地理信息技術(shù)在土地利用和土地覆被變化研究中的應(yīng)用與發(fā)展

【摘要】LUCC時(shí)空信息是LUCC研究的基礎(chǔ)，而利用地理信息技術(shù)對(duì)LUCC時(shí)空信息的處理則成為L(zhǎng)UCC研究中不可或缺的手段。地理信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)LUCC研究起到了極大的推動(dòng)作用，本文在分析當(dāng)前LUCC研究特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了地理信息技術(shù)在LUCC研究中的應(yīng)用實(shí)踐，并展望LUCC研究對(duì)地理信息技術(shù)的發(fā)展需求。

【關(guān)鍵詞】地理信息技術(shù);3S技術(shù);土地利用/土地覆被變化

【中圖分類(lèi)號(hào)】F301.2【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1005-1074(2008)07-0217-02

土地利用/土地覆被變化（簡(jiǎn)稱(chēng)LUCC）是引起其它全球變化問(wèn)題的主要原因，因此研究土地利用/土地覆被變化及其驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系，進(jìn)行其環(huán)境效應(yīng)分析和前景預(yù)測(cè)，在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究中具有尤為重要的意義。LUCC時(shí)空信息是LUCC研究的基礎(chǔ)，而利用地理信息技術(shù)對(duì)LUCC時(shí)空信息的處理則成為L(zhǎng)UCC研究中不可或缺的手段。3S技術(shù)的發(fā)展對(duì)LUCC以及全球變化研究起到了極大的推動(dòng)作用，本文在分析當(dāng)前LUCC研究特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了地理信息技術(shù)在LUCC研究中的應(yīng)用實(shí)踐，并展望LUCC研究對(duì)地理信息技術(shù)的發(fā)展需求。

1當(dāng)前LUCC研究的特點(diǎn)

LUCC研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括：土地利用現(xiàn)代過(guò)程的時(shí)空模式及形成演化規(guī)律；LUCC的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及時(shí)空分異特征；LUCC與環(huán)境變化的耦合機(jī)制。科學(xué)的發(fā)展為L(zhǎng)UCC研究提供了理論和技術(shù)保障：地球系統(tǒng)概念的產(chǎn)生，對(duì)影響LUCC的重要過(guò)程的逐步認(rèn)識(shí)，更為重要的是地理信息技術(shù)的進(jìn)步、計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高和分析測(cè)試手段的進(jìn)步，為L(zhǎng)UCC研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。以國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃（IGBP）、全球變化人文計(jì)劃（IHDP）、世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）、生物多樣性計(jì)劃（DIVERSITAS）等全球變化研究計(jì)劃的組織實(shí)施，使LUCC研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

與以往相比，作者試圖將當(dāng)前LUCC研究的特點(diǎn)歸納為以下五點(diǎn)：①由主要揭示LUCC的演化規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅豅UCC對(duì)環(huán)境的影響以及環(huán)境的響應(yīng)研究。②越來(lái)越關(guān)注人類(lèi)活動(dòng)引起的LUCC，注重自然、人文學(xué)科的交叉研究。③空間尺度上區(qū)域尺度與全球尺度一起考慮，而且越來(lái)越重視LUCC的區(qū)域表現(xiàn)形式和區(qū)域LUCC的情景模擬。④時(shí)間尺度上，注重短時(shí)間尺度，特別關(guān)注10~100年尺度上的LUCC，在此時(shí)間尺度上人類(lèi)活動(dòng)的影響最為顯著，對(duì)人類(lèi)生存和發(fā)展的意義也最為重大。⑤由影響LUCC的單因子研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘁蜃拥南到y(tǒng)研究，區(qū)域性的LUCC綜合數(shù)學(xué)模型不斷建立和應(yīng)用，而在此過(guò)程中，對(duì)地理信息技術(shù)的需求越來(lái)越高。

