地理大數據與土地資源管理專業課程融合教學初探*

李曉琳 肖穎 李佳璇 （西南林業大學生態與環境學院）

地理大數據(GeoData)是指攜帶地理位置信息的大數據，其來源包括通過機器設備、人工或者人機交互等獲得的多樣化地理信息數據，如通過遙感衛星或遙感飛機獲取的遙感影像數據，城市三維模型數據以及各類移動設備實時產生的位置信息，各種溫濕度、視頻傳感器獲取的數據等。[1]地理大數據（GeoData）在城市規劃、土地資源調查、生態環境保護與建設方面具有重要作用和廣泛應用，不僅促進了土地資源管理決策的科學化，還實現了土地資源管理的現代化。[2]

雖然近年來地理大數據(GeoData)技術突飛猛進，但是土地資源管理專業教學過程中對地理大數據信息的重要性重視程度不高，造成人才培養與快速發展的土地資源管理實際需求相脫節，教學課程內容相對于技術的發展較為滯后。因此，在土地資源管理專業教學中如何與地理大數據(GeoData)技術融合，培養出地理大數據(GeoData)技術應用熟練、理論基礎知識扎實的高素質綜合型人才是該專業教學亟待解決的問題。[3-4]

一、地理大數據的發展

地理大數據具有廣泛存在性和較強的拼接能力，具有來源廣泛、體量大、價值高、獲取迅速等特點。[1]

遙感數據是地理大數據中最重要的組成部分。1995年以來，國際上開展了諸多與遙感應用相關的科研計劃，如“土地利用覆被變化(LUCC)研究計劃”“全球陸地計劃(GLP)”“美國國家航空航天局(NASA)的地球科學事業系列計劃”“未來地球研究計劃(FutureEarth)”等。國內方面，我國于1978年7月開展了綜合多學科的騰沖航空遙感試驗，是中國首次使用遙感技術勘察自然資源。八十年代以來，國家層面開展了多項利用遙感技術開展土地調查的重點科研攻關計劃，如“三北”防護林遙感綜合調查、“黃土高原遙感專題研究”等。九十年代中科院等單位開展了“國家資源環境遙感宏觀調查與動態研究”“3S技術綜合應用研究”“利用遙感影像進行土地利用動態監測項目”等遙感應用和科研計劃。進入二十一世紀，通過應用遙感技術，“十五”期間完成全國省級土地、森林、礦產、地質和海岸帶的遙感綜合調查。“十一五”期間遙感應用拓展到城市、環境、災害、生態和農林調查等領域。2013年至2015年，中國利用國產高分遙感數據完成第一次全國地理國情普查。2017年，再次利用遙感開展第三次全國土地調查。近年來我國高分系列、資源系列等多顆遙感衛星的投入使用，國產遙感數據的逐步豐富多樣，遙感數據的獲取更加方便快捷。上述技術實驗或科研項目均通過遙感技術實現了地理大數據的多時空尺度、多要素過程觀測，量化和解析。[5-6]

此外，隨著移動互聯網、測繪技術、智能終端以及各類傳感器技術的迅速發展，也進一步推進了地理大數據的發展。地理大數據來源更加廣泛，從單一來源數據發展到多來源數據，除來自傳統意義的政府部門、企事業單位外，還來自普通民眾以及個人智能終端設備產生的數據；同時，數據獲取更加迅速，時效性更強，從年度性更新數據發展到部分地理數據幾乎可以實時更新數據；數據量也在以幾何級數快速增長，從MB、GB級別數據量跨越到TB、PB甚至EB級數據量。隨著數據挖掘技術的發展，借助地理大數據在多數據來源、強時效性、大數據量等方面的優勢，地理大數據在土地信息挖掘、交通出行規劃、城市信息挖掘、公共安全及公共衛生應急管理、環保監測等方面的應用日益繁榮。[5-6]

二、土地資源管理專業地理大數據課程教學現狀及存在的問題

土地資源管理專業主要培養具有土地資源管理學、經濟學以及相應法律法規基本知識，并具有地理大數據處理及應用、不動產評估及土地資源評價等基本技能，可在國土資源管理及規劃、生態環境保護等領域從事相關工作的應用型人才。[3]隨著土地資源類型的快速變化及土地供需矛盾的加劇，土地資源傳統管理方法已不適應地理大數據技術及經濟社會的迅速發展，制約著土地資源的合理開發和有效利用。[4]

