基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策研究

楊菡YANG Han

（核工業(yè)華東二六七工程勘察院，九江 332000）

0 引言

在當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的背景下，國土調(diào)查與自然資源管理的重要性日益凸顯。然而，傳統(tǒng)的調(diào)查手段在獲取全面、高效、準(zhǔn)確的地理信息數(shù)據(jù)上存在著諸多限制。為彌補(bǔ)這一技術(shù)空白，本研究聚焦于基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策，旨在探索先進(jìn)的科技手段在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用。遙感技術(shù)的快速發(fā)展和GIS 空間分析方法的不斷深化為我們提供了獨(dú)特的機(jī)遇，能夠以更加高效、全面的方式獲取和分析地理信息數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對國土及自然資源的全方位監(jiān)測和評估。本研究的動機(jī)源于傳統(tǒng)調(diào)查方法在數(shù)據(jù)獲取效率和精度方面的不足，以及在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)。過去的調(diào)查手段往往受制于有限的數(shù)據(jù)源和手工處理的局限，難以滿足大范圍、高精度的調(diào)查需求。同時，對于多源、多尺度、多時相數(shù)據(jù)的整合和分析也是一個亟待解決的問題。為了有效應(yīng)對這一技術(shù)瓶頸，本研究將深入研究遙感與GIS 在國土與自然資源調(diào)查中的應(yīng)用，構(gòu)建一套科學(xué)合理、實(shí)用高效的研究對策。在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究旨在提出一種整合性的調(diào)查方法，通過充分利用遙感技術(shù)獲取多源地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS 空間分析方法，實(shí)現(xiàn)對國土及自然資源的全面監(jiān)測和綜合評估。通過案例研究和實(shí)地調(diào)查驗證所提方法的可行性，進(jìn)一步探討在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的挑戰(zhàn)，并提出改進(jìn)建議。

1 遙感與GIS 在國土調(diào)查與自然資源調(diào)查中的應(yīng)用

1.1 遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)是通過獲取、記錄和解釋遠(yuǎn)離目標(biāo)的信息，而不直接接觸對象的一種手段。在國土調(diào)查和自然資源管理中，遙感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為提高數(shù)據(jù)獲取效率和監(jiān)測精度的關(guān)鍵。主要包括衛(wèi)星遙感和航空遙感兩大類[1]。

衛(wèi)星遙感利用衛(wèi)星搭載的傳感器對地球表面進(jìn)行觀測，廣泛應(yīng)用于大范圍、全球尺度的國土與資源監(jiān)測。通過衛(wèi)星平臺，可以獲取高分辨率的多光譜、高光譜、雷達(dá)等各類傳感器數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅具備全球覆蓋的特點(diǎn)，而且具有多時相、大幅度的觀測能力。衛(wèi)星遙感技術(shù)的原理在于通過傳感器對地表反射、輻射等信息進(jìn)行探測，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的數(shù)據(jù)，形成遙感影像。

航空遙感則是通過搭載在航空器上的傳感器對特定區(qū)域進(jìn)行高分辨率、高靈敏度的監(jiān)測。相較于衛(wèi)星遙感，航空遙感具有更高的空間分辨率和數(shù)據(jù)獲取靈活性。傳感器通常包括光學(xué)相機(jī)、紅外相機(jī)、激光雷達(dá)等，通過飛行平臺獲取地面信息。遙感飛行器的高度、速度、角度等參數(shù)的精確控制對于獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

1.2 GIS 空間分析方法

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種將地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、分析、展示的技術(shù)系統(tǒng)。GIS 的空間分析方法主要包括空間查詢、空間統(tǒng)計、空間插值、空間模型等[2]。其模型如圖1 所示。

圖1 地理信息系統(tǒng)組成

空間查詢通過地理數(shù)據(jù)庫中的空間關(guān)系進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)對地理對象的快速定位和檢索。這為國土調(diào)查和自然資源管理提供了空間數(shù)據(jù)的直觀展示和查詢功能，提高了數(shù)據(jù)利用的效率。

空間統(tǒng)計則通過統(tǒng)計學(xué)方法對地理現(xiàn)象進(jìn)行分析，揭示其分布規(guī)律和相互關(guān)系。通過這種方法，可以深入了解國土和自然資源的空間特征，為決策提供科學(xué)依據(jù)。

