地理信息系統(tǒng)在土地測繪中的應(yīng)用

王金星，劉志強(qiáng)

（南陽高新區(qū)大地測繪有限公司，河南 南陽 473000）

通過遙感系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，又或在地理信息系統(tǒng)中獲得的生態(tài)數(shù)據(jù)集，已經(jīng)徹底改變了生態(tài)研究的方式。地理信息系統(tǒng)增強(qiáng)了從遙感數(shù)據(jù)中獲取信息的能力，而遙感數(shù)據(jù)為土地制圖開辟了廣泛的途徑，為土地利用問題分析提供了有效的方法，并為土地利用規(guī)劃和建模提供了工具。遙感測量的天氣角度、時間頻率和可重復(fù)性對于探測和監(jiān)測變化是非常寶貴的。地理信息系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)的集成方式有三種：（1）地理信息系統(tǒng)可用于管理多種數(shù)據(jù)類型；（2）地理信息系統(tǒng)分析和處理方法可用于遙感數(shù)據(jù)的操作和分析；（3）地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)圖像分析，從光譜數(shù)據(jù)中提取更完整和準(zhǔn)確的信息。

1 地理信息系統(tǒng)的背景

為了妥善管理土地資源，通常會進(jìn)行土地適宜性評估，以此進(jìn)行土地的測繪工作。土地適宜性分析是一種土地測繪的方法，可以確定特定作物生產(chǎn)的主要限制因素。同時，它使決策者能夠開發(fā)用于提高土地生產(chǎn)力的作物管理系統(tǒng)。土地適宜性評估是一種通過劃分競爭性土地用途來避免環(huán)境沖突的規(guī)劃方法。土地適宜性評估可以是定性的或定量的。定性方法用于廣泛評估土地潛力，結(jié)果以定性形式給出。定量方法是通過分析各種統(tǒng)計的參數(shù)技術(shù)，并且涉及更詳細(xì)的土地屬性。定量方法中的土地適宜性評估程序涉及許多模擬建模系統(tǒng)，以量化土地用于特定用途的潛力。例如，定量方法中較為常見的糧農(nóng)組織土地評價系統(tǒng)指南和實物土地評價方法被廣泛用于土地適宜性評估。

遙感和地理信息系統(tǒng)在提高空間數(shù)據(jù)的便利性和準(zhǔn)確性、提高分析效率和改進(jìn)數(shù)據(jù)訪問方面大有希望。這些技術(shù)已被用于評估確定土地適宜性所需的標(biāo)準(zhǔn)，也被本研究采用。工程測量數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜程度也比較高，易受工程區(qū)域地理位置、氣候環(huán)境等的影響。通過使用地理信息系統(tǒng)，可以通過矢量和柵格的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與保存，通過使用GPS定位技術(shù)，還可以設(shè)定測量對象的坐標(biāo)方位，從而將大量數(shù)據(jù)錄入至地理信息系統(tǒng)中，此外，通過聯(lián)合使用數(shù)字掃描裝置、攝像機(jī)、激光雷達(dá)裝置、衛(wèi)星等，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。在地理信息系統(tǒng)的實際使用中，不但可以收集大量數(shù)據(jù)，同時還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、剪輯等處理，從而可以有效減少對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理所需要的時間，同時提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 地理信息系統(tǒng)的研究

遙感、地貌測量和基于地理信息系統(tǒng)的調(diào)查通常依賴于指數(shù)方法來表征土地覆蓋、形式、過程、氣候和結(jié)構(gòu)。多種指數(shù)可用于描述地表生物物理特性、輻射和降水潛力、侵蝕潛力和地表水分條件。任何一個主題屬性都有許多潛在的度量標(biāo)準(zhǔn)，這些指數(shù)或度量通?；谂c地形參數(shù)的關(guān)聯(lián)，盡管它們不能充分表征過程力學(xué)、尺度依賴性或時間動態(tài)。這種靜態(tài)制圖方法主要用于檢查空間模式，并且已發(fā)現(xiàn)此類指數(shù)在基于地理信息系統(tǒng)的分析和建模工作中很有用。然而，哪個指標(biāo)最能描述感興趣的現(xiàn)象？這些模式是否真正代表“現(xiàn)實”（即形態(tài)、物理特性、遺傳學(xué)、動力學(xué)）是另一個問題。涉及使用指數(shù)和實證分析和建模的研究必須仔細(xì)檢查結(jié)果以確定模式是否具有科學(xué)依據(jù)。