目前，全國有50多個高校開設土地資源管理專業，且以農林類高校為主，課程設置基本相同，課程設置中僅在部分3S技術類課程和地理學類課程中涉及地理大數據技術。[7]如部分高校在3S技術類課程教學過程中以實踐教學的方式指導學生如何綜合利用 3S技術開展土地調查，過程中涉及少量地理大數據的處理，包括：遙感技術獲取土地覆被信息；GIS技術提取地類圖斑，最后完成空間分析等。[8]在地理學課程中涉及少量地理大數據的原理知識，包括大地坐標系、投影坐標系、地貌、地形條件等。[9]土地資源管理專業教學過程中尚缺少以地理大數據技術為主體的系統性綜合性課程，對地理大數據技術重視程度不足，造成社會對相應人才的需求與學校教學內容不匹配等問題。

為提高土地資源管理專業人才培養水平，推進地理大數據技術與專業教學的交叉融合，提高地理大數據技術課程的系統性和綜合性，各高校采取了多種多樣的人才培養教學方式，如“土地+遙感”教學內容與教學方法融合教育改革試驗；[10]為提高學生土地資源數據獲取實踐能力進行的混合式實踐教學改革；通過利用豐富的網絡教學資源，將傳統面對面教學與網絡在線教學的優勢互補形成的“線下+線上”有機整合的教學方法；將便捷的移動終端與網絡等用于學習活動，鍛煉實驗實踐能力,認真理解實驗任務，挖掘積累學習資源，熟悉實驗操作等。[11]各高校教學改革實踐均取得了一定的成效，但是在土地資源專業地理大數據課程教學中仍然存在以下問題：

（一）理論講授與實踐教學融合匹配度不足

地理大數據獲取和處理是一項強調實踐性的工作，涉及大量的地理大數據軟件操作，需要通過多維度高密度的操作實踐方可讓學生熟悉地理大數據軟件的操作和應用，因此諸多院校設置課程學時、實踐學時相對于理論學時較多。然而，若過分依靠實踐操作教學而忽略理論教學的重要性，又將造成很多學生理論理解不足，局限于軟件操作模仿，難以理解操作機理，造成大部分學生無法順利處理數據變化后的類似問題，凸顯理論講授與實踐教學融合匹配度不足的問題。

（二）教學方式創新不足，教學過程枯燥

當前地理大數據相關課程教學方式較為抽象、刻板，創新性不足，學生遇到問題時，自主解決問題能力不足，只能求助教師具體解決問題或是教師按步驟提前錄制好實驗指導操作視頻，學生按視頻指導操作得出結果。教學過程探索性不足，難以提升學生學習興趣，地理大數據獲取和處理技能難以提高，這是地理大數據類課程教學面臨的較大難點。[12]

（三）教學內容及教學工具滯后于時代發展

近年隨著國家科技水平的提升，地理大數據相關技術也得到了飛躍式發展，眾多的新技術新方法層出不窮。在硬件方面多顆高分系列及資源系列衛星發射成功并投入使用，通過自然資源部衛星遙感云服務平臺提供了更多、更新的分辨率更高的衛星遙感數據，為教學提供了豐富的教學內容。在軟件方面，地理大數據軟件不斷更新，如常用的ArcGIS、ENVI、PIE等軟件版本不斷更新，功能更加豐富全面，使得對地理大數據的處理更加快捷與便利。但是限于教材及教學工具軟件的更新速度，存在技術發展與學校教學內容不匹配等問題，學生難以掌握最新的地理大數據處理技術，與社會對人才的要求存在突出矛盾。[13]

三、地理大數據與土地資源管理專業課程交叉融合實踐

為解決土地資源管理專業地理大數據課程教學過程存在的上述問題，進一步加強地理大數據與土地資源專業課程的交叉融合，提高地理大數據技術課程的系統性和綜合性，筆者選擇土地資源管理專業的三大主干課程土地資源調查、土地評價及土地管理作為研究課程，為深化學生對地理大數據的理解及應用，提出以基于技能訓練式教學為基礎，構建“土地資源調查+GeoData”教學模式；以基于案例分析式教學為基礎，構建“土地評價+GeoData”教學模式；以基于探索式教學為基礎，構建“土地管理+GeoData”教學模式。通過多種“土地+GeoData”教學模式的應用，解決土地資源管理專業教學過程中面臨的理論講授與實踐教學融合匹配度不足、教學方式創新不足，教學內容枯燥以及教學內容和工具滯后于時代發展等問題，提高土地資源管理專業人才培養質量。

