土地信息科學(xué)研究進(jìn)展分析與探討

李淑華 畢連柱 黃 華

(黑龍江豐林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,黑龍江五營 153033)

土地信息科學(xué)研究進(jìn)展分析與探討

李淑華 畢連柱3黃 華

(黑龍江豐林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,黑龍江五營 153033)

在參考土地信息科學(xué)研究和應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,介紹我國土地信息科學(xué)研究進(jìn)展和取得的成就,探討土地信息科學(xué)的前沿領(lǐng)域,并指出土地信息科學(xué)發(fā)展趨勢。

土地信息科學(xué);信息系統(tǒng);前沿領(lǐng)域;發(fā)展趨勢

土地信息科學(xué)是現(xiàn)代土地科學(xué)與信息科學(xué)交叉發(fā)展的一個(gè)前沿學(xué)科,它是以土地資源學(xué)與空間信息學(xué)為基礎(chǔ)理論,集土地管理業(yè)務(wù)、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(xué)研究可以歸納為兩個(gè)主要大方向:一是土地利用 /土地覆被變化 (LUCC)遙感動(dòng)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(dá)和應(yīng)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(yīng)用為土地資源管理提供基礎(chǔ)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(shí),作為土地資源管理部門面向社會(huì)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(jìn)展和成就

土地信息科學(xué)作為一門新興的信息科學(xué)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(xué)是國土現(xiàn)代化無可替代的重要技術(shù)支撐,它的廣泛應(yīng)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(dòng)態(tài)監(jiān)測研究

我國土地利用/土地覆被變化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究始于 20世紀(jì) 70年代。1974年開始引進(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)勾繪出了土地利用現(xiàn)狀圖和土壤圖。20世紀(jì) 80—90年代,微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了遙感技術(shù)的發(fā)展,我國土地信息科學(xué)研究進(jìn)入新的階段。

1980—1983年我國利用陸地衛(wèi)星圖像資料對(duì)全國土地進(jìn)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(yīng)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(shè)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(dòng)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(xué)基金委“九五”到 2010的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域和優(yōu)先資助領(lǐng)域中,將土地利用動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測作為研究重點(diǎn)之一[4]。目前,遙感技術(shù)因其能提供動(dòng)態(tài)、豐富和廉價(jià)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(yīng)用方面均取得了突破性進(jìn)展[5]。

1.2 土地信息系統(tǒng)建設(shè)研究

1980年中國科學(xué)院遙感所成立了第一個(gè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。1990年,武漢大學(xué)建立“測繪遙感信息工程”國家實(shí)驗(yàn)室。在此基礎(chǔ)上我國開展了大量的土地信息相關(guān)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(chǔ)上,建成1∶1 000 000國土基礎(chǔ)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(qiáng)信息系統(tǒng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)信息服務(wù)社會(huì)化”列為國土資源部門的五大任務(wù)之一,并已成立了以部長為首的部信息化領(lǐng)導(dǎo)小組,組建了部信息中心。在新一輪國土資源大調(diào)查中設(shè)立了“數(shù)字國土工程”專項(xiàng),我國國土資源信息化工作已全面展開[6]。與此同時(shí),我國一大批土地信息化相關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)或者正在開發(fā)、實(shí)施。例如,黃杏元等根據(jù)城市土地定級(jí)因素所具有的空間特征和相關(guān)性,采用地理信息系統(tǒng)的技術(shù)和方法,運(yùn)用空間數(shù)據(jù)庫存貯、管理和操作各類與城市土地定級(jí)估價(jià)有關(guān)的信息和數(shù)據(jù),完成了南通市土地定級(jí)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì),建立了土地定級(jí)估價(jià)數(shù)據(jù)庫[7]。武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院開發(fā)了農(nóng)用地分等定級(jí)估價(jià)信息系統(tǒng),不但可以減少農(nóng)用地分等定級(jí)估價(jià)工作中大量煩瑣的計(jì)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(xué)術(shù)交流成果研究

近年來,我國研究者出版了一系列有關(guān)論述土地信息科學(xué)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(xué)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(xué)出版社 2000年出版)等。同時(shí),我國學(xué)者也發(fā)表了大量的土地信息科學(xué)相關(guān)的學(xué)術(shù)論文,如彭俊等就“土地信息學(xué)”的建設(shè)進(jìn)行了深入的探討。嚴(yán)泰來等就土地信息學(xué)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(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)方法作了詳細(xì)介紹。近年來,許多高校科研院所開設(shè)了與土地信息科學(xué)有關(guān)的專業(yè)、課程和培訓(xùn)班,培養(yǎng)出了一大批從事土地信息科學(xué)教學(xué)、研究和實(shí)踐的工作人員。

