“3S”技术及其在土地资源管理中的应用

王 辉 李 艳 刘 刚

摘要介绍了“3S”技术及其原理,概述了“3S”技术在土地资源调查、土地利用变更调查、土地利用规划以及土地利用数据库建设中的应用,指出了“3S”技术在土地管理方向的发展趋势。

关键词“3S”技术;土地资源管理;应用;发展趋势

中图分类号 F301.23;TP79 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)21-0257-03

土地资源管理是一项非常庞大的工作,有海量的信息需要综合处理和考虑,而传统的资源信息获取能力有限,管理体制落后,管理能力低下,不能及时、准确、全面地了解资源状况信息,传统的管理模式已不能适应当前形势的发展,急需一种新的技术手段来满足现代土地资源管理工作的需要。遥感技术作为一门高新技术,自20世纪70年代初以来,由于其具有大面积的同步观测、时效性、综合性与可比性、经济性等特点,数据具有良好的现势性和动态性,在土地利用的现状调查和动态监测中具有无可替代的优势,因而得到了极大的发展。而且自“Land-sat”计划实施以来,土地资源调查、制图与管理及动态监测一直是遥感技术应用规模最大的领域之一。近年来,随着遥感数据分辨率的提高以及GIS、GPS 的应用,遥感数据在土地资源管理中的应用效果大大提高,可以满足现代化土地资源管理的需要,可以大大提高土地资源管理的科技水平,“3S”技术在土地资源管理中拥有广阔的前景。

1“3S”技术概述

“3S”技术是指遥感技术(Remote Sensing,RS)、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的统称,是将空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合,多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。

1.1遥感技术(RS)

遥感(RS),通常是指通过某种传感器装置,在不与研究对象直接接触的情况下,获得其特征信息,并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。遥感技术是20世纪60年代才开始兴起的一门新兴综合性探测技术,是在不直接接触的情况下,对目标物或自然现象远距离的感知,具有宏观、综合、动态、快速的特点。遥感技术已成为一种影像遥感和数字遥感相结合的先进、实用的综合性探测手段,被广泛应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、环境监测、地球资源勘探及军事侦察等各个领域[1]。

1.2地理信息系统技术(GIS)

地理信息系统(GIS)是一种由硬件、软件、数据和用户组成的,以研究地理或地学数据的数字化或图形化采集、存储、管理、描述、检索、分析和应用与空间位置有关的相应属性信息的计算机支持系统,是集计算机学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学和现代通讯技术为一体的一门新兴边缘学科[2]。一个典型的地理信息系统应包括4个基本部分:计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据库和系统应用管理人员。计算机软硬件系统是地理信息系统的基本核心;空间数据库则是基础;管理应用人员是地理信息系统应用成功的关键。

1.3全球定位技术(GPS)

全球定位系统(GPS),是建立在无线电定位系统基础之上的空间导航系统,由空间卫星、地面控制站、用户设备三部分组成,利用卫星信号来准确测定待定点的位置。全球定位系统主要用于实时、快速地提供目标的空间位置,为所获取的空间及属性信息提供准时或准实时的空间定位及地面高程模式。全球定位系统是20世纪70年代由美国国防部批准,海、陆、空三军联合研制的具有在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。目前,除了美国的全球定位系统之外,具有GPS同类功能的卫星系统还有俄罗斯的全球卫星导航系统,以及正在发展中的欧洲导航卫星系统和日本多功能卫星增强系统,因此全球卫星定位系统(GPS)仅是具有这些功能系统的代名词[3]。GPS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。

1.4“3S”技术结合

由于RS、GIS、GPS都以地球为研究对象,研究的手段和方法相似,能够相互补充和完善。全球定位系统的组合技术系统为遥感对地观测信息提供了准实时或实时的定位信息和地面高程模型;遥感对地观测的海量波谱信息为目标识别及科学规律的探测提供了定性或定量数据;“3S”的集成将使GIS具有获取准确、快速定位的现势遥感信息的能力,实现数据库的快速更新和在分析决策模型支持下,快速完成多维、多元复合分析。因此,“3S”的集成技术将最终建成新型的地三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统,形成快速、高精度的信息处理流程。

