面向土地利用制圖的GIS野外綜合實習設計

肖裕淼 李泓軒 李浩 劉素紅 胡萬清 肖忱楓 謝云

摘 要：GIS野外實習是地理專業的重要教學環節。目前，大多數高校的GIS實習主要依賴于室內數據分析和模擬實驗，缺乏針對具體問題的包括數據獲取、數據處理、結果分析等完整步驟的野外實踐教學體系。本文以廣東省韶關市仁化縣夏富村為例，面向土地利用制圖這一主題，介紹一套基于無人機的GIS野外綜合實習的完整方案，旨在幫助學生接受全過程的野外研究訓練，以更好地理解和應用GIS技術，同時也為高校開展GIS野外實習提供有益參考。

關鍵詞：GIS實踐教學；野外實習；無人機；土地利用

中圖分類號：G642.44? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2024）08-0070-04

一、引言

隨著計算機技術的快速發展，地理信息科學（GIS）已成為一個多學科交叉的前沿領域，在國土管理、環境保護、交通運輸、農業生產、地質勘探和海洋開發等諸多領域發揮著越來越重要的作用［1］。GIS技術的發展及其廣泛應用引發了對GIS專業人才需求的急劇增長。GIS專業人才不僅需具備扎實的理論基礎，更要掌握出色的實踐操作能力。因此，實踐教學在GIS教育中占據舉足輕重的地位，它不僅是地理教學的核心環節，更是培養學生綜合思維與區域認知能力的關鍵途徑。

野外實習作為地理教學的重要組成部分，能夠有效地培養學生的綜合思維與區域認知能力，同時激發他們的學習積極性，提升其實踐能力［2］。隨著地理學研究的深入，人們越來越重視對人地關系地域系統的綜合分析研究，于是也越來越強調耦合自然地理、人文地理與地理信息科學等多領域的區域地理綜合實習［3］。GIS實習提供了這一平臺，通過地理空間技術的應用，將野外自然地理要素與人文現象有機結合，從而促進區域地理的綜合研究［4］。然而，當前在高校GIS課程的實習訓練，大多數仍停留于使用GIS軟件處理現有數據的上機實驗，缺少一個針對具體問題的包括數據獲取、數據處理、結果分析等完整步驟的野外實踐教學體系［5］。在GIS實習過程中，數據獲取是極其重要的先導環節，數據質量直接影響分析結果的準確性，決定了最終成果的質量上限。因此，教授學生如何自主采集高質量的原始數據是GIS實習教學的關鍵，有利于充分鍛煉學生的實踐技能與自主學習能力。

無人機技術作為一種新興的對地觀測平臺，以其操作簡便、體積小巧、數據分辨率可控等優點，已成為生產高精度、高分辨率數據的重要工具，這為GIS野外實習數據獲取提供了新的思路［6］。本文以廣東省韶關市仁化縣夏富村為例，面向土地利用制圖這一具體問題，介紹并實施了一套基于無人機的GIS野外綜合實習的完整方案，旨在幫助學生接受全面、全過程的野外研究訓練，以更好地深入理解和應用GIS技術，提升地理實踐能力與鍛煉綜合分析思維。

二、野外實習區概況

廣東省韶關市仁化縣丹霞山，坐落于南嶺南麓的秀麗山間盆地之中，其總面積達到292 km2，是全球發育最典型、類型最齊全、造型最豐富、景觀最優美的丹霞地貌集中分布區［7］。丹霞山位于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為19.6 ℃，1月平均氣溫為9.3 ℃，7 月平均氣溫為28.4 ℃，年降雨量為1 660.5 mm。流經該地的錦江是珠江水系干流之一的北江水系上游段的主要支流之一。該地自然資源豐富，地理景觀獨特，是諸多高校開展野外實習的選擇。夏富村位于丹霞山河谷中、錦江河流階地上，地理坐標為113°36'25″E，25°04'12″N，常住人口為6 000多人、耕地面積達到2.588 km2。夏富村早期以發展種植業為主，近年來隨著旅游業興起，逐漸形成了旅游業與種植業并重的經濟發展格局。村內建筑獨特，融合了徽派、嶺南派、西洋等風格，古牌坊、古祠堂等歷史遺跡保存完好，為這片土地增添了濃厚的人文氣息。2013年，夏富村被評為廣東省十大最美古村落之一。因此，位于丹霞山景區的夏富村，既保留了較多獨特的自然地理景觀，又在一定程度上進行了人文開發，為面向土地利用制圖的GIS野外實習提供了良好的研究對象與實踐機會。

