2018年土地科學研究重點進展評述及2019年展望
——土地工程與信息技術分報告

胡振琪，王曉彤，張冰松，李 勇，陳 洋，賴小君，張 雪

（1.中國礦業大學（北京）土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；2.中國國土勘測規劃院，北京 100035）

土地工程與信息技術主要包含了土地工程與信息技術兩大領域。2018年，國內外學者針對土地工程與信息技術開展了大量的研究，并取得一定進展。本研究采用文獻法，通過對2018年國內外相關學術文獻數據庫的檢索，在中國知網（CNKI）、萬方、維普、Elsevier、Springer、ProQuest等電子期刊數據庫，梳理分析了2018年國內外土地工程與土地信息技術研究發展現狀和重點問題，并結合工程發展的學科需求，展望了2019年土地工程與信息技術的發展趨勢。研究以主題詞未利用地（unutilized land）、土地整治（land renovation）、土地整理（land arrangement）、土地復墾（land reclamation）、生態重建（ecological restoration）、土地修復（land remediation）、土地測量（land survey）等進行檢索，根據研究內容匹配度，篩選出學術文獻78篇，其中中文文獻46篇，英文文獻32篇。通過對篩選出的文獻結果進行統計分析，我們將土地工程劃分為土地開發、土地整理、土地復墾和土地修復4個部分；土地信息技術劃分為土地信息采集、土地信息處理、動態監測三個部分。所選擇文獻主要分布在《中國土地科學》《農業工程學報》《生態學報》《農業環境科學學報》、Journal of Environmental Management、Remote Sensing、Catena等期刊，遴選文獻分布情況見表1。

1 2018年國內外土地工程與信息技術研究發展現狀

1.1 國內土地工程與信息技術研究發展現狀

2018年第八次全國生態環境保護大會提出：加大推進生態文明建設、解決生態環境問題和堅決打好污染防治攻堅戰，推動生態文明邁上新臺階。土地資源是人類生存與發展的重要物質基礎，是實現人類永續發展和生態文明建設的重要保障，而土地工程是人類利用土地和改造土地的重要手段。隨著經濟的快速發展，人類對土地資源不合理利用導致耕地大面積減少、水土流失、土地荒漠化和土地污染，已成為中國生態文明建設發展的瓶頸。從根本上解決這些迫切問題，需要對土地工程進行深入研究，本文梳理2018年國內土地工程與信息技術相關研究，為今后土地工程與信息技術的發展指明方向。

表1 2018土地工程與信息技術領域國內外研究文獻分布情況Tab.1 Literature on land engineering and land information technology

土地工程是人類利用土地、保護土地和解決人地矛盾的重要手段，生態文明建設是土地工程的終極目標，通過表1文獻統計可以看出國內土地工程方面，研究熱點主要集中在土地整理、土地復墾及土地修復三大部分。這與國家生態文明改革不斷推進，綠水青山就是金山銀山的理念深入人心，人民群眾對生產生活環境的要求不斷提升密切相關。同時隨著測繪技術的迅猛發展，土地信息技術在土地信息動態監測中應用得到極大的關注，隨著無人機攝影測量技術、遙感技術、合成孔徑雷達干涉測量技術等技術的不斷完善，其應用范圍進一步擴大，已滲透到土地工程與信息技術研究的各個領域，是保證土地和環境協調發展的主要途徑。

1.2 國外土地工程與信息技術研究發展現狀

對于國外很多的發達國家而言，土地生態環境的保護無論是意識還是法律法規的建立完善，均早于并優于中國。因此，通過表1的文獻可以看出，2018年在國外土地工程領域，研究更關注土地資源的綠色、生態、可持續發展及新方法新技術的探索應用。特別是以損毀土地為研究對象，植被恢復、復墾材料和復墾技術的創新為主要內容的土地復墾；以污染土地為研究對象，多重修復技術為研究內容的土地修復為研究的重中之重。國外研究同國內研究一樣重視信息技術在土地工程中的應用，數據的采集方法依舊依賴于測繪技術的進步，從研究的分布情況來看學者更注重提升數據處理效率以及數據的應用價值。對于采集到的土地信息數據處理分析方法的革新，以及土地變化信息的動態監測是國外土地信息技術研究的重中之重。

