面向土地利用制图的GIS野外综合实习设计

肖裕淼 李泓轩 李浩 刘素红 胡万清 肖忱枫 谢云

摘 要：GIS野外实习是地理专业的重要教学环节。目前，大多数高校的GIS实习主要依赖于室内数据分析和模拟实验，缺乏针对具体问题的包括数据获取、数据处理、结果分析等完整步骤的野外实践教学体系。本文以广东省韶关市仁化县夏富村为例，面向土地利用制图这一主题，介绍一套基于无人机的GIS野外综合实习的完整方案，旨在帮助学生接受全过程的野外研究训练，以更好地理解和应用GIS技术，同时也为高校开展GIS野外实习提供有益参考。

关键词：GIS实践教学；野外实习；无人机；土地利用

中图分类号：G642.44       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2024）08-0070-04

一、引言

随着计算机技术的快速发展，地理信息科学（GIS）已成为一个多学科交叉的前沿领域，在国土管理、环境保护、交通运输、农业生产、地质勘探和海洋开发等诸多领域发挥着越来越重要的作用［1］。GIS技术的发展及其广泛应用引发了对GIS专业人才需求的急剧增长。GIS专业人才不仅需具备扎实的理论基础，更要掌握出色的实践操作能力。因此，实践教学在GIS教育中占据举足轻重的地位，它不仅是地理教学的核心环节，更是培养学生综合思维与区域认知能力的关键途径。

野外实习作为地理教学的重要组成部分，能够有效地培养学生的综合思维与区域认知能力，同时激发他们的学习积极性，提升其实践能力［2］。随着地理学研究的深入，人们越来越重视对人地关系地域系统的综合分析研究，于是也越来越强调耦合自然地理、人文地理与地理信息科学等多领域的区域地理综合实习［3］。GIS实习提供了这一平台，通过地理空间技术的应用，将野外自然地理要素与人文现象有机结合，从而促进区域地理的综合研究［4］。然而，当前在高校GIS课程的实习训练，大多数仍停留于使用GIS软件处理现有数据的上机实验，缺少一个针对具体问题的包括数据获取、数据处理、结果分析等完整步骤的野外实践教学体系［5］。在GIS实习过程中，数据获取是极其重要的先导环节，数据质量直接影响分析结果的准确性，决定了最终成果的质量上限。因此，教授学生如何自主采集高质量的原始数据是GIS实习教学的关键，有利于充分锻炼学生的实践技能与自主学习能力。

无人机技术作为一种新兴的对地观测平台，以其操作简便、体积小巧、数据分辨率可控等优点，已成为生产高精度、高分辨率数据的重要工具，这为GIS野外实习数据获取提供了新的思路［6］。本文以广东省韶关市仁化县夏富村为例，面向土地利用制图这一具体问题，介绍并实施了一套基于无人机的GIS野外综合实习的完整方案，旨在帮助学生接受全面、全过程的野外研究训练，以更好地深入理解和应用GIS技术，提升地理实践能力与锻炼综合分析思维。

二、野外实习区概况

广东省韶关市仁化县丹霞山，坐落于南岭南麓的秀丽山间盆地之中，其总面积达到292 km2，是全球发育最典型、类型最齐全、造型最丰富、景观最优美的丹霞地貌集中分布区［7］。丹霞山位于亚热带季风气候区，年平均气温为19.6 ℃，1月平均气温为9.3 ℃，7 月平均气温为28.4 ℃，年降雨量为1 660.5 mm。流经该地的锦江是珠江水系干流之一的北江水系上游段的主要支流之一。该地自然资源丰富，地理景观独特，是诸多高校开展野外实习的选择。夏富村位于丹霞山河谷中、锦江河流阶地上，地理坐标为113°36'25″E，25°04'12″N，常住人口为6 000多人、耕地面积达到2.588 km2。夏富村早期以发展种植业为主，近年来随着旅游业兴起，逐渐形成了旅游业与种植业并重的经济发展格局。村内建筑独特，融合了徽派、岭南派、西洋等风格，古牌坊、古祠堂等历史遗迹保存完好，为这片土地增添了浓厚的人文气息。2013年，夏富村被评为广东省十大最美古村落之一。因此，位于丹霞山景区的夏富村，既保留了较多独特的自然地理景观，又在一定程度上进行了人文开发，为面向土地利用制图的GIS野外实习提供了良好的研究对象与实践机会。

三、实习方案设计

1.实习目标

本实习方案的核心目标在于帮助学生深入理解和掌握无人机在GIS数据获取中的应用。通过实际操作无人机获取高质量的原始数据，并运用GIS软件进行后续的数据处理和分析，结合实地调研，最终完成高精度土地利用制图。实习致力于培养学生的实际问题解决能力和创新思维，通过将理论知识与实践操作紧密融合，以期提升学生在实际学习与工作中对无人机与GIS应用的操控能力。

