“黄土高原严重水土流失区生态农业动态监测系统技术引进”项目是水利部在黄土高原实施的最大的“９４８”水土保持先进技术引进项目，是实现黄河流域水土保持监测数字化、信息化、智能化的关键技术；同步实施的“黄河流域水土保持遥感普查”项目是在水土保持先进技术引进项目基础上的推广应用和具体实践，既是科研工作，又是生产任务。１９９８年１０月立项实施以来，黄河水利委员会黄河上中游管理局先后完成设备引进、安装、调试、ｇｐｓ控制网布设、航空摄影、数据集成、系统开发、应用试验和推广等工作，取得了显著成果。

    一、项目引进的背景和目的

    黄土高原水土流失为世界之最，其水土资源是黄河流域的宝贵资源。如何对其水土资源及生态环境及时监测和建立全面系统的数据库系统即地理信息系统，以便合理决策、科学管理是治黄工作中迫切需要解决的技术问题。在国外，利用航天、航空遥感技术及计算机技术进行水土资源及生态环境系统普查、动态监测、区划、规划和管理已十分普及，我国在这方面的技术比较滞后，至今没有形成完整的技术应用体系和技术服务体系，特别是航测设备、遥感应用软件等难以满足实际要求。

    黄土高原沟壑纵横，地形破碎，水土流失特别严重，生态环境十分脆弱，在这样复杂的条件下实现山川秀美，建立可持续发展的生态环境系统，其措施的布局必须体现因地制宜、综合配置的原则，方能充分利用当地的水土资源最大限度地发挥生态环境系统的整体功能。梯田、坝地、水地、果园、经济林、乔木林、灌木林、牧草等综合措施的配置，在破碎地形条件下，复杂多变，要实现黄土高原生态环境的动态监测，必须采用分辨率高、信息处理功能强大的设备与技术。黄土高原“９４８”项目正是在这一条件下实施的，是高新技术在治黄中的实践探索，具有重大的现实意义。黄河水利委员会抓住这个机遇，实施了全流域水土保持遥感普查项目，从中获得流域水土保持动态监测的本底数据库，成为“数字黄河”的重要内容。

    引进国际先进水土流失监测技术，开展遥感普查，建立黄河流域尤其是严重水土流失区水土保持生态环境监测系统是十分必要和迫切的。通过项目的全面实施，能及时掌握黄河流域水土流失状况尤其是严重流失区生态环境的变化趋势，及时掌握水土保持生态环境建设的成效，为水土保持工作的科学决策和高效管理提供依据。

    二、引进内容和技术路线

    １．引进的设备和软件系统

    黄土高原“９４８”项目引进了一套国际先进的航天、航空遥感技术、全球定位技术设备和软件，主要设备有：高精度航片扫描站、数字摄影测量工作站、三维图形工作站、ｇｐｓ全球定位系统、网络服务器、ａ０工程扫描仪、ｈｐ３５００ｃｐ彩色喷墨绘图仪、网络打印机等，主要软件有：摄影测量管理、全数字摄影测量、立体显示、自动空三加密、半自动空三加密、自动ｄｔｍ（数字地面模型）采集、交互式ｄｔｍ采集、正射纠正、地理信息系统（ｍｇｅ软件包、ｇｅｏｍｅｄｉａ桌面ｇｉｓ、ｇｅｏｍｅｄｉａ ｗｅｂ ｇｉｓ）、图像分析、地形分析等。

    引进的设备和软件二次开发后，在遥感ｒｓ、地理信息系统ｇｉｓ和全球定位系统ｇｐｓ的“３ｓ”集成技术基础上，组成了一个整体的、实时的、动态的对地观测、分析、应用的智能化监测系统。

    ２．动态监测的工作区域

    项目宏观监测范围为秃尾河、窟野河、孤山川、清水川４条流域（面积１．４万ｋｍ２）。重点监测陕蒙接壤区的一条小流域（面积３１７ｋｍ２），利用航空遥感技术进行水土保持生态农业措施监测；微观区选两个小于１ｋｍ２的小流域，用ｄｅｍ的变化监测水土流失的量和强度。