2 2018年土地工程與信息技術領域重點問題研究進展

2.1 國內土地工程與信息技術領域重點問題研究進展

2.1.1 深化耕地后備資源的開發利用

在生態可持續發展的社會背景下，通過構建耕地后備資源宜耕性評價指標體系，采用極限法評價耕地后備資源宜耕性，分析耕地后備資源數量、質量和空間分布特征[1]。通過空間回歸模型結合社會經濟指標作為耕地后備資源變化的潛在驅動因子[2]，將有序加權平均方法（OWA）和地理信息系統（GIS）技術相結合，構建土地適宜性評價指標[3]等方法得到應用；同時，關注未利用地相關評價，通過構建未利用地開發生態敏感性評價指標體系，結合變異系數法和GIS空間分析功能，分析未利用地的生態敏感性，創新的把未利用地和地形因子相結合[4]。

2.1.2 強調協調三生關系實現綜合整治

為提升城鄉交錯區土地整治精細化管理水平，統籌發揮“生產、生活、生態”的三生空間功能，根據“明確功能區—確定評價單元—評價單元功能—確定功能單元”的劃定思路，實現了山水林田湖的綜合整治[5]。結合土地空間的生產、生活和生態功能，構建土地整治分區指標體系, 運用“三生”功能指數和系統聚類分析相結合的方法, 分析各功能指數之間的相似性和差異性，綜合考慮區域資源優勢和發展定位，以重慶市綦江區為例，進行土地整治功能分區，并提出相應的整治方向[6]。劃定整治分區過程，采用層次分析法、專家打分法和模糊綜合評價方法構建三生指標體系對土地整治工程進行效益評價[7]。

2.1.3 探討土地整治改革助推鄉村重構

隨著鄉村振興戰略的提出，鄉村綜合整治的研究也逐步升級轉型。在明確土地整治要素結構及功能定位的前提下，準確把握土地整治供給側結構性改革的整體思路，構建“背景—手段—路徑—目標”土地整治改革體系，解決“為何整”“怎么整”“整什么”三大重點問題，實現各類要素有序流動，助推鄉村社會、經濟及空間重構[8]。此外，還通過輻射模型和潛力模型進行城鄉地域功能劃分，將土地整治空間由鄉村地域拓展為城鄉全域、整治過程由空間重構拓展為人為關系重構[9]。也有學者以市場化方式吸引社會資本參與土地綜合整治，走出一條“既化地又化人”、村鎮融合發展的新道路[10]。在此過程中，農村居民點整理中農戶的意愿[11]、參與度[12]、滿意度[13]及參與行為機制[14]也得到深入探討。

2.1.4 革新復墾技術與重視植被恢復

復墾技術的革新對土地復墾工作的進一步推進具有重要的作用，在一次性充填復墾形成的雙層土壤剖面的基礎上，仿照自然狀態土壤的剖面構型，提出夾層式多層土壤剖面構型，并從原理和技術上展開了相應的論證，實現了充填復墾工藝的革新[15]。另外，以黃河泥沙充填復墾為代表，探究了黃河泥沙容重與水分運動參數的關系，優選黃河泥沙充填復墾的最佳容重設計[16]；在植被恢復對損毀土地質量的影響方面，有研究表明隨著植被恢復的進行，不同利用類型的土壤質量均得到了明顯的改善，隨著土層深度的增加，土壤的改良效果明顯降低[17]。從具體的指標來說，植被恢復能夠明顯改善土壤水穩性團聚體及其有機碳分布狀況[18]，降低生態脆弱區的土壤侵蝕程度[19]，不同植被對土壤氮素轉化速率的影響[20-21]，主要是由于植物群落細根特征與土壤性狀之間存在著不同的相關性，其中土壤有機碳、速效鉀和全氮對細根特征影響較大。

2.1.5 豐富土地污染修復方法

以礦山開采為代表的人為活動，使得礦區周邊土地重金屬污染問題突出，探索適合當地條件的土壤污染修復方法對逐步改善土壤環境質量，保障農產品安全和人體健康具有重要意義。對于污染土地的植物修復方法，主要集中在研究種植伴礦景天和楊桃對粵北受鎘中度污染土地進行修復[22]，甜高粱對鎘污染土地的修復[23]，以及景天、三七、翅堿蓬對重金屬及鹽漬化復合污染土地的修復[24]。在污染土地的鈍化修復方面，研究表明高濃度堿性改良劑適用于廢棄土地/棕壤地的修復，硫改良劑適用于堿性土壤中的重金屬固定，鐵元素對土壤中砷的穩定性有重要影響[25]，巰基—蒙脫石復合材料能夠有效降低農田土壤中鎘的含量[26]；另外，通過土壤淋洗修復后施加玉米秸稈的土壤聯合修復方式，對鎘污染黃棕壤進行了成功的修復[27]，有效降低了重金屬污染土地的生態環境風險。

