地理信息系統在土地測繪中的應用

王金星，劉志強

（南陽高新區大地測繪有限公司，河南 南陽 473000）

通過遙感系統進行數據的收集，又或在地理信息系統中獲得的生態數據集，已經徹底改變了生態研究的方式。地理信息系統增強了從遙感數據中獲取信息的能力，而遙感數據為土地制圖開辟了廣泛的途徑，為土地利用問題分析提供了有效的方法，并為土地利用規劃和建模提供了工具。遙感測量的天氣角度、時間頻率和可重復性對于探測和監測變化是非常寶貴的。地理信息系統和遙感數據的集成方式有三種：（1）地理信息系統可用于管理多種數據類型；（2）地理信息系統分析和處理方法可用于遙感數據的操作和分析；（3）地理信息系統數據可以用來指導圖像分析，從光譜數據中提取更完整和準確的信息。

1 地理信息系統的背景

為了妥善管理土地資源，通常會進行土地適宜性評估，以此進行土地的測繪工作。土地適宜性分析是一種土地測繪的方法，可以確定特定作物生產的主要限制因素。同時，它使決策者能夠開發用于提高土地生產力的作物管理系統。土地適宜性評估是一種通過劃分競爭性土地用途來避免環境沖突的規劃方法。土地適宜性評估可以是定性的或定量的。定性方法用于廣泛評估土地潛力，結果以定性形式給出。定量方法是通過分析各種統計的參數技術，并且涉及更詳細的土地屬性。定量方法中的土地適宜性評估程序涉及許多模擬建模系統，以量化土地用于特定用途的潛力。例如，定量方法中較為常見的糧農組織土地評價系統指南和實物土地評價方法被廣泛用于土地適宜性評估。

遙感和地理信息系統在提高空間數據的便利性和準確性、提高分析效率和改進數據訪問方面大有希望。這些技術已被用于評估確定土地適宜性所需的標準，也被本研究采用。工程測量數據采集的復雜程度也比較高，易受工程區域地理位置、氣候環境等的影響。通過使用地理信息系統，可以通過矢量和柵格的方法實現數據收集與保存，通過使用GPS定位技術，還可以設定測量對象的坐標方位，從而將大量數據錄入至地理信息系統中，此外，通過聯合使用數字掃描裝置、攝像機、激光雷達裝置、衛星等，也可以實現數據收集。在地理信息系統的實際使用中，不但可以收集大量數據，同時還可以對數據進行變換、剪輯等處理，從而可以有效減少對數據進行處理所需要的時間，同時提高了測量結果的準確性。

2 地理信息系統的研究

遙感、地貌測量和基于地理信息系統的調查通常依賴于指數方法來表征土地覆蓋、形式、過程、氣候和結構。多種指數可用于描述地表生物物理特性、輻射和降水潛力、侵蝕潛力和地表水分條件。任何一個主題屬性都有許多潛在的度量標準，這些指數或度量通常基于與地形參數的關聯，盡管它們不能充分表征過程力學、尺度依賴性或時間動態。這種靜態制圖方法主要用于檢查空間模式，并且已發現此類指數在基于地理信息系統的分析和建模工作中很有用。然而，哪個指標最能描述感興趣的現象？這些模式是否真正代表“現實”（即形態、物理特性、遺傳學、動力學）是另一個問題。涉及使用指數和實證分析和建模的研究必須仔細檢查結果以確定模式是否具有科學依據。

從歷史上看，分割和映射依賴于模式識別。這種涉及遙感的專題繪圖側重于多光譜數據和光譜空間特征在土地覆蓋、生態、地質和水文繪圖中的應用。這種方法還包括整合地形信息和其他環境指標，根據相對模式劃分景觀。許多人使用了基于統計的分類器，這些分類器依賴于統計可分性概念特征空間。這種方法正式規定了指標的開發和評估，以確保統計可分離性以生成所需的類。最常見的統計分類器的結果高度依賴于建立適當的特征空間、選擇適當的類數、訓練和算法的性質。許多算法代表了一種蠻力方法，其結果不一定與真實的地貌特征相關。此外，分類結果高度依賴于與時空分辨率和預處理相關的輸入數據。一些研究人員已經開始解決這個問題，并評估了更復雜的方法的效用，例如傅立葉和小波分析來檢測地貌映射的光譜或地形特征等。

