李淑華 畢連柱 黃 華

(黑龍江豐林國家級自然保護區(qū)管理局,黑龍江五營 153033)

土地信息科學研究進展分析與探討

李淑華 畢連柱3黃 華

(黑龍江豐林國家級自然保護區(qū)管理局,黑龍江五營 153033)

在參考土地信息科學研究和應用的相關文獻基礎上,介紹我國土地信息科學研究進展和取得的成就,探討土地信息科學的前沿領域,并指出土地信息科學發(fā)展趨勢。

土地信息科學;信息系統(tǒng);前沿領域;發(fā)展趨勢

土地信息科學是現(xiàn)代土地科學與信息科學交叉發(fā)展的一個前沿學科,它是以土地資源學與空間信息學為基礎理論,集土地管理業(yè)務、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、遙感等技術(shù)于一體的信息系統(tǒng)工程[1]。

土地信息科學研究可以歸納為兩個主要大方向:一是土地利用 /土地覆被變化 (LUCC)遙感動態(tài)監(jiān)測研究;二是土地管理信息系統(tǒng)開發(fā)研究。前者主要研究土地信息的獲取、處理、表達和應用問題;后者主要研究土地信息的空間處理、分析問題。二者的綜合研究、應用為土地資源管理提供基礎信息和決策手段,大幅度提高了土地資源管理工作的質(zhì)量和效率。同時,作為土地資源管理部門面向社會的窗口,有助于土地資源管理執(zhí)法公正、公平、公開[2]。

1 研究進展和成就

土地信息科學作為一門新興的信息科學技術(shù),已走過了近 40年的發(fā)展歷程。目前正以每年 25%～40%的速度快速增長。毫無疑問,土地信息科學是國土現(xiàn)代化無可替代的重要技術(shù)支撐,它的廣泛應用,必將給土地資源的研究和發(fā)展帶來革命性的變革[3]。

1.1 土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測研究

我國土地利用/土地覆被變化遙感動態(tài)監(jiān)測研究始于 20世紀 70年代。1974年開始引進美國地球資源衛(wèi)星圖像,開展遙感圖像處理和解譯工作。1978年全國第二次土壤普查,許多地區(qū)利用航片借助計算機技術(shù)勾繪出了土地利用現(xiàn)狀圖和土壤圖。20世紀 80—90年代,微型計算機的出現(xiàn)促進了遙感技術(shù)的發(fā)展,我國土地信息科學研究進入新的階段。

1980—1983年我國利用陸地衛(wèi)星圖像資料對全國土地進行遙感調(diào)查 ,編制了1∶250 000和1∶2 000 000土地利用現(xiàn)狀圖。利用航空遙感圖像判讀編制了 1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000的土地利用現(xiàn)狀圖和土地利用類型圖。航空遙感與GPS應用到城鎮(zhèn)大比例尺 (1∶2 000～1∶500)地形圖測繪工作中,為城市土地規(guī)劃建設提供了依據(jù)。

90年代初,在國家土地管理局的組織下,東部采用航空遙感信息完成1∶10 000土地利用調(diào)查,西部以航空遙感和衛(wèi)星遙感信息相結(jié)合完成 1∶50 000、1∶100 000和 1∶200 000土地利用調(diào)查。近十幾年以來,隨著衛(wèi)星遙感分辨率的不斷提高,遙感技術(shù)在土地利用動態(tài)變化監(jiān)測中發(fā)揮越來越重要的作用。在國家科委和國家科學基金委“九五”到 2010的重點發(fā)展領域和優(yōu)先資助領域中,將土地利用動態(tài)變化遙感監(jiān)測作為研究重點之一[4]。目前,遙感技術(shù)因其能提供動態(tài)、豐富和廉價的數(shù)據(jù)源已成為獲取土地利用 /土地覆被變化最為行之有效的手段。衛(wèi)星遙感在全球和區(qū)域尺度土地利用/土地覆被變化研究與應用方面均取得了突破性進展[5]。