從歷史上看，分割和映射依賴于模式識別。這種涉及遙感的專題繪圖側(cè)重于多光譜數(shù)據(jù)和光譜空間特征在土地覆蓋、生態(tài)、地質(zhì)和水文繪圖中的應(yīng)用。這種方法還包括整合地形信息和其他環(huán)境指標(biāo)，根據(jù)相對模式劃分景觀。許多人使用了基于統(tǒng)計的分類器，這些分類器依賴于統(tǒng)計可分性概念特征空間。這種方法正式規(guī)定了指標(biāo)的開發(fā)和評估，以確保統(tǒng)計可分離性以生成所需的類。最常見的統(tǒng)計分類器的結(jié)果高度依賴于建立適當(dāng)?shù)奶卣骺臻g、選擇適當(dāng)?shù)念悢?shù)、訓(xùn)練和算法的性質(zhì)。許多算法代表了一種蠻力方法，其結(jié)果不一定與真實的地貌特征相關(guān)。此外，分類結(jié)果高度依賴于與時空分辨率和預(yù)處理相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)。一些研究人員已經(jīng)開始解決這個問題，并評估了更復(fù)雜的方法的效用，例如傅立葉和小波分析來檢測地貌映射的光譜或地形特征等。

在不斷增長的地理信息系統(tǒng)和相關(guān)軟件包中區(qū)分不同層次的分析能力是有用的。地理信息系統(tǒng)軟件家族中最簡單的軟件包執(zhí)行計算機(jī)制圖。在這個級別上，可以輸入、存儲、檢索、顯示和輸出地圖，但不以分析方式使用它們。計算機(jī)制圖的一個例子是數(shù)字地圖集或電子地圖文件。如果在軟件中地理數(shù)據(jù)元素和單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫之間存在聯(lián)系，就可以實現(xiàn)更復(fù)雜的制圖。在這個級別上，可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中定義的標(biāo)準(zhǔn)選擇特定的點、線或多邊形。人口統(tǒng)計分析和稅務(wù)地圖可以用這個級別的軟件完成。設(shè)施管理行業(yè)（例如，電話、電纜、電力和燃?xì)猓┩ㄟ^使用計算機(jī)輔助繪圖/計算機(jī)輔助繪圖（CAD/CAM）軟件實現(xiàn)了顯著的節(jié)約。但是，因為它們不是用來創(chuàng)建新信息的，所以這些數(shù)字地圖軟件都不能說是地理信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)能夠執(zhí)行各種空間操作，這些操作對于識別計算機(jī)地圖中地理要素之間的關(guān)系非常有用。同樣，可以使用地理信息系統(tǒng)將來自兩個或多個地圖的數(shù)據(jù)組合起來，生成新的地圖或一組地圖，所包括的空間建模或決策支持功能的類型因地理信息系統(tǒng)軟件包的不同而不同。一些地理信息系統(tǒng)包含圖像處理功能，就像一些圖像分析包含各種地理信息系統(tǒng)功能一樣。在選擇一個特定的軟件包之前，建議仔細(xì)檢查軟件包套件中的功能，清晰定義用戶的需求大大促進(jìn)了這一過程。在地理信息系統(tǒng)設(shè)計中投入的精力越多，成功實現(xiàn)的可能性就越大。

工程中的地質(zhì)測繪技術(shù)也隨著科技的發(fā)展產(chǎn)生了更高的要求。不同的遙感器獲取的遙感圖像信息具有不同的信息優(yōu)勢。利用信息優(yōu)勢的數(shù)據(jù)融合技術(shù)生成新的圖像數(shù)據(jù)，可以減少或抑制圖像的模糊性、不完全性、不確定性和誤差，最大限度地利用各種信息。例如，融合來自Landsat的多光譜和全色波段圖像數(shù)據(jù)，可以將結(jié)果圖像的空間分辨率從30 m提高到15 m，滿足1∶25000和1∶5萬基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新的需求。然而，15 m的空間分辨率明顯不能滿足大尺度基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合1∶3500比例尺、0.6 m空間分辨率的航拍影像的更新的要求。