2 前沿領(lǐng)域

無論從發(fā)展土地信息科學(xué)的角度,還是從國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的需求來看,土地信息科學(xué)面臨著不少困難和新的挑戰(zhàn),同時(shí)也迎來發(fā)展的有利契機(jī)。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(xué)科的前沿問題。

2.1 空間數(shù)據(jù)表達(dá)與系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化

土地信息的標(biāo)準(zhǔn)化程度決定了系統(tǒng)的兼容性、可移植性,同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)化包含兩方面的含義。首先,要服從軟件系統(tǒng)工程的標(biāo)準(zhǔn),服從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其次,土地信息系統(tǒng)要遵從土地行業(yè)及地理界的標(biāo)準(zhǔn),服從空間地理信息 (點(diǎn)、線、面)的描述、管理和表示的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。目前我國土地信息系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)低水平設(shè)計(jì)、軟件重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象嚴(yán)重。土地信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建庫與更新仍是一個(gè)瓶頸問題。應(yīng)確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)和利用的法定地位,加快制定有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、土地?cái)?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(xué)》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(yīng)用模型等[10]。

2.2 空間數(shù)據(jù)信息挖掘問題

當(dāng)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(dá)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(jìn)程的深入,不同時(shí)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(dāng)前土地信息科學(xué)的熱點(diǎn)問題[12]。事實(shí)上,不少人對(duì)這個(gè)問題也做了深入研究。比如,有人利用一個(gè)地區(qū)各個(gè)圖斑的周長面積比的平均值來衡量這個(gè)地區(qū)的土地開發(fā)程度,也有人從城市各個(gè)商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)布局來發(fā)現(xiàn)一些經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象[13]。

2.3 時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題

時(shí)間、空間、屬性是構(gòu)成 GIS的三個(gè)基礎(chǔ)成分。黃杏元等指出時(shí)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(gè)組成部分,而且與空間數(shù)據(jù)相互關(guān)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(shí)空的三維性。若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),二維的土地信息系統(tǒng)模型需要作根本性的改進(jìn)[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(huì)經(jīng)濟(jì)圖形、屬性數(shù)據(jù)。這些空間數(shù)據(jù)在以幾何級(jí)數(shù)的形式增長,而計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間卻是以算術(shù)級(jí)數(shù)在增加,勢必有一天存儲(chǔ)空間容納不下巨量的地學(xué)信息數(shù)據(jù)[13]。研究科學(xué)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(dòng)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(dòng)態(tài)監(jiān)測中應(yīng)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(jī)交互界面設(shè)計(jì)等是今后土地信息科學(xué)發(fā)展所面臨的主要問題。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多學(xué)科的集成性研究

張榮群[16]指出土地信息科學(xué)涉及遙感與測繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)、地圖學(xué),以及與土地相關(guān)的地理學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)、城市科學(xué)和管理學(xué)等學(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)為土地信息系統(tǒng)的發(fā)展提供強(qiáng)大的軟、硬件環(huán)境;環(huán)境資源 (土地資源相關(guān))科學(xué)則是土地信息系統(tǒng)工作的對(duì)象。

3.2 土地信息的網(wǎng)絡(luò)化研究

土地管理業(yè)務(wù)具有業(yè)務(wù)種類多樣性、數(shù)據(jù)量大、手續(xù)繁雜等特點(diǎn),要求各個(gè)部門共享信息,協(xié)同處理。Internet具有不受時(shí)空限制能快速、直觀地發(fā)布土地信息,對(duì)于合理保護(hù)、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(luò)信息技術(shù)的強(qiáng)大推動(dòng)下,具有時(shí)間特性的土地信息數(shù)據(jù)也必將通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種土地信息用戶的互連和信息資源共享,不僅實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)協(xié)同處理業(yè)務(wù)能力,進(jìn)行業(yè)務(wù)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(shí)現(xiàn)土地信息的開放性和實(shí)用性[3]。