空間插值是通過數(shù)學(xué)插值算法對有限采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，生成連續(xù)表面。在國土調(diào)查中，這意味著可以基于有限采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，推測整個地區(qū)的地理現(xiàn)象分布情況。這對于解決數(shù)據(jù)不均勻分布、缺失等問題具有重要意義。

空間模型建立地理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，揭示其內(nèi)在規(guī)律。這包括對地理現(xiàn)象的空間分布、影響因素等進(jìn)行建模。通過這一步驟，可以深入理解國土與自然資源的復(fù)雜關(guān)系，為更精準(zhǔn)的決策提供支持。

1.3 多源地理信息數(shù)據(jù)獲取

多源地理信息數(shù)據(jù)獲取是基于多種遙感技術(shù)和數(shù)據(jù)源的整合應(yīng)用，包括衛(wèi)星、航空、地面等多平臺數(shù)據(jù)的融合。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有全球性的優(yōu)勢，其涵蓋的光譜范圍廣泛，包括可見光、紅外、雷達(dá)等多個波段。衛(wèi)星傳感器通過對地表反射、輻射等信息的感知，生成遙感影像。這些影像廣泛應(yīng)用于大范圍的國土監(jiān)測，例如土地利用、植被覆蓋等。航空遙感則提供了更高分辨率的數(shù)據(jù)，特別適用于小范圍區(qū)域的監(jiān)測。通過搭載在航空平臺上的傳感器，航空遙感系統(tǒng)可以獲取地表的高分辨率影像，能夠捕捉到更為細(xì)致的地理信息，如城市建筑結(jié)構(gòu)、農(nóng)田布局等。地面觀測與調(diào)查是多源數(shù)據(jù)獲取中不可或缺的一環(huán)。通過在地面設(shè)置傳感器、監(jiān)測站等設(shè)備，獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證和校正，提高整體數(shù)據(jù)的精度。地面觀測還可以獲得一些衛(wèi)星和航空遙感無法獲取的數(shù)據(jù)，如土壤質(zhì)地、植被指數(shù)等，為綜合分析提供更為詳盡的信息。

多源地理信息數(shù)據(jù)的整合應(yīng)用，使研究能夠在全球尺度和局部尺度上兼顧數(shù)據(jù)的廣度和精度。通過衛(wèi)星、航空和地面觀測等多平臺數(shù)據(jù)的融合，可以實(shí)現(xiàn)對國土與自然資源更為全面、深入的監(jiān)測與評估。

2 基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策

2.1 調(diào)查方法與步驟

國土調(diào)查和自然資源管理的有效實(shí)施離不開科學(xué)合理的調(diào)查方法與步驟。本研究基于遙感與GIS 的綜合技術(shù)，提出了一套系統(tǒng)性的調(diào)查方法，旨在充分發(fā)揮遙感和GIS 在國土與自然資源調(diào)查中的優(yōu)勢。

調(diào)查方法的第一步是數(shù)據(jù)預(yù)處理。這一階段涉及到衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)的獲取與整理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、鑲嵌處理、大氣校正等。通過這一步驟，可以確保原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。第二步是影像解譯和分類。利用遙感影像，通過目視解譯或機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，將地表覆蓋物進(jìn)行分類，如建筑、植被、水體等。這一步驟為后續(xù)的空間分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第三步是GIS 數(shù)據(jù)處理。將遙感解譯結(jié)果與其他地理數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立空間數(shù)據(jù)庫。通過GIS工具進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加、關(guān)系分析等操作，獲取更加綜合的地理信息。調(diào)查方法的第四步是結(jié)果驗證。通過實(shí)地考察、采樣和與現(xiàn)有地面觀測數(shù)據(jù)的對比，對遙感和GIS 生成的地理信息進(jìn)行驗證，提高數(shù)據(jù)的可信度。