    同时开展的黄河流域水土保持遥感普查项目，作为黄土高原“９４８”项目的应用推广，涉及黄河流域９省、自治区，面积达７９．５万ｋｍ２。

    ３．动态监测的主要内容

    宏观区监测的内容：水土流失的面积、分布状况和流失程度，水土流失造成的危害及其发展趋势，水土流失防治情况及其效益。

    重点小流域监测的内容：自然状况的监测，如：气象、水文、地质、地貌、植被等；人类活动影响监测，如：治理措施、陡坡开荒、开发建设项目造成的水土流失等；水土保持效益监测，如：社会、生态、经济、蓄水保土效益等内容。
监督区监测的主要内容：开发建设项目的分布，影响面积的动态变化；对监督区开发建设前后及开发建设过程中造成的水土流失状况，对弃土弃渣量、位置、破坏地表植被状况及造成的危害，对开发建设单位、个人在开发建设过程中采取的水土保持措施进行动态监测。

    微观小流域监测内容：微地貌水土流失情况，沟头、沟底、沟边的侵蚀情况，坝库淤积情况等。

    遥感普查的内容：土壤侵蚀的分级强度、范围、分布以及地面坡度、植被的状况。

    ４．动态监测方式

    水土保持生态环境监测主要采用宏观与微观相结合，点、线、面相结合，多尺度进行监测。具体采用航天航空遥感监测、实地定点监测、巡测、控制断面水文监测、小区试验、典型区域对比专项调查、跟踪调查及抽样调查等。对不同手段获得的信息，运用计算机、ｇｉｓ等技术进行高度集成。

    ５．监测信息源的选择与利用

    黄土高原“９４８”项目为大范围、短周期、高技术、多层次的大型动态监测系统，对综合信息的可靠性、即时性要求很高；同时，监测的信息对象区域分散、平面信息复杂多样，对信息源的分辨精度、可读信息量和信息源的更新速度等方面均有很高的要求。动态监测的主要信息源，为航空遥感影像和卫星遥感ｔｍ数据。航空遥感信息源具有分辨精度高，信息量丰富的特点，适合于高精度的微观监测。其最大的缺点是飞行摄影的成本高昂，如以一年为监测周期，大范围的航空摄影在经济上几乎是不可承受的，因此航空遥感只能作为重点区监测的信息源。

    卫星遥感信息源的优点：信息源的商品化程度高，信息的即时性非常好，可随时获得最新的遥感资料，与航片相比，十分经济可靠。从信息量上看，虽然分辨率低于航片，但在波段组合上包含的信息量比航空遥感更丰富，从相当程度上弥补了分辨率不足的缺点。

    在进行水土保持措施的动态监测中，并不是要求尽可能的精确，只要满足精度要求就行。卫星遥感民用信息源最大平面分辨率已完全可以满足黄土高原生态环境监测的要求。

    综上所述，该项目的主要信息源包括卫星遥感数据、航摄像片、地形图、专题图件、观测资料、统计资料和研究文献资料等。在信息源的使用上，以卫星遥感信息源为主，以航空遥感信息及典型区域的全野外调绘资料为补充。

    ６．技术路线

    动态监测的技术路线：宏观监测（４条重点支流）是利用１９８６年和１９９８年两期ｔｍ卫星影像的解译数据进行分析比较。微观监测（小流域）则以航空遥感、地面监测、调查统计等为依据，采用定量分析方法，分析两个年代的水土流失和水土保持动态变化。

    遥感普查技术路线：以ｔｍ卫星影像（分辨率３０ｍ）为主要信息源，以１∶１０万地形图为基本工作底图，样区调查以１∶１万和１∶５万地形图为工作底图，参考已有各种专业图件（如地质图、地貌图、植被图、土壤图、１∶１０土地利用图等）、水文气象资料和其他统计资料，在野外调查和建立解译标志的基础上，以屏幕解译方式，完成对土壤侵蚀类型、强度和主要因子的解译和评价。