2.1.6 拓寬無人機攝影測量及遙感技術應用范圍

無人機技術的應用一直是近年來的研究熱點，2018年該技術在土地信息技術中的應用范圍又得到了進一步的拓寬。無人機遙感測量具備在復雜地區影像分辨率高的優勢，不僅可應用高潛水位采煤沉陷地、露天煤礦[28]及尾礦庫[29]的測繪數據采集，同時也在小鎮景觀生態環境評價[30]、城市利用分類[31]及農作物面積調查工作中[32]的數據采集中得到應用；輕小型的單鏡頭多旋翼無人機在高陡邊坡的地質調查中，能夠采集到有效的地形數據，并實現高陡邊坡的數字化巖體產狀測量[33]。此外，采用光譜角分類技術對遙感影像進行解譯，面積精度和空間精度均得到明顯提高，可以作為復雜地類的分類方法[34]，結合遙感技術對土地整理項目驗收準確核查[35]、流域農用地生態適宜性的定量評價[36]、礦區的植被蓋度調查[37]以及流域土地利用變化與水質的關系進行了探究[38]。

2.1.7 重視3S技術在動態監測中的應用

在科技興國的戰略背景下，技術的進步與應用積極推動了學科的發展，提高了工作的效率。利用3S技術尤其是合成孔徑雷達干涉測量技術，通過提取植被損傷指數、地表形變指數和土地覆被類型等關鍵參數，以土地結構損傷函數與土地功能損傷函數為烏海礦區構建礦區土地損傷測度模型[39]，結合3S技術，實現了對耕地利用變化[40-41]、生態系統服務價值變化[41-43]及旅游區景觀類型的變化[44]的動態檢測。采用高分辨率遙感影像分析火后植被光譜及指數變化，更好的實現了對植被受災情況的動態監測[45]，同時，疊加數字高程模型（DEM）與第二次全國土地調查成果結合，實現草地資源調查的常態化監測[46]。

2.2 國外土地工程與信息技術領域重點問題研究進展

2.2.1 加強法律監管降低開發密度

土地是人類賴以生存和社會可持續發展的最重要的資源，而法律法規對土地開發具有直接的導向性作用。相關研究從美國《清潔水法》（CWA）第404條款擴展后的新監管環境中利用持續性分析中的雙重差分估計和樣本選擇模型來識別土地利用變化規律，結果表明新的監管框架減緩了環境敏感地塊的開發，也降低了新開發的密度[47]。通過研究保護區與土地開發的關系，發現自然保護區（NRs）是防止土地開發的最有效保護區類別，減少土地利用覆蓋轉向人工土地利用覆蓋是保護西班牙生物多樣性的關鍵[48]。關注農村公路交匯處的土地開發，利用回歸模型探討以公路為導向的土地開發與交通模式的關系，對負責交匯處設計和運營的公路機構在評估交匯處附近潛在發展機會有指導意義[49]。

2.2.2 關注土地整理的優先領域選擇與評價

土地整理優先領域的選擇著眼于土地空間結構調整，面對土地破碎化，在法律框架下探索如何通過已有數據，利用多準則分析方法[50]、空間結構差異分析方法[51]等選取的研究區域，確定土地整理的優先級，設計最佳土地整理方案。此外，注重土地整理中各項農業生產指標的定量評價，為實現土地最佳管理，研究者設計土地整理中展現農業問題具體特征的通用算法[52]；為探究土地整理對小農生產力的影響，研究者采用定量函數模型評估農田玉米產量[53]；同時為確定土地整理對農業利潤的影響，利用考慮到規避風險的遞歸程序模型進行分析[54]。