2.2 空間監(jiān)測與綜合評估

2.2.1 基于遙感的國土監(jiān)測

在國土調(diào)查中，基于遙感的國土監(jiān)測是通過獲取高時空分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對國土資源的動態(tài)監(jiān)測。這一過程中，可以采用時間序列分析方法，監(jiān)測土地覆蓋的變化趨勢。通過對多時相影像的疊加與比對，可以識別土地利用類型的變化，包括城市擴(kuò)張、農(nóng)田變化等[3]。遙感技術(shù)還能檢測土地的質(zhì)地、植被狀況，為國土規(guī)劃與管理提供詳實(shí)的信息。

2.2.2 自然資源綜合評估

在自然資源調(diào)查中，綜合評估包括植被覆蓋度評估、水資源分布評估、土地類型分布評估等多方面內(nèi)容。

植被覆蓋度評估：利用高光譜和多光譜遙感影像，采用植被指數(shù)（如NDVI）等指標(biāo)進(jìn)行植被覆蓋度的評估[4]。這一評估方法不僅能夠定量反映植被的生長狀況，還能分析植被的空間分布格局。

水資源分布評估：通過遙感影像和地面觀測數(shù)據(jù)，識別水體分布、水質(zhì)狀況，并結(jié)合GIS 進(jìn)行空間分析，實(shí)現(xiàn)水資源的動態(tài)監(jiān)測。這有助于發(fā)現(xiàn)水體變化、水質(zhì)污染等問題。

土地類型分布評估：利用遙感和GIS 技術(shù)，對土地類型進(jìn)行監(jiān)測和分類。通過空間分析，可以得知土地利用的結(jié)構(gòu)，包括農(nóng)田、林地、草地等的分布情況，為土地資源的科學(xué)管理提供依據(jù)。

通過這些空間監(jiān)測與綜合評估的方法，可以全面了解國土和自然資源的狀況，為決策者提供科學(xué)的、綜合的數(shù)據(jù)支持。

2.3 案例研究驗證

研究選取了位于中國西南部的“梅花山自然保護(hù)區(qū)”作為案例研究對象。該自然保護(hù)區(qū)地處高海拔地區(qū)，具有豐富的生物多樣性和獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境。然而，由于長期的人為活動和氣候變化等因素，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到了一定的影響，因此需要進(jìn)行科學(xué)的國土調(diào)查和自然資源監(jiān)測。

在調(diào)查方法與步驟中，利用高分辨率的衛(wèi)星影像對梅花山自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了全覆蓋的遙感監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括鑲嵌處理和大氣校正，我們獲得了高質(zhì)量的遙感影像。接著，我們進(jìn)行了影像解譯和分類，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對植被、水體、裸地等進(jìn)行了準(zhǔn)確的分類。這為后續(xù)的GIS 數(shù)據(jù)處理提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在GIS 數(shù)據(jù)處理階段，我們將遙感解譯結(jié)果與現(xiàn)有的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立了包括植被覆蓋、土地利用結(jié)構(gòu)、水體分布等信息的空間數(shù)據(jù)庫。這一步驟使得我們能夠從多個維度全面理解梅花山自然保護(hù)區(qū)的地理特征。

通過空間監(jiān)測與綜合評估，對梅花山自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了深入的研究。在基于遙感的國土監(jiān)測中，采用了時間序列分析方法，對多時相影像進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)梅花山地區(qū)近年來植被覆蓋度逐漸增加，尤其是在自然保護(hù)區(qū)邊緣的農(nóng)田得到有效的恢復(fù)。這為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善提供了直觀的證據(jù)。

在自然資源綜合評估中，以植被覆蓋度、水資源分布和土地類型為重點(diǎn)進(jìn)行了分析。我們通過遙感數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，驗證了植被指數(shù)的準(zhǔn)確性，并通過GIS空間分析揭示了梅花山自然保護(hù)區(qū)水資源的分布格局。同時，通過土地類型的監(jiān)測，識別了自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同土地利用類型的分布狀況，為保護(hù)區(qū)的土地資源管理提供了科學(xué)依據(jù)。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 調(diào)查方法效果分析

通過實(shí)驗得到如表1 所示具體數(shù)據(jù)。

表1 調(diào)查方法效果數(shù)據(jù)

