基于“3S”技術(shù)的土地利用動態(tài)監(jiān)測教學(xué)實踐研究

王建國 劉志川 吳瓊 丁清峰 金錦花

[摘 要] 以培養(yǎng)本科生綜合實踐技能為建設(shè)目標(biāo)，依托于野外教學(xué)實習(xí)基地，構(gòu)建基于“3S”技術(shù)的土地利用動態(tài)監(jiān)測綜合實踐教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生利用多種技術(shù)手段處理數(shù)據(jù)信息及綜合分析問題的能力。主要建設(shè)內(nèi)容為利用遙感技術(shù)、現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)，選取多時相遙感影像，設(shè)計分層分類遙感信息提取方法，獲取調(diào)查區(qū)多時相土地利用/覆蓋變化過程數(shù)據(jù)，依據(jù)時空變化特征，提取土地利用變化敏感區(qū)，采用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行大比例尺影像敏感區(qū)動態(tài)監(jiān)測，并綜合研究土地利用敏感區(qū)的生態(tài)環(huán)境演化及社會經(jīng)濟(jì)影響。

[關(guān)鍵詞] 教學(xué)實踐;土地利用;動態(tài)監(jiān)測;“3S”技術(shù)

[基金項目] 吉林大學(xué)本科教學(xué)改革研究項目（2019XZC056）

[作者簡介] 王建國（1976—），男，吉林伊通人，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院副教授，從事國土資源評價研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0137-02? ? [收稿日期] 2019-10-10

地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展促使多學(xué)科的交叉、融合與滲透成為當(dāng)代地球科學(xué)發(fā)展的必然趨勢和方向[1]。本文依托吉林大學(xué)興城野外教學(xué)實習(xí)基地豐富的野外教學(xué)資源，研究以數(shù)字化為技術(shù)手段、多專業(yè)交叉融合，建立土地利用動態(tài)監(jiān)測教學(xué)實踐體系，培養(yǎng)本科生應(yīng)用多技術(shù)方法解決系統(tǒng)問題的能力，提高學(xué)生綜合性研究能力和復(fù)合性認(rèn)知能力。

一、教學(xué)實踐研究的目的與意義

在地理科學(xué)、地理信息科學(xué)、土地資源管理等本科專業(yè)的培養(yǎng)方案中，土地資源學(xué)、生態(tài)學(xué)、災(zāi)害地質(zhì)學(xué)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、測量學(xué)等課程是專業(yè)的主干課程。每門課程除理論講授外，一般設(shè)置相應(yīng)實驗及課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，但大多缺少各課程之間的銜接實踐或多學(xué)科綜合性的專業(yè)實踐。土地利用動態(tài)監(jiān)測是以土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)及圖件為基礎(chǔ)，運(yùn)用遙感圖像處理與識別技術(shù)，從遙感圖像上提取變化信息，從而達(dá)到對土利用變化情況的定期監(jiān)測的目的[2]。土地利用動態(tài)監(jiān)測教學(xué)設(shè)計以土地資源學(xué)理論為基礎(chǔ)，以測繪技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息處理技術(shù)為支撐，學(xué)科理論綜合應(yīng)用并與實踐緊密結(jié)合，可以鍛煉學(xué)生從遙感影像處理、航測影像采集，到正射影像處理的全過程操作技能，培養(yǎng)學(xué)生利用前導(dǎo)課程進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測、分析敏感區(qū)動態(tài)變化成因及驅(qū)動因素的綜合能力[3]。

二、教學(xué)設(shè)計的主要技術(shù)過程

實踐教學(xué)中以吉林大學(xué)興城教學(xué)實踐基地為依托，以興城市土地利用變化為研究對象，土地利用動態(tài)監(jiān)測教學(xué)實踐采用RS技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)對土地利用覆蓋變化進(jìn)行分析，對土地利用重點(diǎn)敏感區(qū)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，獲取敏感區(qū)變化過程特征，分析其變化的自然與社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素，為海灣生態(tài)環(huán)境保護(hù)和沿海陸地生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。主要技術(shù)過程包括：首先在教學(xué)實踐備課階段，獲取區(qū)域地形資料、歷年遙感資料、區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料，以地形圖構(gòu)建區(qū)域背景圖層，設(shè)置區(qū)域大地測量控制點(diǎn)，基于上述內(nèi)容構(gòu)建土地利用動監(jiān)測實踐教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫，作為教學(xué)實踐的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、教學(xué)設(shè)計的主要內(nèi)容