2.2.3 深化土地復墾碳排放問題研究

由于環境意識的迅速提高和對可利用土地需求的逐漸增強，土地復墾工作取得了顯著的研究進展。國外煤礦以露天煤礦為主，研究主要集中在關于露天煤礦損毀土地復墾后土壤碳排放問題的探討。印度有學者對采礦損毀土地復墾16年后的生態系統結構、土壤質量和碳庫的狀況進行研究，并與周邊未損毀土地進行比較，結果表明，在植被恢復的過程中采用混播的方式有利于提高本土植物的存活率，且隨著復墾年限的延長，土壤碳庫量呈現逐年增加的趨勢[55]，證明植物修復十分適用于采礦退化土地質量的恢復和土壤碳固持潛力的提高[56]。通過對美國阿帕拉契亞某露天礦不同植被種類復墾效果研究，表明在采礦廢棄地退化進行復墾過程中，栗子樹有著更強的適應能力，可能再次成為森林冠層的組成部分，但它們的蔓延可能破壞森林的原生生態系統[57]。該領域還突出了利用土壤有機碳（SOC）和土壤球囊霉素蛋白（GRSP）作為露天煤礦土地復墾質量評價指標的重要性[58]。

2.2.4 注重污染土地聯合修復技術研究

礦山開采、工業生產等活動，在不同程度上損毀了部分農業用地，尤其是重金屬污染問題得到了極大的關注。為恢復污染土地的宜耕性，利用農業石灰和有機肥料對印度某酸性礦污染土地進行修復[59]，以植物修復為基礎，輔以交替循環強化電動力學修復[60]和化學淋洗修復[61]對土壤中的鉛、銅、鎘和鋅等重金屬進行去除，修復后污染土地能夠在很大程度上得以改善，并恢復了土壤肥力，保證了作物生長。在土地污染過程中，鉀對于植物修復的加強作用和植物生長作用及真菌定殖增殖的研究對于采礦廢棄地轉變為農業具有深遠意義[62]。除此之外，多植物綜合修復對高羊茅、紫花苜蓿、沙柳三種修復植物進行了修復方案研究，有效地解決了微量元素多樣性的去除難題，是土地污染修復的重大突破[63]。

2.2.5 革新土地信息處理方法

地理信息系統（GIS）其核心是用計算機來處理和分析地理信息，而對于土地信息處理方法的革新大都是在GIS的基礎之上開展的。GIS結合改良的土壤侵蝕模型（MMMF）[64]、改進的土壤侵蝕模型（MPSIAC）[65]、修正的通用土壤流失方程模型（RUSLE）[66]等實現了評價流域土壤侵蝕度方法的革新。同時，還有研究者運用GIS對研究區域的土地利用/土地覆蓋信息進行提取，并使用網絡分析法進行數據轉換和變化檢測，來估算土壤碳含量及其變化情況[67]；并結合使用層次分析法分析農業的土地利用適宜性[68]；利用GIS和MEDALUS模型確定和分析了影響荒漠化進程的13個指數，繪制荒漠化敏感區域[69]，利用GIS的加權疊加分析和多標準決策分析來制定戰略定位的土地指數（SLLI），以確定適合農業土地改革的土地[70]。

2.2.6 強調多源遙感技術在土地動態監測中的應用

以無人機攝影測量技術（低空）應用為代表，強調合成孔徑雷達干涉（地下）、激光掃描技術（地面）、多級GPS測量技術（地面）、無人機攝影測量技術（低空）及衛星影像（航天）無人機遙感等多種技術在土地動態監測領域的應用。研究根據合成孔徑雷達的時間序列和高程數據來分析城市地面沉降變化[71]，利用機載激光掃描數據，并基于高斯混合模型（GMM）和隨機森林（RF）的混合方法，檢測落石源區域[72]，采用無人攝影測量監測農業研究區和滑坡區的動態變化情況[73-74]，利用衛星采集的數據分析研究區域的地面沉降變化[75]。而無人機以其機動、靈活、高效等的優勢，在國外得到廣泛研究，基于多時相無人機影像，動態監測洪水泛濫區域土地覆被變化[76]、評估和監測土壤質量及擾動情況[77]，并結合Landsat遙感影像監測灌區植被長勢情況[78]。

3 2018年國內外土地工程與信息技術領域重點研究問題對比

國內外土地工程與信息技術領域研究主題相似，主要圍繞土地開發、土地整理、土地復墾、土地修復、土地信息采集技術、土地信息處理技術及動態監測技術等方面展開。但由于國內外自然環境、經濟發展、技術水平和政策導向等方面存在較大差異，導致土地工程與信息技術方面的重點研究問題和具體內容也有所不同（表2）。

