林业地理信息系统与遥感课程教学探讨

张猛 龙江平

[摘 要] 遥感图像是地理信息系统的主要信息来源，而地理信息系统是管理和分析空间数据的有效手段，有助于提高图像的利用价值，二者相辅相成。因此，在新农科背景下，林学专业的“遥感与地理信息系统”课程开设与优化刻不容缓。以数字高程模型DEM分析为例，介绍了中南林业科技大学林学专业的“遥感与地理信息系统”课程的教学经验，注重理论与实践相结合和软件功能多样化应用的教学，推进林业“遥感与林业地理信息系统”融合及课程教学质量的提高。

[关键词] 林业遥感;林业地理信息系统;数字高程模型;教学;实践

[基金项目] 2020年度中南林业科技大学教育教学改革研究项目“新时期遥感技术应用于林业工作的实践研究”（中南林发〔2020〕49号）;2019年度中南林业科技大学教育教学改革研究项目“面向新工科的测绘工程实践课程体系建设与教学改革研究”（中南林发〔2019〕70号）

[作者简介] 张 猛（1987—），男，博士，湖南岳阳人，中南林业科技大学林学院讲师，硕士生导师，主要从事资源环境遥感研究;龙江平（1982—），男，博士，湖南常德人，中南林业科技大学土木学院副教授，硕士生导师，主要从事林业遥感研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）38-0152-04   [收稿日期] 2021-05-26

一、引言

遥感（RS）与地理信息系统（GIS）是现代空间信息科学重要的手段之一，是目前空间信息获取的常用技术，对国民经济和社会发展具有重要的作用[1，2]。在传统林业、数字林业以及智慧林业，遥感与地理信息系统都占有举足轻重的地位[3，4]。特别是《国家级一流林学本科专业建设点名单》的公布，极大地推动了国家高等林业教育的改革步伐与进程，促进了林学与其他高新技术的交叉融合。

遥感图像已成为地理信息系统的主要信息来源，也是地理信息系统的核心组件。地理信息系统是管理和分析空间数据的有效手段，有助于提高图像的利用价值，二者相辅相成。因此，遥感与地理信息系统的集成已逐渐成为一种发展趋势。“林业遥感”和“林业地理信息系统”课程正是为培养从事林业的人才而设置的，是林业类专业的两门十分重要的专业课程。“林业遥感”课程主要讲授遥感技术系统、遥感物理基础与彩色原理、航空遥感、航天遥感、遥感图像处理、遥感图像解译、高光谱遥感在植被研究中的应用、遥感技术在林业中的应用[5]。“林业地理信息系统”则主要讲授地理信息系统的一般原理、方法和林业方面的应用，进行森林资源环境的经营管理决策分析，使森林经营管理信息化[6]。讲授两门课程的过程中，不仅要在遥感和地理信息系统两方面分别展示经典的案例，还要将二者结合的经典例子给学生演示。同时，在讲授案例时，要将案例中涉及的相关理论知识教给学生，并在遥感软件（ENVI）和地理信息系统软（ArcGIS）上进行实践操作。

中南林业科技大学林学院自开设“林业遥感”与“林业地理信息系统”课程以来，十分重视学生对这两门课程理论知识的掌握和实践动手能力的培养。

二、授课方法

（一）引导式教学

尽管林学专业的学生对遥感和地理信息系统的理论有初步的了解，但还是有一部分学生会出现理解困难的情况;因此，进行实践操作之前，需要引导学生回忆有关数字高程模型（DEM）的概念、生成过程及相关功能等方面的知识，进行课前预热，使学生进入状态。例如在课程開始时，讲解有关DEM的知识，并在ArcGIS 10.6中简单讲解DEM的生成，使学生了解科学研究的步骤应该是先有研究后有软件操作平台。

TIN与DEM是地形分析的两种主要数据源。DEM的数据源主要有航摄立体像对、机载与地基激光雷达（LiDAR）、合成孔径雷达（SAR）、高分辨率卫星像对与无人机摄影测量。DEM一般是栅格格式的，也有基于点的DEM，一般在后续处理中会将其标准化为栅格。TIN可由含有高程信息的矢量数据生成，也可由DEM、Terrain数据集和激光雷达点云数据转换得到，TIN也可以转换回DEM。

加载准备好的芦头林场PraElevationPoint和PraElevationLine数据，打开ArcToolbox-3D Analyst Tools-Data Management-TIN-Create TIN，在工具中指定加载的两个要素类为输入要素类，输出TIN数据集命名为PraTIN，坐标系统选择Layers分类中已加载要素类的投影坐标系（西安80），确保输入要素类的Height Field为ELEVATION，点击运行。如果指定线要素类的类型为Soft_Line或Hard_Line，则输出TIN将被指定线要素隔断并显示，这在现实中分别反映为等高线数据及陡崖、河流、道路等高程突变地段。点线面要素均可作为有地形特征的地图标识赋予TIN数据集额外的信息，不必在创建TIN时加载全部要素，使用Edit TIN工具在后续添加数据源。接下来由生成的TIN数据派生DEM，打开3D Analyst Tools-Conversion-From TIN-TIN to Raster，指定输入TIN为上一步生成的TIN数据集，输出保持默认命名，数据的数值类型、插值方法与单位转换因子保持默认，采样距离指定为CELLSIZE10，即像元大小为10×10m2，点击运行。不同的插值方法将导致结果有微小的差别，尝试自然邻域插值。

（二）数字高程模型DEM分析理论教学

DEM分析理论教学的目的是让学生了解DEM蕴含的各种地形地貌结构信息，掌握提取这些信息的空间算法。DEM地形分析可分为基本地形信息计算和复杂地形信息计算两类。基本地形信息主要包括坡度、坡向及等高线等地形描述因子，复杂地形分析包括可视区域分析、地形特征提取、水系特征分析等。本次课程主要内容是讲解DEM的基本地形信息计算。坡度计算一般采用拟合曲面法。拟合曲面一般采用二次曲面，即3×3的窗口。每个窗口的中心为一个高程点。例如，中心点的坡度和坡向的计算公式如下。