塞罕壩遙感應用野外實習基地的建設

劉雪萍，鄭成洋，蒙吉軍

塞罕壩遙感應用野外實習基地的建設

劉雪萍1,2,3，鄭成洋1,2，蒙吉軍1,2

（1. 北京大學 城市與環境學院，北京 100871；2. 北京大學 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871；3. 北京大學 人地系統與環境遙感實驗室，北京 100871）

遙感野外實習是鞏固遙感課程理論知識、擴大學生視野、提高學生解決實際問題能力的重要途徑。塞罕壩地理環境具有多樣性、完整性和獨特性，是建設遙感應用野外實習基地的合適場所。通過設備準備、資料收集、數據整理及實習路線、樣地和觀測點選擇等多方面建設，使基地具備開展地貌、植被、土地利用等多種地學要素野外遙感實習的條件，達到實習基地的建設目標。其中遙感應用實習數據平臺建設，對滿足學生主動學習、師生教學互動需求將發揮重要作用。

遙感應用；野外實習基地；塞罕壩

隨著我國航天技術發展和國產衛星不斷發射運行，衛星遙感應用領域不斷擴大，在資源調查、環境監測、生態建設、農林業發展、基礎設施建設和國防建設中發揮了越來越重要的作用[1-6]。遙感技術及應用是高校地學專業學生培養的重要內容，從20世紀80年代開始已逐步在各高校地學相關院系相繼開設[7]，為培養遙感應用人才發揮了重要作用。野外實習是地理教學中非常重要的部分[8-9]，與課堂上理論和概念講授相結合，能夠提供多種不同地理模式的實驗機會[10]，再加上與遙感影像的相互驗證和補充，有利于提高學生的學習興趣和動手能力。

遙感教學具有很強的實踐性和操作性，但是在國內外教學中，遙感課程主要是計算機遙感圖像處理，野外實踐訓練相對薄弱[11]，缺少系統性的遙感野外實習基地。因此，建立遙感應用野外實習基地，系統性、常規性地開展遙感應用野外實習，對提高遙感教學效果、增強學生創新能力非常必要[12]。遙感野外實習基地的選址需遵從地理單元的多樣性、典型性和代表性，資料積累的豐富性，交通距離的可達性，以及基礎設施的便捷性等原則。經過比較，選擇位于河北北部圍場滿族自治縣的塞罕壩林場作為我校遙感野外實習基地。

1 塞罕壩概況

塞罕壩遙感野外實習基地（以下簡稱塞罕壩基地），地處河北省圍場縣、內蒙古克什克騰旗和多倫縣接壤地區（見圖1），距北京500 km。基地以塞罕壩機械林場為中心，東至大光頂子山，西到御道口牧場，南臨壩緣山地，北接內蒙克什克騰旗，面積約5000 km2。

圖1 塞罕壩基地的地理位置

1.1 地貌與水文

塞罕壩基地位于內蒙古高原和大興安嶺山系與冀北山地交匯處，是燕山山地向內蒙古高原的過渡地區。隨著數次地殼抬升運動，特別是燕山運動和新生代喜馬拉雅運動，使該地區不斷上升和隆起，形成了海拔1300~1500 m的夷平面——壩上，這是內蒙古高原東南緣白水臺—老窩鋪山地（海拔1700~1900 m）的一條重要的地貌界線。山地以北稱為壩上，屬于內蒙古高原（海拔1300~1400 m）的一部分，山地以南稱為壩下，屬于冀北山地（海拔900~1600 m）的一部分[13]。山地與高臺地、波狀高平原、丘陵和沙地為塞罕壩主要的地貌類型。

塞罕壩隆起的壩上是灤河與遼河的分水嶺，基地主要位于灤河水系。這里是灤河主要支流的發源地。北部的吐里根河自東向西，匯入灤河；西面的小灤河是灤河的上游；伊遜河發源于圍場，自北向南貫穿塞罕壩壩下，在承德匯入灤河；在塞罕壩機械林場南門連接金蓮映日濕地的河流是由東向西的撅尾巴河，向西面匯入灤河。圖2遙感圖像是Landsat8 B732彩色合成的，圖像掃描時間是2016年8月9日。圖中隱含了植被影響，而突出了區域地貌特征：由河谷形成的線狀水系結構形成了區域河流地貌，自西南向東北的山脊線是壩緣，明顯區分了山地與內蒙古高原過渡地帶；圖像左側西北方向的斜帶顯示出由西北向風蝕沙地形成的沙丘格局。