2地理信息技術(shù)在LUCC研究中的應(yīng)用

目前，地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）技術(shù)和全球定位系統(tǒng)（GPS）以其在時(shí)空數(shù)據(jù)獲取和管理上的有效性，已經(jīng)在LUCC研究的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、區(qū)域模型構(gòu)建以及LUCC與環(huán)境響應(yīng)模型研究中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1地理信息系統(tǒng)（GIS）的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）是綜合處理和分析空間數(shù)據(jù)的技術(shù)，它的發(fā)展為科研和管理決策人員提供了有關(guān)區(qū)域綜合、方案優(yōu)選和戰(zhàn)略決策等方面可靠的地理和空間信息。GIS在LUCC中的應(yīng)用主要為：構(gòu)建LUCC空間數(shù)據(jù)庫(kù)；完成空間數(shù)據(jù)庫(kù)中信息的集成與處理；實(shí)現(xiàn)LUCC時(shí)空信息的空間顯示；實(shí)現(xiàn)GIS和LUCC模型的集成^[2]。在已有的應(yīng)用中，前三項(xiàng)的應(yīng)用技術(shù)較為成熟，尤其是在“小比例尺、低精度、大范圍、調(diào)查性”的LUCC動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中得到了廣泛應(yīng)用。但是，在LUCC的環(huán)境效應(yīng)研究中，實(shí)現(xiàn)GIS與LUCC應(yīng)用模型的集成還需進(jìn)一步努力。目前，LUCC的環(huán)境效應(yīng)研究已經(jīng)成為L(zhǎng)UCC研究的新熱點(diǎn)，其對(duì)GIS的需求體現(xiàn)在：GIS可對(duì)使環(huán)境因子的空間變化得到更好的表達(dá)；GIS可為環(huán)境數(shù)學(xué)模型提供詳盡的背景環(huán)境描述，利用GIS工具能夠準(zhǔn)確地內(nèi)插得到模型所需的空間參數(shù)；而且，GIS和LUCC數(shù)學(xué)模型的集成有助于得到中尺度至大尺度的模型。

2.2遙感（RS）技術(shù)的應(yīng)用遙感（RS）是一種宏觀的觀測(cè)與信息處理技術(shù)，指從遠(yuǎn)距離高空及外層空間的各種平臺(tái)上，利用可見(jiàn)光、紅外及微波等電磁探測(cè)儀器，通過(guò)攝影或掃描、信息感應(yīng)、傳輸和處理技術(shù)來(lái)研究地面物體及其與環(huán)境相互關(guān)系的現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)。遙感信息的主要特點(diǎn)是其具有周期性、宏觀性、實(shí)時(shí)性和綜合性^[1]。作為一種信息源，遙感技術(shù)可以提供土壤、植被、地質(zhì)、地貌、地形、土地利用和水系水體等許多有關(guān)下墊面條件的信息，也可以測(cè)定估算蒸散發(fā)、土壤含水量和可能成為降雨的云中水汽含量。以遙感為手段獲取的上述信息在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、確定環(huán)境模型參數(shù)時(shí)是十分有用的^[2]。

2.3全球定位系統(tǒng)（GPS）的應(yīng)用^[3]全球定位系統(tǒng)（GPS）是Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System的縮寫(xiě)，NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱(chēng)，含義為導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)時(shí)和測(cè)距/全球定位系統(tǒng)。它是美國(guó)國(guó)防部為滿(mǎn)足軍事部門(mén)對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位要求而建立的新一代管理系統(tǒng)。它具有定位精度高、實(shí)時(shí)定位速度快、提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)及全球地面連續(xù)覆蓋等特點(diǎn)^[3]。GPS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土地現(xiàn)狀、土地變更詳查中，是LUCC研究中獲取基本數(shù)據(jù)源的重要手段。GPS采用測(cè)碼偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位法對(duì)遙感發(fā)現(xiàn)的變化區(qū)域靶區(qū)進(jìn)行野外定位，精度可達(dá)分米和米級(jí)，能夠滿(mǎn)足我國(guó)土地變更調(diào)查的精度要求。GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)層后可通過(guò)GIS與本底數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，產(chǎn)生新的現(xiàn)狀圖，可以進(jìn)行圖件生產(chǎn)、查詢(xún)顯示、分析等功能。GPS與GIS、RS相結(jié)合，可為縣級(jí)土地資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理提供良好的技術(shù)支持。