2.实习任务

利用无人机的高分辨率与高精度定位系统，对夏富村及其毗邻区域进行航空拍摄，采集具备坐标信息的高清影像数据；运用“大疆智图”等专业软件，对拍摄图像进行精细拼接，生成研究区域的高精度正射影像和数字表面模型（DSM）数据；结合正射影像、DSM数据与实地调查资料，制作夏富村及其周边地区的土地利用图，以深化对当地土地资源分布与利用状况的认知。

3.实习难点与重点

（1）难点

无人机操作需要精确的技巧和判断力，对于初学者构成一定的挑战；数据处理过程相对复杂，需熟练掌握GIS软件的基本操作和数据处理技能；土地利用分类和制图需要对实习区域的地貌、植被、水文与土地资源利用状况等有深入了解。

（2）重点

无人机操作的基本原理和注意事项是确保数据采集质量的基础；GIS软件在数据处理和土地利用制图中的应用流程和方法是实习的核心技能要求；实地调查和遥感影像等资料的收集和分析是确保研究成果准确性的关键。

4.实习步骤

（1）仪器准备

室外仪器包括2台大疆精灵（DJI PHANTOM）4RTK型号无人机（每台无人机配有遥控手柄1个、遥控手柄电池1个、64G遥控手柄SD卡1张、128G无人机SD卡1张、充电器2个）、14块无人机电池、2个读卡器以及3台带有定位功能的手机。大疆精灵4RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，便携易用，全面提升航测效率，十分适用于高校教学与研究。室内设备为配有大疆智图、ArcGIS等软件的计算机。其中，大疆智图是一款提供自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建的PC应用软件，是转化野外真实情景为精准数字资料的有效工具。本方案将使用大疆智图拼接航拍影像为高质量的正射影像与DSM数据。

（2）无人机操作培训

正式作业之前，学生需提前完成室内操控无人机的模拟训练。此外，鉴于实习区位于地形较复杂的山区，对无人机操作技巧要求较高，因此，本方案实习人员还在较为平坦的珠海市淇澳岛进行了多次数据采集训练，以确保在正式操作时的熟练程度。

（3）航线规划

根据实习区域范围与坐标，制定飞行计划与航线。设计原则：确保无人机飞行安全、达到实习目的、尽可能得到高分辨率影像。由于研究区域范围较大，无人机单次作业航程有限，本方案采用分区多次飞行的方式采集数据。在准备阶段，基于ArcGIS软件，叠加在线遥感影像，结合实地调查，勾画地块以完整覆盖研究区域，并将各样区导出为KML文件。本方案设计地块大小均为490 m * 440 m，共制定task01～task10十项任务（图1）。飞行的起飞点共设置3个（P1、P2、P3）：P1完成task01的飞行，飞行高度350 m；P2完成task02、task03、task04、task05、task08、task09，飞行高度200 m；P3完成task06、task07、task10，飞行高度200 m。三次飞行速度均为7.9 m/s，地块平均飞行时间20 min，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，以确保有充足同名点用于构建正射影像。

（4）航线导入与野外飞行

将地块KML数据导入无人机，在保证安全的同时完成飞行作业。注意飞行前要完成指南针校准，每次地块飞行完毕之后立即查看数据检查是否满足需求，必要时及时补飞，并且导出数据备份，防止数据意外丢失。同时，本方案提前设置了无人机最大飞行高度为500 m，最远飞行距离为2 km，以防止无人机失联。飞行作业时需要注意起降点周围的山体、植物与建筑物等，根据实际情况灵活调整起降场地、飞行高度与速度等，实时观察无人机飞行状态，以免无人机信号丢失。此外，需保持航线方向尽量与盛行风向相反，以防止因顺风或侧风而发生事故。在飞行过程中，如果回传画面亮度过亮或过暗，则需调整无人机镜头焦点。

5.数据处理

数据处理关系到最终土地利用制图的精度与准确性。本方案采用大疆智图软件对无人机拍摄的影像进行处理，包括影像拼接、正射影像和DSM数据输出。结合实地调查、正射影像和DSM数据以及《土地利用现状分类》标准（GB/T 21010-2017），确定土地利用的分类体系，并建立对不同地物影像的感知和辨别能力。本方案划定了农田、果园、林地、建筑、水域、道路、草地共7种土地利用类型，每一种类型都对应着特定的影像特征和实地景观。

（1）目视解译

目视解译是GIS数据处理的一项基础工作，它通过对遥感影像的直观分析来识别和分类不同的地物。本方案使用ArcMap10.8软件进行影像处理。首先，通过对输入的正射影像的观察与分析，先勾画出地物的边界（勾画线矢量），将影像的线矢量转换为面矢量（线矢量转面），并为不同的面矢量赋予相应的土地利用类型（面矢量赋类型），以此完成对遥感影像的目视解译工作（图2）。这一过程不仅需要学生对地物特征有深刻理解，还需要有对GIS软件的熟练操作技巧。同时，在目视解译的过程中，需要参考《土地利用现状分类》标准，以确保土地利用类型的准确性与一致性。例如，通过对影像中田块的形状、纹理、颜色和阴影等特征的分析，可将其准确分类为农田。同样，通过对建筑物的轮廓、密度和排列方式的观察，可将其识别为建筑用地。

