林業(yè)地理信息系統(tǒng)與遙感課程教學(xué)探討

張猛 龍江平

[摘 要] 遙感圖像是地理信息系統(tǒng)的主要信息來源，而地理信息系統(tǒng)是管理和分析空間數(shù)據(jù)的有效手段，有助于提高圖像的利用價值，二者相輔相成。因此，在新農(nóng)科背景下，林學(xué)專業(yè)的“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程開設(shè)與優(yōu)化刻不容緩。以數(shù)字高程模型DEM分析為例，介紹了中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)專業(yè)的“遙感與地理信息系統(tǒng)”課程的教學(xué)經(jīng)驗，注重理論與實踐相結(jié)合和軟件功能多樣化應(yīng)用的教學(xué)，推進(jìn)林業(yè)“遙感與林業(yè)地理信息系統(tǒng)”融合及課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

[關(guān)鍵詞] 林業(yè)遙感;林業(yè)地理信息系統(tǒng);數(shù)字高程模型;教學(xué);實踐

[基金項目] 2020年度中南林業(yè)科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“新時期遙感技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)工作的實踐研究”（中南林發(fā)〔2020〕49號）;2019年度中南林業(yè)科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“面向新工科的測繪工程實踐課程體系建設(shè)與教學(xué)改革研究”（中南林發(fā)〔2019〕70號）

[作者簡介] 張 猛（1987—），男，博士，湖南岳陽人，中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事資源環(huán)境遙感研究;龍江平（1982—），男，博士，湖南常德人，中南林業(yè)科技大學(xué)土木學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事林業(yè)遙感研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）38-0152-04? ?[收稿日期] 2021-05-26

一、引言

遙感（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）是現(xiàn)代空間信息科學(xué)重要的手段之一，是目前空間信息獲取的常用技術(shù)，對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的作用[1，2]。在傳統(tǒng)林業(yè)、數(shù)字林業(yè)以及智慧林業(yè)，遙感與地理信息系統(tǒng)都占有舉足輕重的地位[3，4]。特別是《國家級一流林學(xué)本科專業(yè)建設(shè)點名單》的公布，極大地推動了國家高等林業(yè)教育的改革步伐與進(jìn)程，促進(jìn)了林學(xué)與其他高新技術(shù)的交叉融合。

遙感圖像已成為地理信息系統(tǒng)的主要信息來源，也是地理信息系統(tǒng)的核心組件。地理信息系統(tǒng)是管理和分析空間數(shù)據(jù)的有效手段，有助于提高圖像的利用價值，二者相輔相成。因此，遙感與地理信息系統(tǒng)的集成已逐漸成為一種發(fā)展趨勢。“林業(yè)遙感”和“林業(yè)地理信息系統(tǒng)”課程正是為培養(yǎng)從事林業(yè)的人才而設(shè)置的，是林業(yè)類專業(yè)的兩門十分重要的專業(yè)課程。“林業(yè)遙感”課程主要講授遙感技術(shù)系統(tǒng)、遙感物理基礎(chǔ)與彩色原理、航空遙感、航天遙感、遙感圖像處理、遙感圖像解譯、高光譜遙感在植被研究中的應(yīng)用、遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用[5]。“林業(yè)地理信息系統(tǒng)”則主要講授地理信息系統(tǒng)的一般原理、方法和林業(yè)方面的應(yīng)用，進(jìn)行森林資源環(huán)境的經(jīng)營管理決策分析，使森林經(jīng)營管理信息化[6]。講授兩門課程的過程中，不僅要在遙感和地理信息系統(tǒng)兩方面分別展示經(jīng)典的案例，還要將二者結(jié)合的經(jīng)典例子給學(xué)生演示。同時，在講授案例時，要將案例中涉及的相關(guān)理論知識教給學(xué)生，并在遙感軟件（ENVI）和地理信息系統(tǒng)軟（ArcGIS）上進(jìn)行實踐操作。