目前土地網(wǎng)絡(luò)化研究前沿是通過WebGIS實(shí)現(xiàn)的。利用web技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于地圖的瀏覽、查詢、分析應(yīng)用等功能,從而能夠構(gòu)建智能化、個(gè)性化、交互式的土地信息管理和服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)開放的、互操作的數(shù)據(jù)共享 L IS系統(tǒng)。當(dāng)前用于WebGIS的瀏覽器的中間鍵有多種,對(duì)客戶端,主要有 Ac2 tivex,Java Applet,P1ug-in,Autodesk公司 Mapguide等方式;對(duì)服務(wù)器端,主要有 CORBA,CGI和 Java Serverlet,武漢大學(xué)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(gè)基于土地空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng),它必須具有自動(dòng)采集和處理空間數(shù)據(jù)的功能,而且能智能式分析和運(yùn)用數(shù)據(jù),提供科學(xué)的決策咨詢,以回答用戶可能提出的各種復(fù)雜問題[3]。在土地信息系統(tǒng)中加入專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)和有關(guān)空間推理知識(shí)形成知識(shí)庫和專家系統(tǒng) (ES)模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間土地?cái)?shù)據(jù)綜合分析人腦思維化。我國學(xué)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(duì)知識(shí)工程的土地信息系統(tǒng)的研究,開發(fā)了交通建設(shè)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(shí)庫、模型庫的管理,以及推理、解釋等模塊。系統(tǒng)的運(yùn)行證明,建立基于知識(shí)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(jìn)行土地分析,能夠從定量、定性、定位的角度對(duì)交通建設(shè)用地的有關(guān)問題進(jìn)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(yīng)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(luò),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(yīng)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(yīng)用是非常有限的,但是,當(dāng)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(yīng)用的能力和范圍將會(huì)得到極大的提升和拓展?？梢?3S技術(shù) (GIS、RS、GPS)充分集成,建立適合 LUCC監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)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(xué)是土地科學(xué)和相關(guān)學(xué)科的相互交叉作用而形成的一門嶄新的邊緣性學(xué)科。雖然,土地信息技術(shù)在土地利用管理中,以其實(shí)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(xué)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(xué)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(yīng)用的現(xiàn)實(shí)問題作為土地科學(xué)建設(shè)的入門向?qū)?把實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上升為科學(xué)理論,將有益于進(jìn)一步豐富土地信息學(xué)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的應(yīng)用將越來越廣泛,是土地信息科學(xué)今后發(fā)展的方向。

[1]宋其友.土地信息與土地信息系統(tǒng)[J].北京測繪,1995,(4).

[2]胡月明,趙小敏,吳啟堂.土地信息系統(tǒng) [M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001.

[3]方世明,鄒炫,張夏林,等.土地信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(20).

[4]鄧良基.遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用 [M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2002.

[5]韓濤.遙感監(jiān)測土地覆蓋變化的方法及研究進(jìn)展[J].干旱氣象,2004,22(2).

[6]高慧,婁策群.我國國土資源信息化建設(shè)的成就、問題與對(duì)策[J].情報(bào)科學(xué),2004,22(2).

[7]黃杏元.地理信息系統(tǒng)支持的城市土地定級(jí)方法研究[J].環(huán)境遙感,1993,(8).

[8]趙岱虹,蔣文彪,項(xiàng)加鈾.土地信息系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究 [J].中國土地科學(xué),1998,12(4).

[9]陳軍,周星.土地信息系統(tǒng)的進(jìn)展:1997—1998文獻(xiàn)評(píng)述[J].中國土地科學(xué),1999,13(3).

[10]宋其友,楊喜敏,等.土地信息學(xué) [M].北京:測繪出版社,1997.

[11]嚴(yán)泰來,張曉冬,王曉娜.關(guān)于土地信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息挖掘問題的思考[J].國土資源信息化,2003,(3).

[12]蔣云良.土地信息系統(tǒng)的研究 [J].湖州師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,22(6).

[13]嚴(yán)泰來,崔小剛.土地信息系統(tǒng)學(xué)科前沿的若干問題[J].國土資源信息化,2004,(5).

[14]黃杏元,馬勁松,湯勤.土地信息系統(tǒng)概論 [M].北京:高等教育出版社,2008:82.

[15]錢樂樣,余明全.土地信息系統(tǒng)的幾個(gè)基本問題 [J].測繪通報(bào),1999,(10).

[16]張榮群.土地信息技術(shù)初探[J].國土資源與環(huán)境,2001,(4).

[17]張立亭,祝國瑞,周世健,等.基于 WebGIS的土地信息發(fā)布技術(shù)[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,(4).

[18]朱明倉.土地信息系統(tǒng)的發(fā)展展望[J].國土經(jīng)濟(jì),1997,(4).

[19]鄭順義,曾學(xué)貴.基于知識(shí)工程的土地信息系統(tǒng)的研究[J].中國土地科學(xué),2000,14(3).

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(xué)研究;3為通訊作者。

責(zé)任編輯:王洪軍