    三、完成的主要工作及取得的成果

    １．完成的主要工作

    完成仪器设备的引进、安装、调试及应用培训。解译项目区（约１．４万ｋｍ２）两个年代的土壤侵蚀图斑６．３万个，获得不同侵蚀类型、不同支流的土壤侵蚀、坡度组成、植被等数据及专题图，开展了宏观区域的动态监测。项目区航空摄影。重点区活鸡兔典型小流域的ｃ级ｇｐｓ控制网布设，完成了两个年代航片的像片控制点测量。开展了微观区域ｇｐｓ微地貌水土流失监测，完成了重点区域水土保持生态环境动态变化研究。建立宏观区域１∶２５万、重点小流域１∶１万数字高程模型（ｄｅｍ），建立了典型小流域三维可视化信息系统和不同尺度的三维立体浏览系统。建立了黄河流域一级支流水土保持动态监测地理信息系统。开展了黄土丘陵区土壤侵蚀评价模型研究，解译推广区（全流域７９．５万ｋｍ２）２０世纪９０年代末的土壤侵蚀图斑６０万个，获得了水土保持的相关信息和专题图件。

    ２．取得的主要成果

    主要数据成果包括：

    （１）全流域土壤侵蚀图形属性库：每个图斑包含侵蚀类型、侵蚀强度、水土保持分区、地表组成物质、植被盖度、坡度六位属性码。

    （２）全流域图像库：包括１∶１００万黄河流域土壤侵蚀图，１∶１００万黄河流域植被图，１∶１００万黄河流域坡度图，１∶１００万黄河流域ｔｍ卫星影像图，任意比例分省区、分重点地区、分流域土壤侵蚀图，任意比例分省区、分重点地区、分流域ｔｍ卫星影像图等。

    （３）全流域数据库：包括全流域、分行政区（省、地、县）、分类型区、分流域（＞１０００ｋｍ２一级支流）的土壤侵蚀强度、植被覆盖度、坡度数据。

    （４）地理信息系统：黄河流域一级支流水土保持地理信息系统，典型小流域三维可视化地理信息系统。

    （５）重点地区（清水川、孤山川、窟野河、秃尾河４条黄河一级支流）动态监测成果：基于ｔｍ影像解译的１９８６年和１９９８年土壤侵蚀图形属性库及数据库。

    （６）典型区域（活鸡兔流域）动态监测成果：１９８７年和２００１年航片正射影像图及土地利用现状图、基于航片解译的１９８７年和２００１年土地利用及生态环境措施数据库。

    （７）模型研究：建立了黄河流域黄土丘陵区土壤侵蚀模型。选择影响土壤侵蚀的５个主要因子，即植被、坡度、沟谷密度、土壤抗蚀性、降水侵蚀力，回归出土壤侵蚀与影响因子之间的综合模型，并在黄河中游韭园沟流域进行了验证。

    （８）文字报告：黄河流域水土保持遥感普查及监测项目图像解译标志库、黄河流域水土保持遥感普查及监测项目实施技术规范、黄河流域水土保持遥感普查及监测项目研究成果报告、黄河流域黄土丘陵区土壤侵蚀评价模型报告等。

    此次遥感普查及监测客观反映出黄河流域水土流失的现状，进一步明确了黄河中游为水土保持和水土流失治理的重点区域，并为制定切实可行的水土保持方案提供了可靠依据。遥感普查成果是黄河流域水土保持宏观决策的基础信息，可作为黄河流域水土保持动态监测的本底数据库长期使用，同时又是“数字黄河”的重要组成部分；建立的地理信息系统可实现黄河流域不同区域水土保持信息的快速提取、分析和使用。

    四、关键技术和技术创新

    １．关键技术

    关键技术包括：用于水土流失监测的ｇｐｓ控制网设计和建立技术，用于水土保持监测的信息源选取和航空摄影设计技术，在水土保持监测中应用的全数字摄影测量技术，遥感图像的处理技术及应用软件的二次开发，水土保持生态环境措施、土壤侵蚀遥感信息的提取和自动识别技术，水土保持动态监测系统和三维可视化系统、计算机网络技术等。

    ２．创新点和经验

    引进设备软件后，建成动态监测系统。在技术、设备资源与功能的应用开发上，形成了国内首家规范化的水土保持生态环境综合遥感监测系统。在主要技术参数上，如短周期、不同尺度监测、信息资源的利用率、信息集成与处理的功能、遥感信息模型、信息提取的自动化程度等方面，达到国际领先水平。主要包括：