中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院自開設(shè)“林業(yè)遙感”與“林業(yè)地理信息系統(tǒng)”課程以來，十分重視學(xué)生對這兩門課程理論知識的掌握和實踐動手能力的培養(yǎng)。

二、授課方法

（一）引導(dǎo)式教學(xué)

盡管林學(xué)專業(yè)的學(xué)生對遙感和地理信息系統(tǒng)的理論有初步的了解，但還是有一部分學(xué)生會出現(xiàn)理解困難的情況;因此，進(jìn)行實踐操作之前，需要引導(dǎo)學(xué)生回憶有關(guān)數(shù)字高程模型（DEM）的概念、生成過程及相關(guān)功能等方面的知識，進(jìn)行課前預(yù)熱，使學(xué)生進(jìn)入狀態(tài)。例如在課程開始時，講解有關(guān)DEM的知識，并在ArcGIS 10.6中簡單講解DEM的生成，使學(xué)生了解科學(xué)研究的步驟應(yīng)該是先有研究后有軟件操作平臺。

TIN與DEM是地形分析的兩種主要數(shù)據(jù)源。DEM的數(shù)據(jù)源主要有航攝立體像對、機載與地基激光雷達(dá)（LiDAR）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、高分辨率衛(wèi)星像對與無人機攝影測量。DEM一般是柵格格式的，也有基于點的DEM，一般在后續(xù)處理中會將其標(biāo)準(zhǔn)化為柵格。TIN可由含有高程信息的矢量數(shù)據(jù)生成，也可由DEM、Terrain數(shù)據(jù)集和激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到，TIN也可以轉(zhuǎn)換回DEM。

加載準(zhǔn)備好的蘆頭林場PraElevationPoint和PraElevationLine數(shù)據(jù)，打開ArcToolbox-3D Analyst Tools-Data Management-TIN-Create TIN，在工具中指定加載的兩個要素類為輸入要素類，輸出TIN數(shù)據(jù)集命名為PraTIN，坐標(biāo)系統(tǒng)選擇Layers分類中已加載要素類的投影坐標(biāo)系（西安80），確保輸入要素類的Height Field為ELEVATION，點擊運行。如果指定線要素類的類型為Soft_Line或Hard_Line，則輸出TIN將被指定線要素隔斷并顯示，這在現(xiàn)實中分別反映為等高線數(shù)據(jù)及陡崖、河流、道路等高程突變地段。點線面要素均可作為有地形特征的地圖標(biāo)識賦予TIN數(shù)據(jù)集額外的信息，不必在創(chuàng)建TIN時加載全部要素，使用Edit TIN工具在后續(xù)添加數(shù)據(jù)源。接下來由生成的TIN數(shù)據(jù)派生DEM，打開3D Analyst Tools-Conversion-From TIN-TIN to Raster，指定輸入TIN為上一步生成的TIN數(shù)據(jù)集，輸出保持默認(rèn)命名，數(shù)據(jù)的數(shù)值類型、插值方法與單位轉(zhuǎn)換因子保持默認(rèn)，采樣距離指定為CELLSIZE10，即像元大小為10×10m2，點擊運行。不同的插值方法將導(dǎo)致結(jié)果有微小的差別，嘗試自然鄰域插值。

（二）數(shù)字高程模型DEM分析理論教學(xué)

DEM分析理論教學(xué)的目的是讓學(xué)生了解DEM蘊含的各種地形地貌結(jié)構(gòu)信息，掌握提取這些信息的空間算法。DEM地形分析可分為基本地形信息計算和復(fù)雜地形信息計算兩類。基本地形信息主要包括坡度、坡向及等高線等地形描述因子，復(fù)雜地形分析包括可視區(qū)域分析、地形特征提取、水系特征分析等。本次課程主要內(nèi)容是講解DEM的基本地形信息計算。坡度計算一般采用擬合曲面法。擬合曲面一般采用二次曲面，即3×3的窗口。每個窗口的中心為一個高程點。例如，中心點的坡度和坡向的計算公式如下。