土地信息科學研究進展分析與探討

李淑華 畢連柱 黃 華

(黑龍江豐林國家級自然保護區管理局,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展趨勢。

土地信息科學;信息系統;前沿領域;發展趨勢

土地信息科學是現代土地科學與信息科學交叉發展的一個前沿學科,它是以土地資源學與空間信息學為基礎理論,集土地管理業務、地理信息系統、數據庫管理系統、遙感等技術于一體的信息系統工程[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)遙感動態監測研究;二是土地管理信息系統開發研究。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,已走過了近 40年的發展歷程。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代化無可替代的重要技術支撐,它的廣泛應用,必將給土地資源的研究和發展帶來革命性的變革[3]。

1.1 土地利用遙感動態監測研究

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

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

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土地利用調查,西部以航空遙感和衛星遙感信息相結合完成 1∶50 000、1∶100 000和 1∶200 000土地利用調查。近十幾年以來,隨著衛星遙感分辨率的不斷提高,遙感技術在土地利用動態變化監測中發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的重點發展領域和優先資助領域中,將土地利用動態變化遙感監測作為研究重點之一[4]。目前,遙感技術因其能提供動態、豐富和廉價的數據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。衛星遙感在全球和區域尺度土地利用/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研究室,并于 1985年組建了“資源與環境信息系統”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研制工作,如中國測繪局在全國大地測量和數字地面模型建立的基礎上,建成1∶1 000 000國土基礎信息系統和全國土地信息系統[2]。

國土資源部已將“加強信息系統建設,實現信息服務社會化”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查中設立了“數字國土工程”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或者正在開發、實施。例如,黃杏元等根據城市土地定級因素所具有的空間特征和相關性,采用地理信息系統的技術和方法,運用空間數據庫存貯、管理和操作各類與城市土地定級估價有關的信息和數據,完成了南通市土地定級信息系統的設計,建立了土地定級估價數據庫[7]。武漢大學資源與環境學院開發了農用地分等定級估價信息系統,不但可以減少農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 人才培養和學術交流成果研究

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》(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》(中國農業大學出版社 2000年出版)等。同時,我國學者也發表了大量的土地信息科學相關的學術論文,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監測技術方法作了詳細介紹。近年來,許多高?？蒲性核_設了與土地信息科學有關的專業、課程和培訓班,培養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

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

2.1 空間數據表達與系統開發標準化

土地信息的標準化程度決定了系統的兼容性、可移植性,同時也保證信息的共享和可持續利用[8]。土地信息系統的標準化包含兩方面的含義。首先,要服從軟件系統工程的標準,服從系統的設計、開發標準和網絡協議標準。其次,土地信息系統要遵從土地行業及地理界的標準,服從空間地理信息 (點、線、面)的描述、管理和表示的數據標準。目前我國土地信息系統建設缺乏統一的技術標準,系統低水平設計、軟件重復開發現象嚴重。土地信息化基礎設施薄弱,基礎數據庫建庫與更新仍是一個瓶頸問題。應確定基礎數據生產和利用的法定地位,加快制定有關國家標準,加強數據質量控制,統一土地空間數據模型[9],具體如土地信息系統中名詞術語標準、圖形與影像數據采集技術規程、數據交換格式標準、數據精度和質量標準、土地數據的分類與代碼等[3]。值得一提的是,宋其友等編著的《土地信息學》較為系統地介紹了土地信息的數據模型、數據獲取、應用模型等[10]。

2.2 空間數據信息挖掘問題

當前全國各地國土資源部門構建了多層次、多類型的國土資源數據庫。數據庫的數據規模、質量與數據的完備性都達到前所未有的高度,這種情形為數據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、不同區域、不同方式來源的土地信息數據越來越多,積累了大量的空間數據資料,如何在系統支持下由“死”數據變為“活”數據,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,有人利用一個地區各個圖斑的周長面積比的平均值來衡量這個地區的土地開發程度,也有人從城市各個商業網點布局來發現一些經濟現象[13]。

2.3 時空數據結構問題

時間、空間、屬性是構成 GIS的三個基礎成分。黃杏元等指出時間是土地信息系統中不可缺少的一維,它不僅僅作為數據的一個組成部分,而且與空間數據相互關聯地存在著[14]。然而,目前的土地信息系統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。若要實現這一目標,二維的土地信息系統模型需要作根本性的改進[15]。

2.4 數據壓縮和數據更新淘汰問題

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

2.5 遙感影像數據解譯精度與可信度問題

遙感影像數據解譯精度與可信度是貫穿于土地利用動態變化監測過程的核心問題之一,也是困擾遙感技術在土地利用動態監測中應用的重要限制因素。多數據源的數據融合問題、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展所面臨的主要問題。