圖2 塞罕壩實習區遙感衛星影像

1.2 氣候

塞罕壩屬于我國北方半干旱半濕潤氣候區，位于我國境內三條全球變化樣帶交匯處[14]，是全球變化研究的關鍵區域[15]，是暖溫帶向溫帶、亞濕潤向亞干旱氣候過渡地帶，年平均氣溫–1.2 ℃，年降水量450 mm。由于地勢高亢，冬季漫長而寒冷，春季短促，夏季不明顯。受地貌格局的影響，氣候分異呈明顯的3個階梯形帶狀格局：壩下山地年平均氣溫5~6 ℃，為亞濕潤溫和氣候帶；壩緣山地年平均氣溫–2 ℃，為亞濕潤高寒氣候帶；壩上地區年平均氣溫–1.2~ –1.4 ℃，屬于中溫帶亞干旱區氣候。塞罕壩冬季受蒙古高壓控制，嚴寒而漫長，一月平均溫度達到–19 ℃；夏季涼爽，由于受東南季風的影響，降水豐沛，多年平均降水量達430 mm，集中在7、8月份，最高氣溫一般不超過25 ℃[16]。

1.3 植被

依據中國植被帶類型劃分，塞罕壩基地處于溫帶落葉闊葉林向溫帶草原過渡帶，森林帶與草原帶交錯出現。受地貌和氣候的影響，地帶性植被有闊葉落葉林與草原，落葉闊葉林的典型樹種有蒙古櫟樹、白樺林和油松林；草原則為高平原草甸草原和沙地榆樹疏林草原，主要植被有貝加爾針茅草（）、羊草（）、苔草（.）等。非地帶性植被包括亞高山草甸、高寒沼澤和人工林。在20世紀60年代，塞罕壩林場種植了大面積的人工落松林和樟子松林，成為我國最大的人工林種植基地，改善了區域生態環境[17]。圖3是塞罕壩遙感衛星圖像，由Landsat8 B752彩色合成，圖像掃描時間是2016年8月9日。中間紫色斑塊是塞罕壩機械林場區域，可以明顯看到區域內豐富的植被分布，深綠色斑塊的人工林、深色斑塊加雜的略淺綠色為闊葉林，淺綠色平滑斑塊是草原等。

圖3 塞罕壩遙感衛星圖像

1.4 土地利用

由于塞罕壩基地地處農牧交錯帶，除建設用地外，林地、農業用地和牧業用地是土地利用的主要類型。壩下以南以農為主，農林結合，自然林較少，人工林為主；壩上以草地、林地為主，除天然的落葉闊葉林外，栽種了大面積的落葉松和樟子松林，森林覆蓋率高。壩上吐力根以西屬于內蒙古高原，牧業為土地利用的主要類型。建設用地是林場辦公管理用地和近年來建設的旅游服務設施。

綜上所述，塞罕壩除特殊而適宜的地理位置外，還具有地學要素的豐富性、完整性和獨特的自然環境，是進行遙感應用實習的優越場所。

2 基地建設目標

塞罕壩遙感應用野外實習基地建設目標是，經過數據積累和地學分析與研究，開拓適合遙感和地學野外教學的空間，在GIS和互聯網技術支持下，建立一套內容豐富、應用靈活、操作簡單和可擴展的塞罕壩遙感應用野外實習數據平臺，建成遙感數據豐富、基礎資料齊全、實習方案完備、實習內容廣泛、信息化程度高，且具有良好的實習環境和保障條件的野外實習基地。