在不斷增長的地理信息系統和相關軟件包中區分不同層次的分析能力是有用的。地理信息系統軟件家族中最簡單的軟件包執行計算機制圖。在這個級別上，可以輸入、存儲、檢索、顯示和輸出地圖，但不以分析方式使用它們。計算機制圖的一個例子是數字地圖集或電子地圖文件。如果在軟件中地理數據元素和單獨的數據庫之間存在聯系，就可以實現更復雜的制圖。在這個級別上，可以根據數據庫中定義的標準選擇特定的點、線或多邊形。人口統計分析和稅務地圖可以用這個級別的軟件完成。設施管理行業（例如，電話、電纜、電力和燃氣）通過使用計算機輔助繪圖/計算機輔助繪圖（CAD/CAM）軟件實現了顯著的節約。但是，因為它們不是用來創建新信息的，所以這些數字地圖軟件都不能說是地理信息系統。地理信息系統能夠執行各種空間操作，這些操作對于識別計算機地圖中地理要素之間的關系非常有用。同樣，可以使用地理信息系統將來自兩個或多個地圖的數據組合起來，生成新的地圖或一組地圖，所包括的空間建模或決策支持功能的類型因地理信息系統軟件包的不同而不同。一些地理信息系統包含圖像處理功能，就像一些圖像分析包含各種地理信息系統功能一樣。在選擇一個特定的軟件包之前，建議仔細檢查軟件包套件中的功能，清晰定義用戶的需求大大促進了這一過程。在地理信息系統設計中投入的精力越多，成功實現的可能性就越大。

工程中的地質測繪技術也隨著科技的發展產生了更高的要求。不同的遙感器獲取的遙感圖像信息具有不同的信息優勢。利用信息優勢的數據融合技術生成新的圖像數據，可以減少或抑制圖像的模糊性、不完全性、不確定性和誤差，最大限度地利用各種信息。例如，融合來自Landsat的多光譜和全色波段圖像數據，可以將結果圖像的空間分辨率從30 m提高到15 m，滿足1∶25000和1∶5萬基礎地理信息系統數據更新的需求。然而，15 m的空間分辨率明顯不能滿足大尺度基礎地理信息系統數據融合1∶3500比例尺、0.6 m空間分辨率的航拍影像的更新的要求。

如今，科學家越來越多地將定量地形信息和空間分析以及空間建模納入他們的研究。在工程學中基于地理信息系統的應用程序涵蓋全套過程域和相關地質規劃測量。通常通過圖像或科學可視化進行檢查，更多的應用是評估工程景觀的時空模式、多尺度特征和過程域、景觀變化場景、干擾機制的變化以及與自然力量和人為因素相關，解決這些基于地點的問題包括整合地面、機載和衛星遙感技術。

3 地質測繪技術

工程中的數字化測繪技術廣泛應用于地理學中，其充分利用遙感以及地理信息系統結合發展下的技術手段。地球表面的各種結構和功能方面可以用不同的方式繪制。例如研究學者指出的可以收集四種不同類型的數據來繪制地形圖，其中包括形態學、形態發生學、形態測量學和形態年代學信息。每種方法都可以為更好地理解過程域、形態發生學、反饋機制和多基因景觀演化提供新的見解，其中疊印通常會混淆充分的解釋和映射。不同視角的示例包括以下內容：

土地覆蓋或土地系統制圖可以基于“土地系統”的識別，因為它包含獨特的地形屬性。范圍從10到100 km2的任何單一陸地系統通常具有與地質、地貌和氣候相關的一系列重復出現的地形、土壤和植被類型，因此地表形態和相關土壤和植被的可預測組合出現。土地系統制圖在20世紀中后期成為一種首選方法，可有效調查澳大利亞、非洲和中東等相對未知的領土并提供區域框架。然而，這種方法確實有局限性，特別是它的更多定性和主觀標準。此外，地表土地覆蓋信息通常是通過遙感生成的，盡管遙感中的標準分類方法并不總是能夠表征復雜的三維地形特征。