（一）基于技能訓練式教學的“土地資源調查+GeoData”教學模式構建及應用

土地資源調查主要是指應用一定的測量方法（遙感和測繪制圖），查明區域土地資源的類型、數量、質量、空間分布以及利用現狀與存在問題，為土地資源評價、規劃以及土地資源管理提供數據。在當前土地資源調查工作中，GeoData（地理大數據）技術應用越來越豐富多樣，如通過北斗衛星定位系統獲得實時、準確的定位信息，通過高分系列或資源系列遙感衛星影像獲取目標區域具有較高空間時間分辨率的遙感影像數據，并通過使用相關的地理大數據軟件對獲得的土地資源數據進行處理、編輯、分析，提取相關信息，并輸出相應的土地資源利用現狀圖等成果。

為了讓學生能夠熟練掌握地理大數據處理和應用的專業技能，選擇土地資源管理專業教學中的主干課程土地資源管理，并選擇學生熟悉的學校校園作為調查區域，收集區域內最新的地理大數據（遙感數據、數字高程模型數據、土地利用數據、交通道路數據、街景數據等），并運用3S技術對數據進行處理，包括使用衛星定位系統收集定位信息；利用遙感處理軟件ENVI進行地理圖像數據幾何校正、圖像融合、矢量裁剪，進而解譯遙感影像、繪制土地利用圖；通過GIS空間分析、柵格計算、重分類、屬性錄入等功能，實現調查區域內的分析、空間信息挖掘。

通過結合土地資源調查對學生反復地進行技能式訓練，既進一步加強了學生對理論知識的理解，又讓學生充分掌握了地理大數據（GeoData）最新軟件的操作使用，學生既知道為什么要進行這樣的操作以及這樣的操作能夠解決什么樣的問題，大大提高了理論講授和實踐教學融合的匹配度。

（二）基于案例分析式教學的“土地評價+GeoData”教學模式構建及應用

土地評價指針對一定目的，對土地的質量和性能進行綜合鑒定，包括對土地的自然屬性和社會經濟屬性的定量分析，綜合評價各土地類型單元對所確定的土地利用方式的適宜性、限制因素、生產潛力、經濟效益及其對生態環境的可能影響。在目前的土地評價中，地理大數據（GeoData）可以為評價工作提供評價單元及評價因子，根據評價目標定量化評價指標。

教學過程中選擇土地評價課程中的重點章節“土地適宜性評價”，運用案例分析式教學法，以滇池流域土地適宜性評價為案例，利用地理大數據（GeoData）劃分土地評價空間單元，提取影響適宜性高低的評價因子，選定評價模型對地塊適宜性進行分等定級工作，實現地理大數據（GeoData）與土地評價教學的交叉融合，學生用所學的土地評價理論知識與地理大數據（GeoData）相互促進。通過對滇池流域土地的適宜性評價工作，讓學生對高原湖泊的綜合治理產生濃厚的興趣，引導學生開展湖泊治理思考和討論，讓學生更加直觀地理解地塊適宜性分等定級工作。通過理論知識與熟悉的案例相互結合，不斷提高學生實踐能力。

（三）基于探索式教學的“土地管理+GeoData”教學模式構建及應用

土地管理是國家為維護土地制度，調整土地關系，合理組織、保護及監督土地資源的開發利用所采取的措施，包括法律、經濟、行政和技術等各項措施。土地利用動態監測在土地管理過程中具有重要的地位，通過土地利用動態監測技術，特別是長時間尺度下的地理大數據（GeoData）可及時準確地掌握土地利用變化情況，科學地制定和落實土地管理政策和措施。可以為土地管理提供科學的決策。

教學過程中選擇土地管理學中土地資源動態監測的內容，同樣選擇學生熟悉的學校校園周邊城市區域為探索對象，利用長時間序列的地理大數據（GeoData），充分動員學生對校園周邊土地利用類型變化進行探索式學習。以學生為主體，以土地利用的合理性為主線，將學生分為若干組，以小組為單位開展土地利用變化信息數據收集，再進行課堂分組匯報及討論，讓學生充分了解如何通過地理大數據（GeoData）實現土地管理，更加形象地理解城市土地管理政策制定對土地開發利用、保護的影響。

在土地資源管理專業教學過程中，筆者采用了上述三種創新的教學模式，將GeoData（地理大數據）與土地資源管理專業課程有機交叉融合，理論與實踐有機結合，運用案例式教學和探索式教學，選取具有地域特點的較新的遙感影像等地理信息數據及處理軟件，引發學生學習興趣，提高學生教學參與度，活躍課堂氣氛，較好地解決了理論講授與實踐教學融合匹配度不足、教學方式創新不足、教學內容枯燥以及教學內容和工具滯后于時代發展等問題。學生學習主動性得到提升，學生專業理論知識水平和操作技能增強，獲得學生的好評，為培養滿足社會發展需求的綜合、創新型土地資源管理專業技術人才打下了良好基礎。