法、模糊综合评判法、神经网络法、区域滑坡和泥石流信息量预测法等。通常在研究初期, 本着复杂问题简单化的原则, 把滑坡和泥石流系统作为一个线性系统来处理, 因此建立的模型主要以线性模型为主, 常用的模型主要有多元回归模型、聚类分析模型等统计分析模型。随着对认识的深入, 逐渐将非线性的一些模型应用于滑坡和泥石流危险度区划中, 这些模型主要有模糊综合评判模型、神经网络模型等。
(5) 研究基于GIS 技术平台, 利用RS 和GPS 的多时相更新信息, 进行滑坡和泥石流动态监测及预警的理论方法
进行了有关理论准备及研究的技术路线的准备工作, 准备下一步主要从以下几方面开展研究工作:
a 在遥感图象解译成果以及滑坡和泥石流危险度区划研究的基础上, 利用滑坡和泥石流影响因子(例如地形、地貌、地质、气象水文、土壤含水量、土地利用、植被等) 的多时相更新信息, 进行滑坡和泥石流动态监测。
b 利用多时相高精度卫星影象资料( 如干涉雷达) 所建立的不同时相的数字高程模型, 进行滑坡和泥石流变形动态监测。
c 基于GIS 技术平台, 利用GPS 的多时相更新信息, 进行滑坡和泥石流动态监测。
3.4 、 3S 技术在水土流失监测中的应用
通过对3S 技术和水土流失影响因子研究的不同发展情况比较, 可以看出, 我国和其他国家相比有一定的差距, 但也有自己的发展特点。但是, 各国都认识到了3S 技术在快速、准确掌握丰富空间信息等方面的突出特点, 同时也意识到仅通过人工调查或单纯用遥感技术开展公路两旁山坡水土流失调查对尽快掌握水土流失状况、及时采取防治土壤侵蚀的措施、更好规划水土保持工作的制约。因此各国都在积极探索将3S 技术应用于公路两旁山坡水土流失动态监测中。通过多年的研究, 3S 技术在水土流失监测和水土保持管理领域中已经取得了很大的进展, 成为公路两旁山坡水土流失监测的主要手段, 在我国已经是实现水土保持科技化、现代化的重要标志之一。
3S 技术应用于公路两旁山坡水土保持监测工作, 从20世纪90年代末期逐步快速发展起来。东部沿海城市使用得较早, 并且取得了很多有益的经验。例如, 长江流域的多数城市在90年代末开展的公路水土流失动态监测工作中, 最早将 3S 技术全面应用于大范围区域的水土流失监测中, 在水土保持GIS 信息分类编码标准研究、计算机网络及监测系统的总体规划、设计、软硬件配置等技术基础研究和监测系统建设的基础上, 详细分析研究水土流失的有关技术规程规范后, 确定了利用3S 技术开展区域监测的科学、可行的技术方法、技术路线和实施方案。在实施过程中, 充分应用了3S 技术、计算机网络技术等多种高新技术, 采用DEM、影像正射校正、多源影像数据融合、多层次信息提取等先进的技术方法, 首次为区域水土流失动态监测探索了一整套的高新技术方法, 并且在监测过程中成功地解决了项目区跨带投影变换, 首次利用先进的物理模型方法对整个项目区TM 和SPOT影像分别实施了高精度的正射纠正。之后 3S 技术在公路水土保持领域得到了迅速推广和应用。
4、总结
目前，虽然3S技术在公路环境保护方面的应用还有很多不完善的地方，但在滑坡、泥石流及水土流失等方面的监测、保护做得已较为完美，能起到及时发现并采取措施保护公路两边的环境的作用。3S技术在公路环境保护的应用启发我们，我们应该积极把高科技与公路环境保护结合起来，做到全方位、全时间监测，提高各种地质灾害动态监测和预警的准确性, 为公路保护及公路地质灾害防护提供及时有效的信息,。
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