3 發展趨勢

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、計算機信息技術、數學和統計學、地圖學,以及與土地相關的地理學、環境生態學、土壤學、氣象學、城市科學和管理學等學科。遙感測繪技術以及全球定位技術為土地信息系統提供豐富的數據來源;計算機科學為土地信息系統的發展提供強大的軟、硬件環境;環境資源 (土地資源相關)科學則是土地信息系統工作的對象。

3.2 土地信息的網絡化研究

土地管理業務具有業務種類多樣性、數據量大、手續繁雜等特點,要求各個部門共享信息,協同處理。Internet具有不受時空限制能快速、直觀地發布土地信息,對于合理保護、利用和開發土地資源,整合資源優勢,最大限度地挖掘土地生產力,保證土地資源的可持續利用等方面具有積極作用[17]。正如朱明倉[18]指出的在網絡信息技術的強大推動下,具有時間特性的土地信息數據也必將通過先進的網絡技術實現各種土地信息用戶的互連和信息資源共享,不僅實現增強協同處理業務能力,進行業務監督,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,最終實現土地信息的開放性和實用性[3]。

目前土地網絡化研究前沿是通過WebGIS實現的。利用web技術可以實現基于地圖的瀏覽、查詢、分析應用等功能,從而能夠構建智能化、個性化、交互式的土地信息管理和服務平臺,實現開放的、互操作的數據共享 L IS系統。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 土地信息系統的智能化研究

土地信息系統是一個基于土地空間數據的信息系統,它必須具有自動采集和處理空間數據的功能,而且能智能式分析和運用數據,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]。在土地信息系統中加入專業領域的知識和有關空間推理知識形成知識庫和專家系統 (ES)模塊,實現對空間土地數據綜合分析人腦思維化。我國學者在智能化的土地信息系統開發中也做了大量工作。如,鄭順義等基于對知識工程的土地信息系統的研究,開發了交通建設用地分析系統 Trans Land,該系統開發了智能決策部分,包括知識庫、模型庫的管理,以及推理、解釋等模塊。系統的運行證明,建立基于知識的土地信息系統可以克服傳統土地信息系統的一些缺陷和不足,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測,建立國土資源衛星監測網絡,系統地獲取土地利用、土地覆被變化不同分辨力的遙感圖像數據。

3.5 綜合“3S“技術應用,發揮整體功能

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

4 結語

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高質量的土地信息技術人才,將土地利用與土地信息系統應用的現實問題作為土地科學建設的入門向導,把實踐經驗上升為科學理論,將有益于進一步豐富土地信息學的理論與方法。毋庸置疑,土地信息系統與遙感技術、地理信息系統技術、全球定位技術、計算機網絡技術高度結合的應用將越來越廣泛,是土地信息科學今后發展的方向。

[1]宋其友.土地信息與土地信息系統[J].北京測繪,1995,(4).

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

[3]方世明,鄒炫,張夏林,等.土地信息系統的研究現狀與發展動態[J].計算機工程,2003,29(20).

[4]鄧良基.遙感基礎與應用 [M].北京:中國農業出版社,2002.

[5]韓濤.遙感監測土地覆蓋變化的方法及研究進展[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的成就、問題與對策[J].情報科學,2004,22(2).

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

[8]趙岱虹,蔣文彪,項加鈾.土地信息系統評價研究 [J].中國土地科學,1998,12(4).

[9]陳軍,周星.土地信息系統的進展:1997—1998文獻評述[J].中國土地科學,1999,13(3).

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

[11]嚴泰來,張曉冬,王曉娜.關于土地信息系統數據庫信息挖掘問題的思考[J].國土資源信息化,2003,(3).

[12]蔣云良.土地信息系統的研究 [J].湖州師范學院學報:自然科學版,2000,22(6).

[13]嚴泰來,崔小剛.土地信息系統學科前沿的若干問題[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.土地信息系統的幾個基本問題 [J].測繪通報,1999,(10).

[16]張榮群.土地信息技術初探[J].國土資源與環境,2001,(4).

[17]張立亭,祝國瑞,周世健,等.基于 WebGIS的土地信息發布技術[J].東華理工大學學報:自然科學版,2003,(4).

[18]朱明倉.土地信息系統的發展展望[J].國土經濟,1997,(4).

[19]鄭順義,曾學貴.基于知識工程的土地信息系統的研究[J].中國土地科學,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,從事森林生態學研究;3為通訊作者。

責任編輯:王洪軍