2“3S”在土地资源管理中的应用

2.1“3S”技术在土地资源调查中的应用

土地是人类赖以生存的物质基础,准确掌握土地利用状况,不仅可为土地管理部门制订土地利用总体规划、合理利用和开发土地资源提供可靠依据,同时也为各级政府部门在制订计划和区划时提供准确的参考基础。传统的土地资源调查是建立在手工操作基础上,不仅速度慢,工期长,耗费人力物力,而且精度低,工序繁琐,成果的可复制性和变更性差,难以满足现代社会对土地信息的迫切要求。卫星遥感技术的出现,为土地利用调查提供了全新的数据源,特别是近年来高分辨率卫星遥感数据开始进入民用遥感应用领域,为县级土地利用调查(土地详查)以及绘制1∶10 000 甚至更大比例尺的土地利用图提供了便捷、高精度的土地利用信息;GPS可以实现精确地定位,特别是GPS/RTK差分测量技术的应用可以完全解决高精度、大比例尺土地利用调查制图的要求;利用GIS强大的空间分析、统计功能以及可视化制图功能为土地资源的统计、大比例尺土地利用图的制作提供了强有力的工具,为土地资源评价、土地等级划分提供方便、高效、智能的方法。总之,以高分辨率遥感影像为基础,基于3S技术,结合地面典型调查的土地资源调查具有客观、快速、省时、省力等优点,是土地监测和管理走向现代化、科学化的发展趋势。

桂德竹等对“3S”集成技术在精准土地调查中的应用原理和流程进行了探讨,并对应用中出现的坐标系统转换和精度偏移等问题进行了研究[4];肖洪等以高分辨率的Quick Bird影像为基础,以贵州省望谟县局部土地利用调查为例应用3S技术进行了县级土地利用调查的实践,得出了较好的结果[5]。徐鹏炜等以TM影像为基础,应用GIS 提供的空间分析功能,对绍兴县土地利用的空间分布进行了定量的描述和分析,实现了快速、动态地了解和掌握土地资源的变化情况,为当地政府进行土地资源的管理提供了科学的决策依据[6]。这些实践活动表明:基于3S的土地资源调查是可行的,而且与传统土地资源调查方法相比具有极大的优势,是土地利用和土地资源调查方式的新方向。

2.2“3S”技术在土地利用变更和动态监测中的应用

土地利用变更调查是我国国土资源管理的基础性工作之一。一方面,它保持了土地利用调查成果的现势性,满足土地利用数据库建设、土地利用规划工作的需要;另一方面,它也是土地主管部门制定土地利用政策及对土地利用现状进行监测的依据。土地利用变更调查是一个极其复杂的庞大工作,常规的土地变更调查方法,获取数据周期长、精度低,如何准确、及时地反映出土地利用的变化是国土资源管理的一个难题。“3S”集成技术不仅使得GIS能准确获取、快速定位空间信息,随着GIS与RS的结合日趋紧密,GIS的数据可以海量增加,而且利用GPS的精密定位功能,可以在野外对解译结果进行验证、更新,从而提高遥感解译的精度和可靠性。基于3S的土地利用变更调查主要流程如下:遥感影像的校正、增强、配准融合——建立遥感解译标志——制作土地利用现状图——与原始土地利用图进行比较,获取变化信息——野外GPS调查验证核实——土地变化数据的统计与分析——GIS土地数据库的更新[7]。采用RS、GPS与GIS相结合的方法调查土地利用变化,既发挥了RS获取数据速度快、精度高、范围广的特点,又发挥了GPS定位精确、对数据管理与分析的优势。在缩短调查时间的同时,保证调查精度,节省调查费用,而且应用3S一体化技术得到的土地利用专题图可以很好地把RS的栅格影像与GIS的矢量数据结合在一起,可以更加直观地反映土地利用的变化状况。