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，梅花山自然保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度在過去的六年里持續(xù)增加，由2015 年的65%上升到2021 年的75%。這反映了該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善和植被生長的積極趨勢。分析農(nóng)田面積和森林覆蓋的變化，可以看到農(nóng)田面積逐年減少，而森林覆蓋在增加。這表明梅花山地區(qū)農(nóng)業(yè)活動有所減少，可能是由于環(huán)保政策的推動，致使植被得到有效保護(hù)。水體面積的變化相對較小，但也呈現(xiàn)出穩(wěn)步增加的趨勢。這可能反映了梅花山地區(qū)水資源的有效保護(hù)和管理。

通過以上數(shù)據(jù)的分析，可以得出基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策在梅花山自然保護(hù)區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的成效。植被覆蓋度的提升、農(nóng)田面積的減少、水體面積的增加等數(shù)據(jù)變化反映了該調(diào)查方法在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和資源管理方面的積極作用。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步推廣和應(yīng)用這一調(diào)查方法提供了可靠的實(shí)證支持。

3.2 實(shí)用性與準(zhǔn)確性驗證

為了驗證基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，進(jìn)行了實(shí)地考察，設(shè)置了多個驗證點(diǎn)，利用現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)對遙感解譯結(jié)果進(jìn)行驗證，包括植被類型、土地利用等。實(shí)驗選擇了生產(chǎn)者精度、用戶精度、Kappa 系數(shù)等指標(biāo)，對遙感解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價。這些指標(biāo)可以客觀地反映遙感數(shù)據(jù)在實(shí)地驗證中的表現(xiàn)。得到具體實(shí)驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 實(shí)用性與準(zhǔn)確性驗證數(shù)據(jù)

生產(chǎn)者精度：在點(diǎn)1、點(diǎn)2 和點(diǎn)3 的驗證中，生產(chǎn)者精度均在88%以上，最高達(dá)95%。這說明遙感解譯結(jié)果對于實(shí)際植被類型的識別有著很高的準(zhǔn)確性，能夠較好地反映植被的真實(shí)分布情況。

用戶精度：用戶精度在點(diǎn)1、點(diǎn)2 和點(diǎn)3 的驗證中也表現(xiàn)出色，均在90%以上，最高達(dá)94%。這表示遙感解譯結(jié)果對于用戶來說，提供了較為可靠的地表覆蓋信息，用戶能夠較準(zhǔn)確地理解遙感解譯的植被類型。

Kappa 系數(shù)：Kappa 系數(shù)是對生產(chǎn)者精度和用戶精度的調(diào)和評價，其值在0 到1 之間，值越高表示解譯結(jié)果與實(shí)際情況的一致性越好。在梅花山自然保護(hù)區(qū)的驗證中，Kappa 系數(shù)達(dá)到了0.92，說明遙感解譯結(jié)果與實(shí)際植被類型之間的一致性非常高。

通過對驗證點(diǎn)的生產(chǎn)者精度、用戶精度和Kappa 系數(shù)的詳細(xì)分析，得出基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確度評價的多個指標(biāo)均表明，遙感解譯結(jié)果與實(shí)際情況高度一致，驗證了該調(diào)查方法的可靠性。這一驗證為該方法在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供了有力的支持，并強(qiáng)調(diào)了其在實(shí)際調(diào)查中的實(shí)用性。

4 結(jié)語

本研究通過基于遙感與GIS 的國土調(diào)查和自然資源調(diào)查對策，以梅花山自然保護(hù)區(qū)為例，深入探討了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和效果。通過多源地理信息數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，成功監(jiān)測了梅花山地區(qū)的植被覆蓋、土地利用結(jié)構(gòu)和水體分布等關(guān)鍵信息，驗證了該調(diào)查方法在國土與自然資源管理方面的實(shí)用性。實(shí)地驗證數(shù)據(jù)和多項準(zhǔn)確性評價指標(biāo)的高水平一致性，為所提出的調(diào)查方法提供了有力的實(shí)證支持。研究結(jié)果表明，遙感與GIS 技術(shù)的綜合應(yīng)用為國土調(diào)查和自然資源管理提供了高效、精準(zhǔn)的工具，填補(bǔ)了以往技術(shù)手段所無法解決的問題，為科學(xué)決策提供了全面的數(shù)據(jù)支持。