3 基地建設的主要內容

3.1 基礎資料建設

收集和整理塞罕壩基地氣象氣候資料、地質與地貌資料、土壤數據、植被數據、土地利用數據以及社會經濟數據等資料，構建基礎資料數據庫，為實習教學提供基礎資料。

3.2 遙感數據建設

收集整理和購置多平臺、多時相、多分辨率遙感數據。基礎圖像采用分辨率為10~20 m的新近多光譜遙感影像。歷史數據包括1970年代、1980年代、1990年代、2000年代、2010年代的衛星遙感數據，為遙感實習對動態變化的研究提供資料。遙感影像的分辨率包括500 m、60 m、30 m、10 m、2 m等，不同分辨率的遙感影像能從不同尺度了解遙感解譯的特征與能力。反映現狀的最新遙感影像以下載國產遙感衛星數據為主要來源。此外，還應注意收集和整理微波遙感數據、紅外遙感數據、高光譜遙感數據等類型數據。

3.3 設備建設

現場采集數據對遙感驗證、圖像對比及理解環境遙感物理基礎理論非常重要[18]，也是開展遙感應用實習的主要內容。主要設備有地物野外光譜儀、GPS記錄儀、樣方條等，用于對區域內各類地物進行測量、樣地定位、植物記錄、土地利用記錄等。

3.3.1 便攜式地物光譜儀

地物光譜是地表遙感信息的基本內容，也是區分地物類型的重要依據。在遙感應用野外實習中，地物野外光譜儀是必備設備。利用地物光譜儀測量植被、水體、土壤的反射率等光學參數，使學生了解各類地物的光譜特性，加深遙感物理關于地物光譜特性的理論知識，并與衛星獲取的遙感信息進行比對，提高分辨地物的能力。野外光譜儀采用ASD FieldSpec 公司的Handheld 便攜式分光輻射儀，能快速、精確獲取地表反射率、輻射量度和輻射照度等。

3.3.2 GIS記錄儀

通過BDS（北斗衛星）、GPS（美國衛星）和GLONASS（俄羅斯衛星）多種衛星定位地理空間信息，包括地點位置、路線、區域范圍多邊形等，記錄的信息帶有地理坐標，可直接輸入GIS系統（地理信息系統）。根據實習內容分組，每個實習小組至少一個位置記錄儀。

具體設備包括佳明GPS、華測公司的GIS數據采集器、彩途公司的測畝儀等。

3.3.3 其他設備

包括數碼相機、采集植物標本夾、樣地標尺等。

3.3.4 基地的基礎數據采集設備

小型氣象觀測站、無人機等設備根據經費條件配置。

3.4 遙感應用實習內容設計

在塞罕壩遙感野外實習基地，主要開展地貌、植被、水環境、生態、土地利用等遙感應用實習。

3.4.1 地貌遙感實習

采用實習線路與觀測點結合的方式進行地貌遙感實習。進行實地調查前，先進行遙感圖像的初步解譯，在小比例尺的遙感圖像上，判讀地貌主要類型，如平原、山地、丘陵、河流，以及大的地貌形態特征，如風沙地貌、火山地貌、山地地貌、流水地貌。實習路線選擇地貌類型豐富的區域和路徑最短的地方。在地貌觀察點，能看到區域的地貌現象和特征，了解到區域地貌形成、演變的過程和各種地貌類型的界限，引導學生對比遙感圖像深入進行區域地貌解譯。

3.4.2 植被遙感實習

采用實習線路和樣地觀測的方式。實習線路選擇植被類型根據地貌變化具有地帶性的路線，沿路調查了解植被與自然地理環境的關系及自然地理對植被變化的影響，記錄植被類型。樣地選擇有代表性的植被覆蓋區，觀測植被內部的結構參數，包括蓋度、高度、植物種類、優勢植物等，測量樣地高光譜曲線，獲取植被樣地的可見光、近紅外的光譜特性，使學生了解植被遙感依賴于植被葉片和植被冠層的光譜特征，并與遙感圖像進行對比。

3.4.3 土地利用遙感實習

采用區域調查與路線調查結合的方式，利用不同分辨率和多時相遙感圖像，進行土地利用類型的遙感影像判讀。在遙感圖像上直接表現的是土地覆蓋，而不是土地利用類型。通過在實習區的實地調查，明確土地利用類型、土地覆蓋類型在遙感圖像上的表現形式，并了解多時相遙感圖像獲取土地利用變化過程的方法，引導學生編制一個區域土地利用遙感調查圖，利用GIS技術量算、分析實習區土地資源的數量結構及空間格局。在實習區分別選擇耕地、園地、林地、牧草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域、未利用土地等展開調查。按照土地利用分類系統，分小組選擇不同的一級類型，開展該一級類型下的二級分類的詳細調查，以此使學生了解遙感土地利用調查的方法和技術。收集和調查行政區域內人口、GDP及土地權屬關系，結合地貌遙感調查、植被遙感調查的結果，進一步了解土地資源的自然條件、農牧業生產概況。