2.3“3S”技术在土地利用规划中的应用

土地利用总体规划是对一定区域未来土地利用超前性的计划和安排,是依据区域社会经济发展和土地的自然历史特性在时空上进行土地资源合理分配和土地利用协调组织的综合措施。目前,我国已形成了国家级、省级、市(地)级、县(区)级和乡(镇)级5个层次较完整的土地利用总体规划体系。实时、准确、快速地掌握土地利用动态变化信息,对于促进土地资源合理利用、规划和科学管理,具有十分重要的意义。目前,土地开发整理的进程日益加快,为了加强土地产权的有效监督,实现土地利用现状跟踪管理,建立“以图管地”的土地资源管理新机制尤为重要。但传统的模拟土地利用现状图以及相应的土地管理方法,已无法适应当前信息时代的管理模式及应用需求。而3S技术的出现,为其提供了比较完美的解决方案,以GIS技术为核心,以计算机网络为传输载体,使用可视化技术,在建立土地利用总体规划信息库的基础上,紧密结合土地利用总体规划的业务流程,实现土地利用总体规划编制、修改、实施的自动化管理,结束长期以来土地利用总体规划成果基本上靠人工管理的存取效率低下、信息形式单一、难以保存质量,易损坏等问题,为土地规划的动态实施和成果管理提供了科学的方法和现代化手段。刘鲁军等对3S技术在土地利用规划方面进行了相关的探讨,指出了其在土地利用规划中的应用内容和价值以及在土地利用规划中的发展前景[8]。

2.4“3S”技术在土地利用数据库建设中的应用

土地利用调查的一个目的就是为了摸清当前土地资源的利用状况以及土地利用变化情况,作为土地管理工作者和政府职能部门进行土地管理、规划等决策的基础依据。常规土地利用调查的内容只有部分成果:土地利用图、林图、草地图供各部门使用,而众多的信息处于闲置状态,这些“固定”了的信息在反映土地利用动态方面存在很大的局限性,导致大量的重复工作,耗费大量的时间、人力和财力[9]。而且随着调查次数的增加,各方面的图件及数据也越来越多,为资料和数据的科学管理和信息的充分利用都带来了许多困难。为了改善土地利用调查工作的现状,减少工作量,提高工作效率和工作精度,实现信息的科学管理和信息共享,快速、准确地为各部门提供所需信息,建立土地利用信息系统数据库势在必行。

通过利用3S技术实施土地利用数据库的建设与更新管理,可有效地保持土地利用现状调查成果的科学性、现势性与准确性,实现土地资源管理的科学化。在完成数据库创建以后,系统就可以自动面积量算、专题图输出等工作,系统分析模块能对土地利用现状进行统计分析,并对土地利用现状做出评价及规划,为决策部门及时地提供所需信息因此大大减少了土地管理部门及政府职能部门的工作量,提高社会工作的效率[10]。同时,在建立统一标准的数据库的基础上,方便调查成果的共享,避免重复工作,节省人力和财力,同时现有调查成果也是今后土地利用变更调查重要的数据基础,可以快速方便地进行叠加分析,得到变更差异成果[11]。我国土地利用数据库建设工作发展迅速,到2002年底,全国就有近500个县市开展了土地利用数据库的建设工作,目前大部分已经完成了数据的采集和录入工作。

3发展趋势

3.1高光谱遥感

高光谱遥感具有很高的时间和空间分辨率,它与TM、SPOT等波段等相比,可以探测出许多陆地卫星不能探测的地物,探测某些具有特殊光谱特征的地物也成为可能,特别是在地质土壤、沿海及内陆水域、覆被调查等方面具有广阔的应用前景[12]。高光谱传感技术的出现给基于“3S”技术的精确土地评价与管理提供了质与量的保证。

3.2“3S”集成技术

卫星遥感资料具有实时、连续、准确地反映大范围地表信息的特点。但在对遥感图像中的各类别进行分类时,由于“同物异谱”、“同谱异物”的情况时常发生,影响了图像中各类别的分类精度。这时,可以在GIS的支持下,补充一些非遥感信息参与分类,以提高分类精度。此外,还可以利用地理信息系统提供的非遥感信息参与遥感信息的各种定性、定量分析,加大信息挖掘的深度,提高遥感信息的适用效率。地理信息系统能够存储空间信息和属性信息,其分析模块具有强有力的地学分析功能,并能够最大量地从已有数据中获取感兴趣的地理信息。再加上全球定位系统,能对地表或空间的物体执行定时的精确定位,使“3S”技术有更强的判断和决策能力。因此,RS是GIS的重要信息源和数据更新手段,GIS是遥感信息提取与分析的重要手段,GPS可以提供精确的空间定位,可以说三者的结合是现代土地资源管理的发展方向。