    （１）综合集成“３ｓ”、地面监测、模型计算等技术，建立了黄土高原严重水土流失区生态环境动态监测系统平台。

    （２）首次在水土保持领域大范围综合利用“３ｓ”技术，开展大范围水土流失动态监测及黄河流域水土保持遥感普查。建立了数据总量超过１０００ｇｂ的黄河流域水土保持图像库、图形库、属性库、数据库等。数据可靠，精度高。系统地建成了黄河流域水土保持生态环境动态监测的本底数据库。这套基础数据将对今后的水土保持规划、流域治理以及领导的宏观决策提供有力的技术支持。

    （３）建立典型流域水土保持监测ｇｐｓ控制网，利用ｇｐｓ技术开展微地貌水土流失监测方法研究。

    （４）首次将数字摄影测量系统应用于水土保持生态环境监测中，生产的数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图，其精度较传统方法有了很大提高。

    （５）编制了土地利用及水土保持措施３位编码、土壤侵蚀６位编码技术规程，详细、客观的摸清了动态监测区不同年代土地利用和水土保持措施情况以及全流域土壤侵蚀状况。

    （６）研制开发出黄河一级支流水土保持地理信息系统、三维可视化信息系统、立体浏览系统，在网络系统的基础上实现人机交互演示。

    （７）积累了一套行之有效的管理方法。首先成立了项目领导组，加强组织领导。正式批准立项后，成立了专门的项目办公室，负责对项目的法人管理和组织实施；同时采用招标投标制，选择项目承担单位；聘请了项目专家顾问，及时解决项目中出现的技术问题。专款专用，严把质量关，强化检查、验收程序，有计划、按进度推进工作。

    五、效益及推广应用前景

    １．经济、社会效益

    通过引进项目建立的黄河流域现代化的动态监测系统，为宏观决策与流域、区域中长期及各种尺度的规划和项目管理提供即时、系统、准确的动态信息与技术支持，可大大提高决策、规划、管理的即时反应能力，适时调整规划布局与资金投入的方向，提高生态环境建设分类投入的实施效率，改善农业基本生产条件。

    该项目的实施将大量外业调查工作内业化。要完成黄河流域动态监测系统所要求的信息采集与信息的处理，按全野外调绘工作量与费用进行估算，每年需多花经费千万元以上。

    该系统的建立，将使高层决策部门随时掌握黄河流域生态环境建设详实的动态信息，政策与决策的制定将更具针对性与科学性。系统的建成将显著提高黄河流域水土保持生态工程的实施效率和建设进度，并为各类治理措施的全面质量监理提供技术支持，从而保证治理标准的贯彻执行，提高治理措施的保存率。同时，该项目是生态环境科学研究的技术基础之一，使诸如生态环境效益分析、各类型区生态环境治理开发模式、新增水土流失的预测与监测、土壤侵蚀类型区的划分等悬而未决的研究领域获得有力的技术支持，有利于提高黄河流域水土保持生态建设应用研究的科技含量。

    项目获得的成果可作为基础数据库，在以后流域动态监测和领导决策方面发挥特殊作用。动态监测系统是高层管理与决策的技术保障体系，是建立规范化、科学化、标准化管理与决策的基础。

    ２．推广应用前景

    通过项目实施建立的监测系统具有广泛的推广应用前景：

    （１）可为中央及各级水土保持和生态环境管理部门提供可靠、详实、即时的生态环境、土地利用、基本农田建设、水土流失等动态监测资料，是黄河流域水土保持生态环境建设工程的技术保障系统。

    （２）为区域、流域和支流中长期规划及实施性的规划和方案编制提供可靠的技术支撑。

    （３）为生态环境、水利、环境整治等科研机构提供强大的技术支持和技术服务。

    （４）可提供丰富的地表、地下遥感信息集成，拓展监测的技术领域。
在该研究成果的基础上建设的黄河流域水土保持监测网络系统建成后，可形成黄河水土保持监测网络体系和基于小流域的水土保持数据库，实现对水土保持信息的实时采集、准确处理、快速传输、便捷查询、高度共享、仿真模拟和预测预报等，为国家水土保持宏观决策和各层次规划、科研、示范、监督、管理提供信息保障，将使黄河流域水土保持工作跨上一个新台阶。