4 地理信息系統在土地測繪中的應用

4.1 城市土地測繪

在數據處理中應用專業的計算機軟件可以有效地處理相關的數據信息。在地理信息系統中，計算機軟件的主要作用是對收集到的數據進行分析和建模。它不是對單個數據的一般性分析，而是對使用數據的綜合分析，對整體數據的詳細分析，以及對空的數字數據的分析。另外，測繪的目的不同，測量的數據也不同。通過對不同數據的比較和分析，可以解決數據之間的關系，這是計算機軟件處理數據的核心內容。在實際的數據處理中，涉及到更具體的層次，而不是包括所有的數據。因此，使用計算機軟件進行數據處理可以提高數據處理的效果。在城市建設過程中，一些估算和預測無法在實體中進行，因此地理信息系統中的虛擬環境功能非常重要。利用虛擬環境功能可以有效提高工作效率，并進一步進行數據的多維度分析。此外，在城市建設中，虛擬環境可以在實際測繪中實現。利用地理信息系統中的虛擬技術，可以同時模擬和評價城市的多個空間，包括環境影響、軍事模擬、文明重建和區域建設。除了在城市測繪中使用虛擬技術外，模擬與評價的作用在山崗等特殊環境中仍然有效，通過使用虛擬環境，完全模擬了山港的自然現象，包括地震、火災、干旱等自然災害，從而評估自然災害給地理環境造成的損失。

4.2 復雜土地場景的測繪

復雜的地勢，由于可達性問題，傳統的基于實地的地質測繪是一項艱巨的任務。通常，只能在少數幾個地方研究巖石暴露和地質結構，然后在觀測之間進行插值以獲得地質構造和結構的連續性。隨著具有天氣視圖、更高空間和更好光譜分辨率的衛星圖像的出現，以更加可靠的方式識別具有構造意義的變形構造已成為可能。迄今為止，在覆蓋范圍有限的地面測繪上無法實現微小的結構變化的探究。這種限制阻礙了認識地質結構特征的構造意義。地理信息系統技術提供了更好的機會以更高精度和具有成本效益的方式進行地質規劃測繪和制作地質圖。使用相對高分辨率的多光譜數字數據，可以非常有效地完成現場觀測的解釋，而不會在觀測之間進行任何模糊的插值。此外，采用遙感與地理信息系統的綜合方法來改進現有的地質圖。這種綜合方法成為傳統的基于現場的地質填圖技術的補充。例如在像喜馬拉雅山這樣的丘陵地帶，不可能從任何結構特征的現場繪制或收集數據。這些數據是從可達到的地方收集的，然后地質學家對這些數據進行插值以獲得連續性。在這種情況下，結構特征的圖像解釋比從現場數據中插值更可靠。與斷層有關的植被和地表紋理變化很難近距離觀察。圖像的概要視圖使分離的證據片段能夠被鏈接為清晰的和半連續的線性特征或線條。

4.3 水文信息測繪

水是地貌開發中最重要的因素之一，大多數繪圖系統都包含水文信息。許多表示系統已被用于描繪任何給定區域的水文。繪圖可以描繪永久性的、短暫的或斷斷續續的地下溪流，以及廢棄的渠道、瀑布、急流和水壩、泉水和落水洞、周期性和永久性的淹水區，以及湖泊和海洋，以及各種類型的海灘和沙漠。源頭河流區域在大多數陸地景觀中占主導地位，但眾所周知，低階河道的地圖不完整且不準確。在美國，正在開發實地繪圖方法，并且正在實施通過繪圖程序以提供改進的上游河流地圖。大多數河流景觀中的侵蝕、沉積和地貌過程的速率受排水網絡的密度和縱向連通性的影響。排水密度是水文或景觀演變建模的關鍵參數，因為渠道中的集中流量提高了輸送效率。為了響應可以穿透植物冠層的高分辨率地形數據（激光測繪），該研究領域正在迅速發展。

地理信息系統技術以及地表過程數值建模方面的最新進展已經徹底改變了地貌學領域。新的時空數據和工程測繪算法和方法現在使研究學者們能夠遠遠超越傳統的制圖。現在可以量化景觀形態，評估地表生物物理條件，將過程與模式聯系起來，將過程與形式聯系起來，提高工作人員對尺度依賴性和景觀演化多基因性質的理解。

5 總結

隨著科技的不斷進步，新的時空數據和工程計算方法層出不窮，目前，這些方法使得科學家能夠遠遠超越傳統的制圖。同時，不斷增加的數據量和復雜分析的需求共同要求信息提取方面的計算效率和形式化。在許多方面，用于測繪的地理空間技術的不斷發展代表了一種自動化和模擬人類解釋能力的嘗試。鑒于此，地理空間技術取得了許多進步。文章對土地的測繪工作進行了相關研究，并結合了地理信息系統進行現代化測繪研究，以期為推動地質測繪的發展做出一定的貢獻。