3.3规范化

土地资源信息具有数据量庞大,数据种类繁多,空间定位数据与属性数据并存的特点。基础数据的输入和基础数据库的建立是GIS成本最高的部分,但目前在环境科学领域3S应用的规范化研究还没有引起足够的重视[13]。比如在地理编码方面,虽然已经有一些规范,但是仍未标准化,数据和信息采集机构间缺乏公用的通道,造成大量的重复工作和联网困难。因此,迫切需要统一数据标准,实现数据信息共享,提高数据和信息的利用率,为数据的及时、快速、动态获取和及时更新奠定基础[14]。

3.4网络化

网络化是信息社会化的必由之路,随着计算机网络技术的普及和推广,土地管理信息化进程也不断加快,如何利用“3S”技术以及计算机通信网络技术,有效组织和管理各类土地信息,方便信息的获取、存储和管理,实现对土地利用进行有效的监测、分析和评价,为土地管理提供客观、全面、及时、准确的信息服务和技术支撑,已成为土地管理信息化建设的主要目标[15]。随着Internet的普及和WebGIS的发展,利用地理信息系统将复杂属性数据与其空间数据归于同一空间坐标系中,统一数据标准,在网上实现各种信息、数据资源的集中管理、更新和共享,加强部门内部、部门之间及社会的联系交流,降低管理工作的成本,提高效率,对推进土地资源管理工作的现代化意义重大。

3.5智能化

智能化是信息化管理的未来发展趋势,其主要内容是要在数据采集、信息提取、制图等方面提高智能程度,减少人工处理量。专家系统是模拟人的思维推理过程,利用大量专门知识解决各特定领域中的实际问题的计算机系统,它利用智能模型以定性分析的方式辅助决策,是人工智能领域的重要组成部分。但目前专家系统还处于环境科学研究水平,尚未达到实用阶段[15]。新一代土地资源管理决策支持系统应该是一个多种技术综合集成的系统,将专家群体、数据和各种信息与计算机技术有机地结合起来,把土地资源科学与人的经验知识结合起来,以高度智能化集成为目标,具有较高的解决专业问题的能力和决策水平,在空间数据库和知识库的基础上,对土地资源的开发进行模拟分析,对土地资源进行科学管理和规划,以期提高土地资源的智能化管理水平。

4参考文献

[1] 孙家柄,舒宁,关泽群,等.遥感原理、方法和应用[M].北京:测绘出版社,1996.

[2] 张超.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社,1995.

[3] 毕华兴.“3S”技术在水土保持中的应用[M].北京:中国林业出版社,2008.

[4] 桂德竹,张成成,李钢,等.“3S”集成技术在“精准土地”调查中的应用研究[J].测绘科学,2007,32(4):155-156.

[5] 肖洪,邱永红,朱佩娟.基于高分辨率卫星影像的县级土地利用调查研究[J].中南林业调查规划,2004,23(2):45-48.

[6] 徐鹏炜,王艳萍,蔡菊珍.利用遥感和GIS 技术监测绍兴县土地利用现状及其制图研究[J].科技通报,2005,17(5):16-20.

[7] 王力,尹君,郭庆十,等.基于RS和GIS的土地利用变化研究——以河北省黄骅市为例[J].国土资源管理,2005(22):88-93.

[8] 刘鲁军,黄道伟,任启萍.“3S”技术在土地利用总体规划中的应用[J].河北农业科学,2008,12(10):123-125.

[9] 李杰,李小娟.宁夏土地利用信息系统的建立及其应用[J].宁夏工学院学报,1996,8(2):1-6.

[10] 高秋华,张渝庆.土地利用数据库建设与管理中3S 集成的应用[J].测绘通报,2003(2):30-32.

[11] 吕亮卿,田晓东.利用遥感技术进行县级土地利用变更调查方法的研究[J].山西农业大学学报,2006,26(3):411-412.

[12] 宋拥军,刘保东.“3S”技术在土地资源管理中应用的现状及趋势[J].山东国土资源,2005,21(9):49-51.

[13] 舒艳,王红旗,黄歆宇.地理信息系统在环境保护领域的应用分析[J].地理信息系统,2002(1):30-32.

[14] 马建梅.3S技术在土地资源管理与决策中的应用[J].西北农林科技大学学报(社会科学版),2001,1(3):38-41.

[15] 阳艳弟,王力,陈宵,等.“3S”技术及其在土地资源管理中的应用[J].重庆邮电学院学报(自然科学版),2006,18(3):422-426.