1.2 土地信息系統(tǒng)建設研究

1980年中國科學院遙感所成立了第一個地理信息系統(tǒng)研究室,并于 1985年組建了“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”國家重點實驗室。1990年,武漢大學建立“測繪遙感信息工程”國家實驗室。在此基礎上我國開展了大量的土地信息相關的開發(fā)研制工作,如中國測繪局在全國大地測量和數(shù)字地面模型建立的基礎上,建成1∶1 000 000國土基礎信息系統(tǒng)和全國土地信息系統(tǒng)[2]。

國土資源部已將“加強信息系統(tǒng)建設,實現(xiàn)信息服務社會化”列為國土資源部門的五大任務之一,并已成立了以部長為首的部信息化領導小組,組建了部信息中心。在新一輪國土資源大調(diào)查中設立了“數(shù)字國土工程”專項,我國國土資源信息化工作已全面展開[6]。與此同時,我國一大批土地信息化相關的重點項目已經(jīng)或者正在開發(fā)、實施。例如,黃杏元等根據(jù)城市土地定級因素所具有的空間特征和相關性,采用地理信息系統(tǒng)的技術(shù)和方法,運用空間數(shù)據(jù)庫存貯、管理和操作各類與城市土地定級估價有關的信息和數(shù)據(jù),完成了南通市土地定級信息系統(tǒng)的設計,建立了土地定級估價數(shù)據(jù)庫[7]。武漢大學資源與環(huán)境學院開發(fā)了農(nóng)用地分等定級估價信息系統(tǒng),不但可以減少農(nóng)用地分等定級估價工作中大量煩瑣的計算工作,而且可以大大提高分等的速度和精度。1.3 人才培養(yǎng)和學術(shù)交流成果研究

近年來,我國研究者出版了一系列有關論述土地信息科學的專著,如由胡月明等編著的《土地信息系統(tǒng)》(華南理工大學出版社 2001年出版)、朱德海等編著的《土地管理信息系統(tǒng)》(中國農(nóng)業(yè)大學出版社 2000年出版)等。同時,我國學者也發(fā)表了大量的土地信息科學相關的學術(shù)論文,如彭俊等就“土地信息學”的建設進行了深入的探討。嚴泰來等就土地信息學科前沿的若干問題作了深入的剖析。孫靜等就土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方法作了詳細介紹。近年來,許多高校科研院所開設了與土地信息科學有關的專業(yè)、課程和培訓班,培養(yǎng)出了一大批從事土地信息科學教學、研究和實踐的工作人員。

2 前沿領域

無論從發(fā)展土地信息科學的角度,還是從國家社會經(jīng)濟進步的需求來看,土地信息科學面臨著不少困難和新的挑戰(zhàn),同時也迎來發(fā)展的有利契機。本文主要從空間信息數(shù)據(jù)庫角度提出一些土地信息學科的前沿問題。

2.1 空間數(shù)據(jù)表達與系統(tǒng)開發(fā)標準化

土地信息的標準化程度決定了系統(tǒng)的兼容性、可移植性,同時也保證信息的共享和可持續(xù)利用[8]。土地信息系統(tǒng)的標準化包含兩方面的含義。首先,要服從軟件系統(tǒng)工程的標準,服從系統(tǒng)的設計、開發(fā)標準和網(wǎng)絡協(xié)議標準。其次,土地信息系統(tǒng)要遵從土地行業(yè)及地理界的標準,服從空間地理信息 (點、線、面)的描述、管理和表示的數(shù)據(jù)標準。目前我國土地信息系統(tǒng)建設缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標準,系統(tǒng)低水平設計、軟件重復開發(fā)現(xiàn)象嚴重。土地信息化基礎設施薄弱,基礎數(shù)據(jù)庫建庫與更新仍是一個瓶頸問題。應確定基礎數(shù)據(jù)生產(chǎn)和利用的法定地位,加快制定有關國家標準,加強數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,統(tǒng)一土地空間數(shù)據(jù)模型[9],具體如土地信息系統(tǒng)中名詞術(shù)語標準、圖形與影像數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)程、數(shù)據(jù)交換格式標準、數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量標準、土地數(shù)據(jù)的分類與代碼等[3]。值得一提的是,宋其友等編著的《土地信息學》較為系統(tǒng)地介紹了土地信息的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)獲取、應用模型等[10]。

