地理國情監測和遙感科學與技術專業教學探討

劉英

摘要：開展地理國情監測已成為測繪地理界的重要工作，是國家賦予測繪部門的歷史性任務。地理國情監測是測繪地理信息發展的不竭動力，需要大量的相關技術人才。本文探討了地理國情監測與遙感科學與技術專業的教學革新，并對高校培養測繪、地理和遙感類的人才提出了建議。

關鍵詞：地理國情監測；遙感科學與技術；教學探討；轉型

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）23-0166-03

一、引言

隨著我國經濟社會的發展和測繪地理信息技術手段的提升，國家適時提出了地理國情監測的新任務。黨和國家領導人多次對地理國情監測提出了要求，國家測繪地理信息局將“地理國情監測”列為與“數字城市”、“天地圖”并列的“三大平臺”之一，因此自2012年開始地理國情監測成為測繪地理信息行業轉型和變革的重要支撐，當前地理國情監測已經在全國31個省、直轄市、自治區展開，由此看出地理國情監測的地位和意義重大，對了解和掌握我國的基本國情，例如國土疆域面積、地理區域劃分、地形地貌特征、道路交通網絡、江河湖海分布、土地利用與土地覆蓋、城市布局和城鎮化擴張、生產力空間布局等自然和人文地理要素具有重要意義。

地理國情監測是綜合利用全球導航衛星系統（GPS）、遙感技術（RS）和地理信息技術（GIS）等現代測繪技術，對地理方面的國情，比如地形、地貌、水系、交通、地表覆蓋等要素進行了定量化和空間化的動態監測，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的監測數據或數據庫、地圖圖形和研究報告等。遙感科學與技術是在測繪科學、電子科學、地球科學、空間科學、計算機科學及其學科交叉滲透、相互融合的基礎上發展起來的一門新興學科，利用非接觸傳感器來獲取有關目標的時空信息，不僅著眼于解決傳統目標的幾何定位，更為重要的是對利用外層空間傳感器獲取的影像和非影像信息進行解譯，提取客觀世界中各種目標對象的幾何與物理特征信息。

從遙感科學與技術的學科任務和培養目標來看，完全契合地理國情監測的技術要求，為地理國情監測提供對地觀測數據源，特別是遙感科學與技術的應用方面，可以進行地理信息監測、土地資源利用監測、環境監測、農情監測、森林和濕地監測、災害實時監測、水文監測、礦產資源監測、氣象監測等[1]。2012年武漢大學遙感信息工程學院成功申請了地理國情監測技術本科專業，其培養目標仍然是以測繪學科和地理學科為交叉，培養掌握地理國情數據的獲取、處理、變化分析、地理建模、可視化與地理模擬、校驗評估、動態信息共享服務、綜合應用等技能的復合型人才的跨學科門類及綜合交叉的工學專業。地理國情監測技術專業的成功申請對傳統的遙感科學與技術專業提出了新的挑戰和要求。本文結合地理國情監測，探討了遙感科學與技術專業本科教學內容，以期為新時期的遙感科學與技術專業培養目標提供借鑒和參考。

二、地理國情監測與遙感技術

李德仁院士指出地理國情監測的實施需要利用空天地一體化遙感技術的支撐。地理國情監測對象為各類的地理信息，具有區域性、多維結構、時序變化等特征，并且地理國情信息的獲取強調時效性和全面性，所以在很大程度上對地觀測能力的強弱決定了地理國情監測的強弱[2]。遙感技術是對地觀測的重要組成部分，遙感科學與技術當前呈現出“三全”（全天候、全天時、全球觀測）、“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率）、“三多”（多平臺、多傳感器、多角度）的發展趨勢。由于遙感技術對地觀測具有快速、覆蓋范圍廣、周期性等特點，使其成為最重要的地理國情監測數據的獲取手段。但是目前由多個衛星系統組成的衛星星座獲取的海量數據只能觀測到近地表的地理事件，卻無法分析其前因后果，并且跟蹤事件的進展并預測其發展變化趨勢。遙感科學技術的遙感影像反演地理國情要素的方法研究，全球觀測海量數據的定量管理、分析與預測、模擬是遙感技術的前沿和核心。因此，未來為了更好地利用遙感獲取地理國情信息，需要重視和加強對定量遙感、多時相遙感數據變化檢測以及多源數據的融合等相關技術的研究。

三、遙感科學與技術的轉型

國家測繪地理信息局副局長李維森指出地理國情普查與監測是基礎測繪的延伸和拓展，是測繪地理信息部門的一項全新的工作，是對傳統測繪地理信息事業的深刻變革[3]。遙感科學與技術作為傳統測繪科學的重要組成也需要做出相應的變革舉措，特別是人才培養和教學模式。傳統遙感科學與技術需要在以下幾方面做出轉型升級：（1）空天地一體化實時數據獲取。隨著地理國情監測的需要和要求的增加，遙感影響數據的精度和回訪要求越來越高，而我國在空天地傳感器的布局和模型上統籌欠缺，不同傳感器之間耦合困難，無法滿足地理國情的綜合性、快速應急響應的需求。因此，需要構建空天地立體組網協同觀測的對地觀測體系，保障數據獲取的精細化和時效性。（2）遙感數據的分類和解譯能力。地理國情監測獲取了大范圍、多類型、多尺度的遙感影像數據，因此需要遙感科學與技術提供目標識別、科學分類與自動化解譯工作。充分研究對地觀測傳感網的多源數據智能化處理與分析模型，從不同層次、不同角度研究和分析智能化多源數據處理、地理參數提取與變化信息提取的理論與方法。目前的遙感解譯和目標識別并沒有通過物理方程反演，而是采用基于灰度加上一定知識的統計、結構和紋理的影像分析方法。為了更好地利用遙感獲取地理國情信息，需要重視和加強對定量遙感相關技術的研究。因此，在本科教學和科研中應該加強對以上兩方面的研究。