3LUCC研究對(duì)地理信息技術(shù)的發(fā)展需求

3.13S一體化3S技術(shù)在LUCC研究中的獨(dú)立應(yīng)用具有各自的優(yōu)勢(shì)，但也存在各自的不足。如GPS可以瞬間產(chǎn)生目標(biāo)定位坐標(biāo)，卻不能給出定位點(diǎn)的地理屬性；RS可以很好地獲取區(qū)域面狀信息，但受光譜波段限制，有眾多地物特征不可遙感；GIS具有較好的查詢(xún)、檢索、分析和綜合處理能力，但數(shù)據(jù)獲取與錄入始終是個(gè)瓶頸問(wèn)題。這些不足之處使得3S技術(shù)的一體化稱(chēng)為必然趨勢(shì)。隨著LUCC研究在研究領(lǐng)域和方法上的不斷發(fā)展和成熟，其研究對(duì)象在廣泛性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、分析、預(yù)測(cè)等功能上提出了更高的要求，只有3S集成，構(gòu)成整體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，才能滿(mǎn)足這一需求。其中，GIS是一個(gè)核心技術(shù)，它需要RS不斷更新其數(shù)據(jù)庫(kù)及GPS的支持，是連接RS與GPS的紐帶，同時(shí)能夠處理各種來(lái)源與類(lèi)型的數(shù)據(jù)。3S一體化技術(shù)是土地利用動(dòng)態(tài)管理的理想技術(shù)支撐手段，完全可以進(jìn)行土地利用信息的實(shí)時(shí)更新和規(guī)劃方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整。將GPS記錄數(shù)據(jù)、RS成像數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)及文檔資料和數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)范格式輸入計(jì)算機(jī)，建立土地利用空間信息庫(kù)，據(jù)此可以求出地物的空間坐標(biāo)和屬性信息。同時(shí)，從中快速發(fā)現(xiàn)在哪些地區(qū)空間信息發(fā)生了變化，得到研究區(qū)域內(nèi)當(dāng)前城市化過(guò)程、耕地面積減少、土地利用變更和生態(tài)環(huán)境變化等的基本數(shù)據(jù)和圖面資料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的快速更新，在分析決策模型支持下，快速完成多維、多元復(fù)合分析。3S一體化在LUCC研究中的重要意義在于：可以獲得LUCC實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，適時(shí)地進(jìn)行土地利用信息變更和規(guī)劃方案的調(diào)整，能通過(guò)仿真模擬技術(shù)對(duì)土地利用規(guī)劃實(shí)施跟蹤管理和實(shí)時(shí)調(diào)整，為土地資源調(diào)查、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析與評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)與預(yù)警、決策與支持提供技術(shù)保證。

3.2GIS與LUCC模型的集成通用GIS的空間分析功能對(duì)于目前日趨深入的LUCC研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)長(zhǎng)UCC有自己獨(dú)特的專(zhuān)用模型，目前通用的GIS大多通過(guò)提供進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的工具和環(huán)境來(lái)解決這一問(wèn)題。如ARC/INFO提供的進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的宏語(yǔ)言AML。二次開(kāi)發(fā)工具的一個(gè)主要問(wèn)題是它對(duì)于普通用戶(hù)而言過(guò)于困難，而GIS成功應(yīng)用于專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域的關(guān)鍵在于支持建立該領(lǐng)域特有的空間分析模型，GIS應(yīng)當(dāng)支持面向用戶(hù)的空間分析模型的定義、生成和檢驗(yàn)的環(huán)境，支持與用戶(hù)交互式的基于GIS的分析、建模和決策。GIS與LUCC模型的集成必將成為L(zhǎng)UCC研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