2.2 空間數(shù)據(jù)信息挖掘問題

當前全國各地國土資源部門構(gòu)建了多層次、多類型的國土資源數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)規(guī)模、質(zhì)量與數(shù)據(jù)的完備性都達到前所未有的高度,這種情形為數(shù)據(jù)庫的信息挖掘提供了良好條件[11]。隨著國土信息化進程的深入,不同時間、不同區(qū)域、不同方式來源的土地信息數(shù)據(jù)越來越多,積累了大量的空間數(shù)據(jù)資料,如何在系統(tǒng)支持下由“死”數(shù)據(jù)變?yōu)椤盎睢睌?shù)據(jù),挖掘深層次的信息成為當前土地信息科學的熱點問題[12]。事實上,不少人對這個問題也做了深入研究。比如,有人利用一個地區(qū)各個圖斑的周長面積比的平均值來衡量這個地區(qū)的土地開發(fā)程度,也有人從城市各個商業(yè)網(wǎng)點布局來發(fā)現(xiàn)一些經(jīng)濟現(xiàn)象[13]。

2.3 時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題

時間、空間、屬性是構(gòu)成 GIS的三個基礎成分。黃杏元等指出時間是土地信息系統(tǒng)中不可缺少的一維,它不僅僅作為數(shù)據(jù)的一個組成部分,而且與空間數(shù)據(jù)相互關聯(lián)地存在著[14]。然而,目前的土地信息系統(tǒng)軟件除三維表面模型外,基本上是二維模型,難以描述土地時空的三維性。若要實現(xiàn)這一目標,二維的土地信息系統(tǒng)模型需要作根本性的改進[15]。

2.4 數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)更新淘汰問題

土地空間數(shù)據(jù)涉及跨部門、跨行業(yè)的多種數(shù)據(jù)格式和多種數(shù)據(jù)類型的大量資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟圖形、屬性數(shù)據(jù)。這些空間數(shù)據(jù)在以幾何級數(shù)的形式增長,而計算機數(shù)據(jù)存儲空間卻是以算術(shù)級數(shù)在增加,勢必有一天存儲空間容納不下巨量的地學信息數(shù)據(jù)[13]。研究科學的空間數(shù)據(jù)壓縮方法顯得十分必要。

2.5 遙感影像數(shù)據(jù)解譯精度與可信度問題

遙感影像數(shù)據(jù)解譯精度與可信度是貫穿于土地利用動態(tài)變化監(jiān)測過程的核心問題之一,也是困擾遙感技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中應用的重要限制因素。多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)融合問題、確定信息與不確定信息問題、人—機交互界面設計等是今后土地信息科學發(fā)展所面臨的主要問題。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多學科的集成性研究

張榮群[16]指出土地信息科學涉及遙感與測繪技術(shù)、計算機信息技術(shù)、數(shù)學和統(tǒng)計學、地圖學,以及與土地相關的地理學、環(huán)境生態(tài)學、土壤學、氣象學、城市科學和管理學等學科。遙感測繪技術(shù)以及全球定位技術(shù)為土地信息系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)來源;計算機科學為土地信息系統(tǒng)的發(fā)展提供強大的軟、硬件環(huán)境;環(huán)境資源 (土地資源相關)科學則是土地信息系統(tǒng)工作的對象。

3.2 土地信息的網(wǎng)絡化研究

土地管理業(yè)務具有業(yè)務種類多樣性、數(shù)據(jù)量大、手續(xù)繁雜等特點,要求各個部門共享信息,協(xié)同處理。Internet具有不受時空限制能快速、直觀地發(fā)布土地信息,對于合理保護、利用和開發(fā)土地資源,整合資源優(yōu)勢,最大限度地挖掘土地生產(chǎn)力,保證土地資源的可持續(xù)利用等方面具有積極作用[17]。正如朱明倉[18]指出的在網(wǎng)絡信息技術(shù)的強大推動下,具有時間特性的土地信息數(shù)據(jù)也必將通過先進的網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)各種土地信息用戶的互連和信息資源共享,不僅實現(xiàn)增強協(xié)同處理業(yè)務能力,進行業(yè)務監(jiān)督,更能把土地信息傳給千家萬戶,真正使普通老百姓加入到土地管理中來,最終實現(xiàn)土地信息的開放性和實用性[3]。

