基于“3S”技术的土地利用动态监测教学实践研究

王建国 刘志川 吴琼 丁清峰 金锦花

[摘 要] 以培养本科生综合实践技能为建设目标，依托于野外教学实习基地，构建基于“3S”技术的土地利用动态监测综合实践教学模式，培养学生利用多种技术手段处理数据信息及综合分析问题的能力。主要建设内容为利用遥感技术、现代测绘科学技术、地理信息系统技术，选取多时相遥感影像，设计分层分类遥感信息提取方法，获取调查区多时相土地利用/覆盖变化过程数据，依据时空变化特征，提取土地利用变化敏感区，采用无人机航测技术进行大比例尺影像敏感区动态监测，并综合研究土地利用敏感区的生态环境演化及社会经济影响。

[关键词] 教学实践;土地利用;动态监测;“3S”技术

[基金项目] 吉林大学本科教学改革研究项目（2019XZC056）

[作者简介] 王建国（1976—），男，吉林伊通人，吉林大学地球科学学院副教授，从事国土资源评价研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0137-02    [收稿日期] 2019-10-10

地球系统科学的发展促使多学科的交叉、融合与渗透成为当代地球科学发展的必然趋势和方向[1]。本文依托吉林大学兴城野外教学实习基地丰富的野外教学资源，研究以数字化为技术手段、多专业交叉融合，建立土地利用动态监测教学实践体系，培养本科生应用多技术方法解决系统问题的能力，提高学生综合性研究能力和复合性认知能力。

一、教学实践研究的目的与意义

在地理科学、地理信息科学、土地资源管理等本科专业的培养方案中，土地资源学、生态学、灾害地质学、遥感技术、地理信息系统、测量学等课程是专业的主干课程。每门课程除理论讲授外，一般设置相应实验及课程设计实践环节，但大多缺少各课程之间的衔接实践或多学科综合性的专业实践。土地利用动态监测是以土地变更调查数据及图件为基础，运用遥感图像处理与识别技术，从遥感图像上提取变化信息，从而达到对土利用变化情况的定期监测的目的[2]。土地利用动态监测教学设计以土地资源学理论为基础，以测绘技术、遥感技术、地理信息处理技术为支撑，学科理论综合应用并与实践紧密结合，可以锻炼学生从遥感影像处理、航测影像采集，到正射影像处理的全过程操作技能，培养学生利用前导课程进行土地利用动态监测、分析敏感区动态变化成因及驱动因素的综合能力[3]。

二、教学设计的主要技术过程

实践教学中以吉林大学兴城教学实践基地为依托，以兴城市土地利用变化为研究对象，土地利用动态监测教学实践采用RS技术、GPS技术、GIS技术对土地利用覆盖变化进行分析，对土地利用重点敏感区进行动态监测，获取敏感区变化过程特征，分析其变化的自然与社会经济驱动因素，为海湾生态环境保护和沿海陆地生态环境建设提供参考。主要技术过程包括：首先在教学实践备课阶段，获取区域地形资料、历年遥感资料、区域社会经济统计资料，以地形图构建区域背景图层，设置区域大地测量控制点，基于上述内容构建土地利用动监测实践教学资源数据库，作为教学实践的数据基础。

三、教学设计的主要内容

（一）土地利用覆盖变化分析

分析土地利用覆盖空间格局变化导致的土地利用类型在遥感影像上的动态反应[4]。利用ENVI和ArcGIS软件，以兴城市及周边地区为研究区域，选取1986—2017年多期Landsat5 TM，Landsat7 ETM+及Landsat8 OLI遥感影像为主要数据源，选用图像直接比较法、分类后比较法、PCA变换、Two-Color Multiview、MNF变换法、ICA变换、光谱角分类法及面向对象的分類方法等分层分类进行土地利用遥感信息提取，获取研究区30年来的土地利用/覆盖变化数据，从时间和空间上研究其变化过程及特征。

（二）土地利用敏感区的设定与提取

在研究区土地利用/覆盖变化综合分析的基础上，初步设立水域、湿地等演化的土地利用生态敏感区，工矿与城镇开发、尾矿坝等土地利用建设敏感区，泥石流、滑坡、水毁地等土地利用灾害敏感区，并建立敏感区历史演化时空序列;与中高分辨率遥感影像（如谷歌地球影像）进行比较分析，进一步厘定敏感区域，根据区域时空演化特征及其生态环境与社会经济影响，分别建立和提取重点生态敏感区、重点建设敏感区、重点灾害敏感区。

（三）土地利用敏感区外业调查

基于设定和提取的重点生态敏感区、建设敏感区、灾害敏感区，进行野外调绘与验证，对敏感区形成的历史、责任主体、自然与社会经济驱动因素进行调查。

（四）基于无人机航摄技术的敏感区动态监测

在设定和验证的重点敏感区，采用大地测量手段建立坐标控制点;应用RockyCapture系统设定航线，以现代测量技术，使用四旋翼无人飞机航空拍摄敏感地区的高分辨率影像，利用已有控制点将获得的影像几何校正至工作坐标系中，以正射影像处理系统采用自动拼接的方法制作近似的正射影像图，获取重点土地利用敏感区0.3～0.8米分辨率高分影像，建立统一坐标系，与OLI影像校正、配准，监测敏感区近期变化的详细特征。并利用无人机航测逐年跟踪监测土地利用敏感区动态变化。

（五）研究区土地利用动态变化分析

基于遥感土地利用覆盖变化、敏感区的提取、无人机航测动态监测、敏感区生态环境建设等，设计土地利用动态监测综合实践教学技术内容，建立数据库。根据区域土地利用变化的时空演化，结合研究区自然、社会、经济历史资料的分析及外业调查结果，分析区域土地利用覆盖变化的主要驱动因素及土地利用动态变化过程存在的主要问题;总结基于景观尺度的重点敏感区时空变化及生态响应与社会经济影响，分析其产生的原因以及今后应采取的生态、工程技术措施。