（2）拓扑检查

完成目视解译后，需要对解译结果进行拓扑检查，以确保数据的拓扑关系正确且完整。拓扑检查是GIS数据处理中至关重要的一步，用于发现和修正数据空间关系的错误与不一致性，是提高土地利用制图质量的重要手段。本方案采用了“同一图层中的区域之间不能存在空隙”的拓扑规则进行检查修正。通过拓扑检查，学生可发现和修正解译结果中的遗漏或错误，如相邻地块的边界不连续或重叠等。这些错误可能会导致土地利用图的不准确与不一致，从而影响后续分析与应用。

（3）结果验证与优化

在完成拓扑检查后，需要对解译结果进行验证和优化。这一步骤通过与实地调查结果进行对比来完成。通过参考实地数据与标准，对存在疑问和偏差的地块进行调整，以提高结果的准确性与可靠性，最终完成高精度的土地利用制图。这一过程不仅有助于提高制图结果的质量，也有利于学生加深对土地利用变化的理解和认识。

6.实习结果

（1）正射影像

夏富村及其周边地区的正射影像与DSM数据分别如图3、图4所示。正射影像显示详细的地理信息和地物特征，DSM数据提供辅助的高程信息，为进行土地利用现状分类提供了坚实的数据基础与判断依据。

（2）土地利用制图

夏富村及其周边地区的土地利用图如图5所示，该区域各土地利用类型大致呈现出条带状的分布特征。建筑区主要位于盆地中部，东临锦江；盆地内有大面积的农田、果园分布；草地面积较小；林地主要分布在锦江两岸以及山体附近。从占比来看，该地区农田、果园占据了重要地位，是当地重要的经济来源。在进行旅游开发的同时，需关注对林果业与农业的保护工作，以实现可持续发展；同时，为进一步吸引游客，也可考虑通过发展特色农业，提供独特的农产品体验，以此增加旅游吸引力。此外，夏富村位于河谷阶地，周边地势较高，因此，在开发过程中需特别注意对山区与林地资源的保护。合理的土地资源管理对于维护生态平衡、保障可持续发展至关重要。该实习结果不仅反映了学生在本次野外综合实习中的学习成果，而且为当地政府与企业提供了有关土地利用状况的重要数据支持，为该地未来的区域发展和土地资源管理提供重要的科学参考与依据。

四、结语

当前，高校地理相关专业的GIS实践教学大多缺失数据获取环节，针对该问题，本文提出了一套基于无人机的GIS野外综合实习方案。该方案以广东省韶关市仁化县夏富村为例，针对土地利用制图这一主题，构建了涵盖数据获取、数据处理、结果分析等步骤的完整实践教学体系。该方案以无人机的操作培训为起点，通过实地操作无人机获取高质量的原始数据，再利用GIS软件进行数据处理和分析，最终完成高精度土地利用制图的实习任务。在实习过程中，学生将充分体验到理论与实践相结合的学习乐趣，并能锻炼独立分析和解决问题的能力，为今后的学习和工作积累宝贵的经验和技能。实践证明，无人机技术的应用为GIS实习提供更加便捷、高效的数据获取方式，推动了GIS实践教学的进步与发展。同时，本文提出的实习方案也能为其他高校开展GIS野外实习提供有益参考和借鉴。

参考文献：

［1］ 汤国安.地理信息系统教程（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2019.

［2］ 李文翎，刘毅华.区域地理综合实习的设计与指导探究——以华南地区地理综合实习为例［J］.地理教育，2013（Z2）：117-118.

［3］ 胡凡根，车彦军，黄伟.“金课”背景下地方院校地理科学专业野外实习教学探索［J］.地理教育，2022（1）：75-78.

［4］ 张中秋，林俊良.地理科学专业野外实习实践课程思政建设探索——以“SPOC+无人机”教学模式为例［J］.地理教育，2022（8）：73-76.

［5］ 王莉，杜久升，景海涛，等.基于“实践育人”理念的GIS专业实践教学改革［J］.地理空间信息，2017，15（6）：114-116，6.

［6］ 晏磊，廖小罕，周成虎，等.中国无人机遥感技术突破与产业发展综述［J］.地球信息科学学报，2019，21（4）：476-495.

［7］ 彭华，潘志新，闫罗彬，等.国内外红层与丹霞地貌研究述评［J］.地理学报，2013，68（9）：1170-1181.

通信作者：刘素红