目前實(shí)現(xiàn)通用GIS空間分析功能與LUCC專(zhuān)用模型的結(jié)合主要有兩種途徑：①松散耦合式。即除GIS外，借助其他軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用模型，其與GIS之間采用數(shù)據(jù)通訊的方式聯(lián)系。②嵌入式。即在GIS中借助GIS的通用功能來(lái)實(shí)現(xiàn)LUCC專(zhuān)用分析模型。上述兩種方式總體上對(duì)用戶(hù)定義自己的專(zhuān)用模型的支持程度都是不夠的，目前的GIS離支持實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集定義、模型定義、模型生成和模型檢驗(yàn)的全過(guò)程仍有較大的距離，實(shí)現(xiàn)二者的集成仍需進(jìn)一步努力。

3.3多時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(Temporal GIS——TGIS)研究^[4]LUCC時(shí)空動(dòng)態(tài)信息中，時(shí)間維度是非常重要的角色。對(duì)過(guò)去LUCC歷史信息的重建和對(duì)將來(lái)LUCC的預(yù)測(cè)都以時(shí)間維度為主體。因此，考慮時(shí)間特性的多時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIS）是LUCC研究實(shí)踐中的需要。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)只考慮地物的空間特性，忽略了其時(shí)間特性，主要是由于技術(shù)和設(shè)備的限制。近年來(lái)，對(duì)GIS中時(shí)態(tài)特性的研究變得十分活躍，但由于TGIS的基礎(chǔ)模型還不成熟，現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)平臺(tái)式TGIS面世。目前，將GIS中的地理空間信息與時(shí)間信息集成的作法一般是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上擴(kuò)充，如在關(guān)系模型的元組中加入時(shí)間，在對(duì)象模型中引入時(shí)間屬性。在這種擴(kuò)充的基礎(chǔ)上如何解決從表示到分析的一系列問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究，其困難在于海量數(shù)據(jù)的組織和存取。

3.4實(shí)現(xiàn)GIS與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成時(shí)態(tài)性是LUCC研究的特點(diǎn)之一，對(duì)LUCC的監(jiān)測(cè)不但需要多個(gè)部門(mén)配合提供數(shù)據(jù)共享資源，同時(shí)也是一個(gè)服務(wù)于社會(huì)和政府的共享系統(tǒng)，因此為L(zhǎng)UCC研究提供重要空間數(shù)據(jù)分析、管理功能的GIS集成在Internet/Intranet之上，對(duì)推動(dòng)LUCC研究走向?qū)嵺`、服務(wù)決策具有重要意義。

目前，在地理學(xué)的諸多研究領(lǐng)域都已經(jīng)嘗試開(kāi)發(fā)了針對(duì)某項(xiàng)服務(wù)的WebGIS，如水土流失調(diào)查監(jiān)測(cè)公共信息系統(tǒng)。然而，在LUCC研究領(lǐng)域，雖然越來(lái)越多的數(shù)學(xué)模型被很好地應(yīng)用于LUCC驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究、環(huán)境響應(yīng)機(jī)制研究等，取得了許多動(dòng)態(tài)的、實(shí)效的LUCC信息，但利用WebGIS實(shí)現(xiàn)LUCC時(shí)空數(shù)據(jù)及研究結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)仍尚未起步。隨著易于集成、可無(wú)限擴(kuò)展的組件式GIS技術(shù)的不斷成熟，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)分析管理的完善和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)的日益簡(jiǎn)單實(shí)用，相信應(yīng)用于LUCC研究的WebGIS會(huì)被逐步實(shí)現(xiàn)。比如，可采用ARC/INFO的IMS實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)上發(fā)布，采用ARC/INFO的空間數(shù)據(jù)引擎SDE和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Oracle實(shí)現(xiàn)海量分布式地理信息和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的協(xié)同管理。操作系統(tǒng)平臺(tái)采用日益成熟的WindowsNT建立良好的用戶(hù)平臺(tái)界面，使用戶(hù)直接可在IE下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的、交互的LUCC監(jiān)測(cè)和管理公共信息系統(tǒng)，滿(mǎn)足社會(huì)各方面的應(yīng)用需求。

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