三、實習方案設計

1.實習目標

本實習方案的核心目標在于幫助學生深入理解和掌握無人機在GIS數據獲取中的應用。通過實際操作無人機獲取高質量的原始數據，并運用GIS軟件進行后續的數據處理和分析，結合實地調研，最終完成高精度土地利用制圖。實習致力于培養學生的實際問題解決能力和創新思維，通過將理論知識與實踐操作緊密融合，以期提升學生在實際學習與工作中對無人機與GIS應用的操控能力。

2.實習任務

利用無人機的高分辨率與高精度定位系統，對夏富村及其毗鄰區域進行航空拍攝，采集具備坐標信息的高清影像數據；運用“大疆智圖”等專業軟件，對拍攝圖像進行精細拼接，生成研究區域的高精度正射影像和數字表面模型（DSM）數據；結合正射影像、DSM數據與實地調查資料，制作夏富村及其周邊地區的土地利用圖，以深化對當地土地資源分布與利用狀況的認知。

3.實習難點與重點

（1）難點

無人機操作需要精確的技巧和判斷力，對于初學者構成一定的挑戰；數據處理過程相對復雜，需熟練掌握GIS軟件的基本操作和數據處理技能；土地利用分類和制圖需要對實習區域的地貌、植被、水文與土地資源利用狀況等有深入了解。

（2）重點

無人機操作的基本原理和注意事項是確保數據采集質量的基礎；GIS軟件在數據處理和土地利用制圖中的應用流程和方法是實習的核心技能要求；實地調查和遙感影像等資料的收集和分析是確保研究成果準確性的關鍵。

4.實習步驟

（1）儀器準備

室外儀器包括2臺大疆精靈（DJI PHANTOM）4RTK型號無人機（每臺無人機配有遙控手柄1個、遙控手柄電池1個、64G遙控手柄SD卡1張、128G無人機SD卡1張、充電器2個）、14塊無人機電池、2個讀卡器以及3臺帶有定位功能的手機。大疆精靈4RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，便攜易用，全面提升航測效率，十分適用于高校教學與研究。室內設備為配有大疆智圖、ArcGIS等軟件的計算機。其中，大疆智圖是一款提供自主航線規劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應用軟件，是轉化野外真實情景為精準數字資料的有效工具。本方案將使用大疆智圖拼接航拍影像為高質量的正射影像與DSM數據。

（2）無人機操作培訓

正式作業之前，學生需提前完成室內操控無人機的模擬訓練。此外，鑒于實習區位于地形較復雜的山區，對無人機操作技巧要求較高，因此，本方案實習人員還在較為平坦的珠海市淇澳島進行了多次數據采集訓練，以確保在正式操作時的熟練程度。

（3）航線規劃

根據實習區域范圍與坐標，制定飛行計劃與航線。設計原則：確保無人機飛行安全、達到實習目的、盡可能得到高分辨率影像。由于研究區域范圍較大，無人機單次作業航程有限，本方案采用分區多次飛行的方式采集數據。在準備階段，基于ArcGIS軟件，疊加在線遙感影像，結合實地調查，勾畫地塊以完整覆蓋研究區域，并將各樣區導出為KML文件。本方案設計地塊大小均為490 m * 440 m，共制定task01～task10十項任務（圖1）。飛行的起飛點共設置3個（P1、P2、P3）：P1完成task01的飛行，飛行高度350 m；P2完成task02、task03、task04、task05、task08、task09，飛行高度200 m；P3完成task06、task07、task10，飛行高度200 m。三次飛行速度均為7.9 m/s，地塊平均飛行時間20 min，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，以確保有充足同名點用于構建正射影像。

（4）航線導入與野外飛行

將地塊KML數據導入無人機，在保證安全的同時完成飛行作業。注意飛行前要完成指南針校準，每次地塊飛行完畢之后立即查看數據檢查是否滿足需求，必要時及時補飛，并且導出數據備份，防止數據意外丟失。同時，本方案提前設置了無人機最大飛行高度為500 m，最遠飛行距離為2 km，以防止無人機失聯。飛行作業時需要注意起降點周圍的山體、植物與建筑物等，根據實際情況靈活調整起降場地、飛行高度與速度等，實時觀察無人機飛行狀態，以免無人機信號丟失。此外，需保持航線方向盡量與盛行風向相反，以防止因順風或側風而發生事故。在飛行過程中，如果回傳畫面亮度過亮或過暗，則需調整無人機鏡頭焦點。

5.數據處理

數據處理關系到最終土地利用制圖的精度與準確性。本方案采用大疆智圖軟件對無人機拍攝的影像進行處理，包括影像拼接、正射影像和DSM數據輸出。結合實地調查、正射影像和DSM數據以及《土地利用現狀分類》標準（GB/T 21010-2017），確定土地利用的分類體系，并建立對不同地物影像的感知和辨別能力。本方案劃定了農田、果園、林地、建筑、水域、道路、草地共7種土地利用類型，每一種類型都對應著特定的影像特征和實地景觀。