目前土地網(wǎng)絡化研究前沿是通過WebGIS實現(xiàn)的。利用web技術(shù)可以實現(xiàn)基于地圖的瀏覽、查詢、分析應用等功能,從而能夠構(gòu)建智能化、個性化、交互式的土地信息管理和服務平臺,實現(xiàn)開放的、互操作的數(shù)據(jù)共享 L IS系統(tǒng)。當前用于WebGIS的瀏覽器的中間鍵有多種,對客戶端,主要有 Ac2 tivex,Java Applet,P1ug-in,Autodesk公司 Mapguide等方式;對服務器端,主要有 CORBA,CGI和 Java Serverlet,武漢大學研制的 GeosuIf等方式[17]。

3.3 土地信息系統(tǒng)的智能化研究

土地信息系統(tǒng)是一個基于土地空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng),它必須具有自動采集和處理空間數(shù)據(jù)的功能,而且能智能式分析和運用數(shù)據(jù),提供科學的決策咨詢,以回答用戶可能提出的各種復雜問題[3]。在土地信息系統(tǒng)中加入專業(yè)領域的知識和有關空間推理知識形成知識庫和專家系統(tǒng) (ES)模塊,實現(xiàn)對空間土地數(shù)據(jù)綜合分析人腦思維化。我國學者在智能化的土地信息系統(tǒng)開發(fā)中也做了大量工作。如,鄭順義等基于對知識工程的土地信息系統(tǒng)的研究,開發(fā)了交通建設用地分析系統(tǒng) Trans Land,該系統(tǒng)開發(fā)了智能決策部分,包括知識庫、模型庫的管理,以及推理、解釋等模塊。系統(tǒng)的運行證明,建立基于知識的土地信息系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)土地信息系統(tǒng)的一些缺陷和不足,利用其進行土地分析,能夠從定量、定性、定位的角度對交通建設用地的有關問題進行全方位的分析和決策[19]。

3.4 地面、航空、航天的多層次綜合遙感監(jiān)測

近年來,地面、航空、航天的多層次綜合遙感在 LUCC研究中的應用越來越受到人們的重視。通過地面、航空、航天的多層次綜合遙感監(jiān)測,建立國土資源衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)絡,系統(tǒng)地獲取土地利用、土地覆被變化不同分辨力的遙感圖像數(shù)據(jù)。

3.5 綜合“3S“技術(shù)應用,發(fā)揮整體功能

遙感技術(shù)作為一種勘查技術(shù)手段和一種信息源,其應用是非常有限的,但是,當遙感 (RS)與地理信息系統(tǒng) (GIS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)集成后,其技術(shù)應用的能力和范圍將會得到極大的提升和拓展。可見,3S技術(shù) (GIS、RS、GPS)充分集成,建立適合 LUCC監(jiān)測領域應用的綜合多功能型的遙感信息技術(shù)是今后的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

土地信息科學是土地科學和相關學科的相互交叉作用而形成的一門嶄新的邊緣性學科。雖然,土地信息技術(shù)在土地利用管理中,以其實用、高效為特征,近年來已取得了一定的成就。但是由于它是一門新興的學科,問題層出不窮,許多問題需要深入研究,需要土地管理部門、高校、科研院所等教學等部門培養(yǎng)高質(zhì)量的土地信息技術(shù)人才,將土地利用與土地信息系統(tǒng)應用的現(xiàn)實問題作為土地科學建設的入門向?qū)?把實踐經(jīng)驗上升為科學理論,將有益于進一步豐富土地信息學的理論與方法。毋庸置疑,土地信息系統(tǒng)與遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、全球定位技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)高度結(jié)合的應用將越來越廣泛,是土地信息科學今后發(fā)展的方向。

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P208

A

1674-6341(2010)02-0043-03

2009-12-11

李淑華 (1965-),女,黑龍江伊春人,工程師,從事森林生態(tài)學研究;3為通訊作者。

責任編輯:王洪軍