在土地開發方面國內主要側重于對耕地后備資源開發的定量評價方法研究；國外則側重通過行政監管及相關法律的制定來減少對未利用土地的開發以保護生態環境。為提升城鄉交錯區土地整治精細化管理水平，在土地整理方面國內主要是側重于探討強調協調三生關系實現綜合整治及土地整治改革助推下的鄉村重構；國外則側重于土地整理優先領域選擇與土地整理效益評價。在土地復墾方面，國內重點關注復墾技術革新與植被恢復，尤其以夾層式充填復墾的提出為代表實現了對傳統充填復墾技術的革新；而國外的研究與國內的研究有所不同，以露天礦開采損毀土地的研究為主，隨著環境意識的提高，更加關注土地復墾后土壤碳排放問題的研究。土地修復方面均強調在污染土地中不同修復方法的創新及應用，而國外在利用植物修復重金屬污染土地的同時，更加關注多種技術綜合利用的聯合修復方式。在關注植被恢復對復墾土壤質量影響的同時，也關注復墾材料應用及復墾技術模式的革新；在土地修復方面，國內外均重點關注污染土地修復技術工藝；對于土地信息技術方面，國內更加關注3S技術在動態監測中的應用以及無人機攝影測量遙感技術的應用范圍的拓展；對于國外而言主要關注土地信息處理方法的革新及加強多源遙感技術在土地動態監測中的應用。

4 土地工程與信息技術領域研究展望

4.1 主要科技需求

生態文明建設是中華民族永續發展的千年大計，習近平總書記在2018年全國生態環境保護大會上強調：“生態興則文明興，生態衰則文明衰；全面推動綠色發展乃是生態文明建設的治本之策；生態環境是關系黨的使命宗旨的重大政治問題，也是關系民生的重大社會問題；堅決打好污染防治攻堅戰，推動中國生態文明建設邁上新臺階。”而土地工程與信息技術領域的研究正是生態文明建設的技術支撐與實施保障。

為統一行使全民所有自然資源資產所有者職責，統一行使所有國土空間用途管制和生態保護修復職責，著力解決自然資源所有者不到位、空間規劃重疊等問題，實現山水林田湖草整體保護、系統修復、綜合治理，2018年3月，中華人民共和國第十三屆全國人民代表大會第一次會議表決通過了關于國務院機構改革方案的決定，批準成立中華人民共和國自然資源部。同年11月份自然資源部發布了《自然資源科技創新發展規劃綱要》，為土地科技創新發展進行了頂層框架設計，對指導土地工程與信息技術領域科技創新活動，銜接國家科技計劃部署，為更多的專家學者參與土地工程科技創新工作提供參考。

4.2 重點研究問題

隨著土地科學學科建設的全面推進，土地工程與信息技術作為土地學科科學研究的主要技術支撐部分，近一年來取得了較快的發展。通過對2018年科技文獻的梳理可以看出，中國在土地工程領域的研究逐漸深入，土地信息采集、處理技術不斷完善。

在分析2018年國內外土地工程與信息技術研究進展的基礎上，結合中國年度主要科技需求，展望2019年土地工程與信息技術的研究，重點領域主要集中在土地空間生態修復治理科技工程與礦山地質環境修復治理科技工程兩大方面。推進土地生態建設進一步協調生產、生活、生態“三生”關系、創新村莊分類與村鎮體系空間重構方法；優化復墾技術進一步提升復墾土壤質量、探索污染土地修復方法，構建完整的礦區損毀及污染土地生態修復模式；在大數據研究的背景下，綜合利用物聯網、傳感網、人工智能、虛擬現實技術等泛在模式下的新技術在土地信息數據采集技術、監測技術方面中的應用將成為研究熱點。

表2 國內外土地工程與技術研究關注重點比較Tab.2 Comparison of research focuses on land engineering and land information technology

4.3 《中國土地科學》重點關注方向

2019年，《中國土地科學》將繼續重點關注土地科學學科構建中土地工程與信息技術學科體系的探討與完善；推廣以土地數量、質量、生態“三位一體”為核心的土地整治新模式的應用；遙感、物聯網、大數據、人工智能等現代高新技術在土地工程與信息技術領域中的應用及技術裝備的集成研發。