四、地理國情監測與遙感科學和技術教學

遙感科學與技術專業培養具備衛星遙感平臺技術、傳感器技術、信息獲取、遙感數據處理、多傳感器數據匹配和融合、圖像自動解譯技術和虛擬仿真的基本技術與方法。為了更好的服務地理國情監測，需要在培養目標中加強對遙感數據應用方面的學習。遙感是為實現全球范圍內多層次、多視角、多領域的對地觀測而獲取豐富資源信息的一種綜合性空間探測技術，廣泛應用于資源綜合規劃與利用、城鄉規劃與管理、自然災害防治、環境動態監測等科學研究和工程應用中，也成為地理國情監測中重要地表數據獲取的主要手段，為了保證地理國情監測遙感數據的完整性，形成比較完善的監測數據成果體系，例如基礎地理國情覆蓋圖、多時態地理國情監測數據庫以及相關的特征要素專題圖和變化統計圖等，多源遙感數據的綜合使用至關重要[4]。為此，本文舉例說明了地理國情監測中所應用的遙感技術：（1）土地資源調查。土地資源調查主要反映了各種土地的利用類型、基本農田狀況等地理國情信息。土地利用類型分類主要有光學遙感影像和SAR影像分類。基于光學遙感數據進行地表覆蓋分類，可結合光譜特征、紋理信息、地形信息及其他輔助信息，采用最大似然、BP神經網絡、支持向量機等分類器提取不同地類。在地理國情監測中，需要在大尺度范圍內進行地表覆蓋分類，但普遍存在以下問題，例如光學影像易受天氣影響的制約；高分影像易受混合像元影響陰影難除，即使有多源傳感器互為補充，多源遙感數據全覆蓋普查區域也較難實現。同時，傳統的基于像元的自動化影像分類方法由于其噪聲問題在現階段的地理國情普查普適性并不高，需要發展面向對象分類的影像自動分割技術與人工區劃判讀相結合的分類方法來提高分類的精度和普適性。SAR影像目前在地理國情普查地表覆蓋數據采集中還未見有應用的先例，可用在后期地理國情監測中地面沉降分析等相關領域。（2）地理要素變化監測。采用多源多時相遙感數據橫向和縱向對比，以及利用高分辨遙感數據和已知地理信息數據修正等方法監測地表關鍵要素的變化，判斷地理要素是否變化以及變化的趨勢分析等。地理國情監測中相當多的內容屬于地理要素的變化監測，比如青海湖面積遙感動態監測，利用高分辨遙感衛星數據，在每年的5月和9月分別對青海湖面積進行監測，時間跨度可從上世紀70年代至今，分析多年數據的對比、影像變化對比等，可以為政府治理青海湖生態提供決策依據，比如海洋監測，包括海洋綜合調查、全國海岸線和海涂資源調查等。類似的例子還有很多，比如三江源頭科考、國界線確定等。（3）地理災害監測。地理災害是指在自然或人為因素的作用下形成的，對人類生命財產、環境造成破壞和損失的現象。如洪水、地震、泥石流、火災、水土流失、土地沙漠化及沼澤化、土壤鹽堿化、沙塵暴等。目前災害遙感在預測方面還較弱，但是在快速反應、緊急救災和災后重建等方面的應用比較成熟，所以應用較為廣泛。例如，洪澇災區或者地震災區的遙感監測評估體系由雷達衛星和機載合成孔徑雷達（SAR）圖像數據、光學衛星數據，例如LANDSAT數據、SPOT數據和其他高分辨率數據，結合地理信息系統（GIS）技術對災區進行深度監測和詳細評估，并給出相應的災情圖像、詳細評估報告和災情損失的分區分類數據表格，其研究結果能夠為相關部門進行災后重建提供決策參考。

五、討論

地理國情監測在實際應用中還會涉及數據源的問題，前文中提到地理國情監測中可能會用到的多源遙感衛星數據，還應注意數據源的選擇要考慮空間、時間、精度等因素。此外，我國國土面積廣闊，對于全國范圍的大尺度和區域范圍的小尺度要綜合考慮尺度問題，這里面就涉及衛星影像的空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率以及各種大小比例尺的基礎地理信息數據[5，6]。遙感技術作為進行地理國情監測的關鍵核心技術之一，注重空間位置的現狀、數據的獲取等，需要與側重時空數據管理、數據共享的GIS技術緊密結合。地理國情監測總的來說是跨學科、跨領域的科學對地觀測活動，需要數據注重分析，技術結合應用，理論聯系實際。

隨著國家可持續的長遠規劃以及測繪地理等學科的發展，需要大力開展地理國情監測，獲取地表植被、水體、土地利用變化以及城鎮擴張、生態環境變化等地理國情信息，揭示經濟社會發展與自然資源環境的內在關系和演變規律，為國家的重大事項決策、重要項目安排提供基礎數據支持[7-9]。在此背景下，需要遙感科學與技術專業在本科教學中做出適當的轉型，在把遙感技術的基礎知識傳授給學生的同時，要強調海量遙感數據的提取和應用，重視遙感變化監測技術的研究和應用，高分、多光譜、雷達和SAR等，主要遙感數據處理的學習和應用等，同時結合空間數據分析、時空數據庫、傳感器技術和地理編碼技術等，與國家層面的地理國情監測完美接口，培養能夠從事地理國情監測科學及其相關領域科學研究能力的復合型高技術人才。

參考文獻：

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[3]李維森.地理國情監測與測繪地理信息事業的轉型升級[J].地理信息世界，2013，20（5）：11-14.

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