如今，科學(xué)家越來越多地將定量地形信息和空間分析以及空間建模納入他們的研究。在工程學(xué)中基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用程序涵蓋全套過程域和相關(guān)地質(zhì)規(guī)劃測量。通常通過圖像或科學(xué)可視化進(jìn)行檢查，更多的應(yīng)用是評估工程景觀的時空模式、多尺度特征和過程域、景觀變化場景、干擾機(jī)制的變化以及與自然力量和人為因素相關(guān)，解決這些基于地點的問題包括整合地面、機(jī)載和衛(wèi)星遙感技術(shù)。

3 地質(zhì)測繪技術(shù)

工程中的數(shù)字化測繪技術(shù)廣泛應(yīng)用于地理學(xué)中，其充分利用遙感以及地理信息系統(tǒng)結(jié)合發(fā)展下的技術(shù)手段。地球表面的各種結(jié)構(gòu)和功能方面可以用不同的方式繪制。例如研究學(xué)者指出的可以收集四種不同類型的數(shù)據(jù)來繪制地形圖，其中包括形態(tài)學(xué)、形態(tài)發(fā)生學(xué)、形態(tài)測量學(xué)和形態(tài)年代學(xué)信息。每種方法都可以為更好地理解過程域、形態(tài)發(fā)生學(xué)、反饋機(jī)制和多基因景觀演化提供新的見解，其中疊印通常會混淆充分的解釋和映射。不同視角的示例包括以下內(nèi)容：

土地覆蓋或土地系統(tǒng)制圖可以基于“土地系統(tǒng)”的識別，因為它包含獨(dú)特的地形屬性。范圍從10到100 km2的任何單一陸地系統(tǒng)通常具有與地質(zhì)、地貌和氣候相關(guān)的一系列重復(fù)出現(xiàn)的地形、土壤和植被類型，因此地表形態(tài)和相關(guān)土壤和植被的可預(yù)測組合出現(xiàn)。土地系統(tǒng)制圖在20世紀(jì)中后期成為一種首選方法，可有效調(diào)查澳大利亞、非洲和中東等相對未知的領(lǐng)土并提供區(qū)域框架。然而，這種方法確實有局限性，特別是它的更多定性和主觀標(biāo)準(zhǔn)。此外，地表土地覆蓋信息通常是通過遙感生成的，盡管遙感中的標(biāo)準(zhǔn)分類方法并不總是能夠表征復(fù)雜的三維地形特征。

4 地理信息系統(tǒng)在土地測繪中的應(yīng)用

4.1 城市土地測繪

在數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用專業(yè)的計算機(jī)軟件可以有效地處理相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。在地理信息系統(tǒng)中，計算機(jī)軟件的主要作用是對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模。它不是對單個數(shù)據(jù)的一般性分析，而是對使用數(shù)據(jù)的綜合分析，對整體數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，以及對空的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的分析。另外，測繪的目的不同，測量的數(shù)據(jù)也不同。通過對不同數(shù)據(jù)的比較和分析，可以解決數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這是計算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容。在實際的數(shù)據(jù)處理中，涉及到更具體的層次，而不是包括所有的數(shù)據(jù)。因此，使用計算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以提高數(shù)據(jù)處理的效果。在城市建設(shè)過程中，一些估算和預(yù)測無法在實體中進(jìn)行，因此地理信息系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境功能非常重要。利用虛擬環(huán)境功能可以有效提高工作效率，并進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的多維度分析。此外，在城市建設(shè)中，虛擬環(huán)境可以在實際測繪中實現(xiàn)。利用地理信息系統(tǒng)中的虛擬技術(shù)，可以同時模擬和評價城市的多個空間，包括環(huán)境影響、軍事模擬、文明重建和區(qū)域建設(shè)。除了在城市測繪中使用虛擬技術(shù)外，模擬與評價的作用在山崗等特殊環(huán)境中仍然有效，通過使用虛擬環(huán)境，完全模擬了山港的自然現(xiàn)象，包括地震、火災(zāi)、干旱等自然災(zāi)害，從而評估自然災(zāi)害給地理環(huán)境造成的損失。