（一）土地利用覆蓋變化分析

分析土地利用覆蓋空間格局變化導(dǎo)致的土地利用類型在遙感影像上的動態(tài)反應(yīng)[4]。利用ENVI和ArcGIS軟件，以興城市及周邊地區(qū)為研究區(qū)域，選取1986—2017年多期Landsat5 TM，Landsat7 ETM+及Landsat8 OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，選用圖像直接比較法、分類后比較法、PCA變換、Two-Color Multiview、MNF變換法、ICA變換、光譜角分類法及面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ确謱臃诸愡M(jìn)行土地利用遙感信息提取，獲取研究區(qū)30年來的土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)，從時間和空間上研究其變化過程及特征。

（二）土地利用敏感區(qū)的設(shè)定與提取

在研究區(qū)土地利用/覆蓋變化綜合分析的基礎(chǔ)上，初步設(shè)立水域、濕地等演化的土地利用生態(tài)敏感區(qū)，工礦與城鎮(zhèn)開發(fā)、尾礦壩等土地利用建設(shè)敏感區(qū)，泥石流、滑坡、水毀地等土地利用災(zāi)害敏感區(qū)，并建立敏感區(qū)歷史演化時空序列;與中高分辨率遙感影像（如谷歌地球影像）進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步厘定敏感區(qū)域，根據(jù)區(qū)域時空演化特征及其生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)影響，分別建立和提取重點(diǎn)生態(tài)敏感區(qū)、重點(diǎn)建設(shè)敏感區(qū)、重點(diǎn)災(zāi)害敏感區(qū)。

（三）土地利用敏感區(qū)外業(yè)調(diào)查

基于設(shè)定和提取的重點(diǎn)生態(tài)敏感區(qū)、建設(shè)敏感區(qū)、災(zāi)害敏感區(qū)，進(jìn)行野外調(diào)繪與驗證，對敏感區(qū)形成的歷史、責(zé)任主體、自然與社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素進(jìn)行調(diào)查。

（四）基于無人機(jī)航攝技術(shù)的敏感區(qū)動態(tài)監(jiān)測

在設(shè)定和驗證的重點(diǎn)敏感區(qū)，采用大地測量手段建立坐標(biāo)控制點(diǎn);應(yīng)用RockyCapture系統(tǒng)設(shè)定航線，以現(xiàn)代測量技術(shù)，使用四旋翼無人飛機(jī)航空拍攝敏感地區(qū)的高分辨率影像，利用已有控制點(diǎn)將獲得的影像幾何校正至工作坐標(biāo)系中，以正射影像處理系統(tǒng)采用自動拼接的方法制作近似的正射影像圖，獲取重點(diǎn)土地利用敏感區(qū)0.3～0.8米分辨率高分影像，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，與OLI影像校正、配準(zhǔn)，監(jiān)測敏感區(qū)近期變化的詳細(xì)特征。并利用無人機(jī)航測逐年跟蹤監(jiān)測土地利用敏感區(qū)動態(tài)變化。

（五）研究區(qū)土地利用動態(tài)變化分析

基于遙感土地利用覆蓋變化、敏感區(qū)的提取、無人機(jī)航測動態(tài)監(jiān)測、敏感區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)等，設(shè)計土地利用動態(tài)監(jiān)測綜合實踐教學(xué)技術(shù)內(nèi)容，建立數(shù)據(jù)庫。根據(jù)區(qū)域土地利用變化的時空演化，結(jié)合研究區(qū)自然、社會、經(jīng)濟(jì)歷史資料的分析及外業(yè)調(diào)查結(jié)果，分析區(qū)域土地利用覆蓋變化的主要驅(qū)動因素及土地利用動態(tài)變化過程存在的主要問題;總結(jié)基于景觀尺度的重點(diǎn)敏感區(qū)時空變化及生態(tài)響應(yīng)與社會經(jīng)濟(jì)影響，分析其產(chǎn)生的原因以及今后應(yīng)采取的生態(tài)、工程技術(shù)措施。