3.5 遙感應用實習數據平臺建設

互聯網技術和信息技術的迅速發展為遙感應用野外實習提供了新的手段和思路。將地理信息與互聯網技術相結合，建立遙感應用野外實習數據平臺，對實習區的遙感圖像、地理信息、教學視頻、實習點照片進行匯總，分門別類建立數據庫，提供查詢、表達、下載、瀏覽閱讀、虛擬現實的功能。這樣可減少由于學生多、教師少、實習時間有限、講授任務重，以及天氣、交通、住宿、經費等方面的不利影響，提高實習教學的靈活性和豐富性水平。

圍繞塞罕壩遙感應用野外實習的專題需求，以地理信息系統GIS為支撐，建立一套內容豐富、應用靈活、操作簡單及可擴展的塞罕壩遙感應用野外實習數據平臺，包括多尺度空間數據庫系統、專題遙感數據庫系統、文獻數據庫系統、區域自然及經濟數據庫系統、實習任務數據庫系統、教學視頻與圖片數據庫系統、實習成果數據庫系統、實習體會心得數據庫系統等。

實習數據平臺可在電腦和手機上觀看，有利于促進學生參與及互動交流，有利于自主學習、過程監控、信息服務、實習指導、遙感實習預習、驗證和綜合分析能力的提升。

遙感應用野外實習數據平臺的建立，為新型教學形式提供了資源和技術手段，為進一步開展翻轉課堂（flipped classroom）、幕課（MOOC）等提供了有利條件。

4 結語

遙感應用野外實習基地建設為加強實踐教學提供了重要條件，是遙感學科建設和地理學科建設的有機組成部分。塞罕壩是氣候和生態的過渡區域，地貌、氣候、植被等自然資源豐富，地域廣闊，可根據教學內容和實習時間，選擇可長可短的遙感應用野外實習項目，具有靈活性和可擴展性，是開展遙感應用野外實習的適合區域。

實習基地的建設涉及硬件和軟件等多個方面，主要包括遙感儀器、遙感圖像、區域地理信息資料、實習路線、樣地和觀測點，以及遙感應用實習數據共享平臺等，從而保障遙感應用野外實習的順利進行。實習基地與科研野外生態站結合，減少了實習基地在管理、設備和資源上的困難，保障了野外實習的順利開展，為開展地貌遙感、植被遙感、土地利用遙感等方面的實習教學奠定了基礎。

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Construction of field practice base for remote sensing application in Saihanba

LIU Xueping1,2,3, ZHENG Chengyang1,2, MENG Jijun1,2

(1. College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Key Laboratory of Surface Process Analysis and Simulation of Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China; 3. Laboratory for Human Earth System and Environmental Remote Sensing, Peking University, Beijing 100871, China)

The field practice of remote sensing is an important way to consolidate theoretical knowledge of the Remote Sensing course, expand students’ vision and improve their ability to solve practical problems. Saihanba geographic environment has diversity, integrity and uniqueness, which is a suitable site for the construction of field practice base for remote sensing. Through the equipment preparation, data collection, data collation and practice route, sample plot and observation point selection, the base has the conditions to carry out field remote sensing practice for geomorphology, vegetation, land use and other geo-elements, so as to achieve the construction goal of the practice base. Among them, the construction of remote sensing application practice data platform will play an important role in meeting the needs of students’ active learning and interaction between teachers and students.

remote sensing application; field practice base; Saihanba

G642.44

A

1002-4956(2019)07-0214-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.052

2019-01-07

北京大學本科教學改革項目“遙感地學應用實習實踐基地”

劉雪蓮（1961—），女，浙江杭州，碩士，教授級高級工程師，主要從事遙感與地理信息系統應用教學與科研、教學信息化工作.E-mail: liuxp@pku.edu.cn