4.2 復(fù)雜土地場景的測繪

復(fù)雜的地勢，由于可達(dá)性問題，傳統(tǒng)的基于實地的地質(zhì)測繪是一項艱巨的任務(wù)。通常，只能在少數(shù)幾個地方研究巖石暴露和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后在觀測之間進(jìn)行插值以獲得地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。隨著具有天氣視圖、更高空間和更好光譜分辨率的衛(wèi)星圖像的出現(xiàn)，以更加可靠的方式識別具有構(gòu)造意義的變形構(gòu)造已成為可能。迄今為止，在覆蓋范圍有限的地面測繪上無法實現(xiàn)微小的結(jié)構(gòu)變化的探究。這種限制阻礙了認(rèn)識地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的構(gòu)造意義。地理信息系統(tǒng)技術(shù)提供了更好的機(jī)會以更高精度和具有成本效益的方式進(jìn)行地質(zhì)規(guī)劃測繪和制作地質(zhì)圖。使用相對高分辨率的多光譜數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以非常有效地完成現(xiàn)場觀測的解釋，而不會在觀測之間進(jìn)行任何模糊的插值。此外，采用遙感與地理信息系統(tǒng)的綜合方法來改進(jìn)現(xiàn)有的地質(zhì)圖。這種綜合方法成為傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場的地質(zhì)填圖技術(shù)的補(bǔ)充。例如在像喜馬拉雅山這樣的丘陵地帶，不可能從任何結(jié)構(gòu)特征的現(xiàn)場繪制或收集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是從可達(dá)到的地方收集的，然后地質(zhì)學(xué)家對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行插值以獲得連續(xù)性。在這種情況下，結(jié)構(gòu)特征的圖像解釋比從現(xiàn)場數(shù)據(jù)中插值更可靠。與斷層有關(guān)的植被和地表紋理變化很難近距離觀察。圖像的概要視圖使分離的證據(jù)片段能夠被鏈接為清晰的和半連續(xù)的線性特征或線條。

4.3 水文信息測繪

水是地貌開發(fā)中最重要的因素之一，大多數(shù)繪圖系統(tǒng)都包含水文信息。許多表示系統(tǒng)已被用于描繪任何給定區(qū)域的水文。繪圖可以描繪永久性的、短暫的或斷斷續(xù)續(xù)的地下溪流，以及廢棄的渠道、瀑布、急流和水壩、泉水和落水洞、周期性和永久性的淹水區(qū)，以及湖泊和海洋，以及各種類型的海灘和沙漠。源頭河流區(qū)域在大多數(shù)陸地景觀中占主導(dǎo)地位，但眾所周知，低階河道的地圖不完整且不準(zhǔn)確。在美國，正在開發(fā)實地繪圖方法，并且正在實施通過繪圖程序以提供改進(jìn)的上游河流地圖。大多數(shù)河流景觀中的侵蝕、沉積和地貌過程的速率受排水網(wǎng)絡(luò)的密度和縱向連通性的影響。排水密度是水文或景觀演變建模的關(guān)鍵參數(shù)，因為渠道中的集中流量提高了輸送效率。為了響應(yīng)可以穿透植物冠層的高分辨率地形數(shù)據(jù)（激光測繪），該研究領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。

地理信息系統(tǒng)技術(shù)以及地表過程數(shù)值建模方面的最新進(jìn)展已經(jīng)徹底改變了地貌學(xué)領(lǐng)域。新的時空數(shù)據(jù)和工程測繪算法和方法現(xiàn)在使研究學(xué)者們能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的制圖?，F(xiàn)在可以量化景觀形態(tài)，評估地表生物物理條件，將過程與模式聯(lián)系起來，將過程與形式聯(lián)系起來，提高工作人員對尺度依賴性和景觀演化多基因性質(zhì)的理解。

5 總結(jié)

隨著科技的不斷進(jìn)步，新的時空數(shù)據(jù)和工程計算方法層出不窮，目前，這些方法使得科學(xué)家能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的制圖。同時，不斷增加的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜分析的需求共同要求信息提取方面的計算效率和形式化。在許多方面，用于測繪的地理空間技術(shù)的不斷發(fā)展代表了一種自動化和模擬人類解釋能力的嘗試。鑒于此，地理空間技術(shù)取得了許多進(jìn)步。文章對土地的測繪工作進(jìn)行了相關(guān)研究，并結(jié)合了地理信息系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化測繪研究，以期為推動地質(zhì)測繪的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。