（1）目視解譯

目視解譯是GIS數據處理的一項基礎工作，它通過對遙感影像的直觀分析來識別和分類不同的地物。本方案使用ArcMap10.8軟件進行影像處理。首先，通過對輸入的正射影像的觀察與分析，先勾畫出地物的邊界（勾畫線矢量），將影像的線矢量轉換為面矢量（線矢量轉面），并為不同的面矢量賦予相應的土地利用類型（面矢量賦類型），以此完成對遙感影像的目視解譯工作（圖2）。這一過程不僅需要學生對地物特征有深刻理解，還需要有對GIS軟件的熟練操作技巧。同時，在目視解譯的過程中，需要參考《土地利用現狀分類》標準，以確保土地利用類型的準確性與一致性。例如，通過對影像中田塊的形狀、紋理、顏色和陰影等特征的分析，可將其準確分類為農田。同樣，通過對建筑物的輪廓、密度和排列方式的觀察，可將其識別為建筑用地。

（2）拓撲檢查

完成目視解譯后，需要對解譯結果進行拓撲檢查，以確保數據的拓撲關系正確且完整。拓撲檢查是GIS數據處理中至關重要的一步，用于發現和修正數據空間關系的錯誤與不一致性，是提高土地利用制圖質量的重要手段。本方案采用了“同一圖層中的區域之間不能存在空隙”的拓撲規則進行檢查修正。通過拓撲檢查，學生可發現和修正解譯結果中的遺漏或錯誤，如相鄰地塊的邊界不連續或重疊等。這些錯誤可能會導致土地利用圖的不準確與不一致，從而影響后續分析與應用。

（3）結果驗證與優化

在完成拓撲檢查后，需要對解譯結果進行驗證和優化。這一步驟通過與實地調查結果進行對比來完成。通過參考實地數據與標準，對存在疑問和偏差的地塊進行調整，以提高結果的準確性與可靠性，最終完成高精度的土地利用制圖。這一過程不僅有助于提高制圖結果的質量，也有利于學生加深對土地利用變化的理解和認識。

6.實習結果

（1）正射影像

夏富村及其周邊地區的正射影像與DSM數據分別如圖3、圖4所示。正射影像顯示詳細的地理信息和地物特征，DSM數據提供輔助的高程信息，為進行土地利用現狀分類提供了堅實的數據基礎與判斷依據。

（2）土地利用制圖

夏富村及其周邊地區的土地利用圖如圖5所示，該區域各土地利用類型大致呈現出條帶狀的分布特征。建筑區主要位于盆地中部，東臨錦江；盆地內有大面積的農田、果園分布；草地面積較小；林地主要分布在錦江兩岸以及山體附近。從占比來看，該地區農田、果園占據了重要地位，是當地重要的經濟來源。在進行旅游開發的同時，需關注對林果業與農業的保護工作，以實現可持續發展；同時，為進一步吸引游客，也可考慮通過發展特色農業，提供獨特的農產品體驗，以此增加旅游吸引力。此外，夏富村位于河谷階地，周邊地勢較高，因此，在開發過程中需特別注意對山區與林地資源的保護。合理的土地資源管理對于維護生態平衡、保障可持續發展至關重要。該實習結果不僅反映了學生在本次野外綜合實習中的學習成果，而且為當地政府與企業提供了有關土地利用狀況的重要數據支持，為該地未來的區域發展和土地資源管理提供重要的科學參考與依據。

四、結語

當前，高校地理相關專業的GIS實踐教學大多缺失數據獲取環節，針對該問題，本文提出了一套基于無人機的GIS野外綜合實習方案。該方案以廣東省韶關市仁化縣夏富村為例，針對土地利用制圖這一主題，構建了涵蓋數據獲取、數據處理、結果分析等步驟的完整實踐教學體系。該方案以無人機的操作培訓為起點，通過實地操作無人機獲取高質量的原始數據，再利用GIS軟件進行數據處理和分析，最終完成高精度土地利用制圖的實習任務。在實習過程中，學生將充分體驗到理論與實踐相結合的學習樂趣，并能鍛煉獨立分析和解決問題的能力，為今后的學習和工作積累寶貴的經驗和技能。實踐證明，無人機技術的應用為GIS實習提供更加便捷、高效的數據獲取方式，推動了GIS實踐教學的進步與發展。同時，本文提出的實習方案也能為其他高校開展GIS野外實習提供有益參考和借鑒。

參考文獻：

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［3］ 胡凡根，車彥軍，黃偉.“金課”背景下地方院校地理科學專業野外實習教學探索［J］.地理教育，2022（1）：75-78.

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［7］ 彭華，潘志新，閆羅彬，等.國內外紅層與丹霞地貌研究述評［J］.地理學報，2013，68（9）：1170-1181.

通信作者：劉素紅