基于RS和GIS的農村人居環境信息系統構建

摘 要：面對日益嚴峻的農村人居環境問題，如何快速、準確地獲取和處理影響農村居住環境的質量數據成為一項緊迫任務。本文提出了一種基于遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS）的農村人居環境信息系統構建方法，實現了對農村環境的高效監測和深入分析。系統采用模塊化設計思路，涵蓋從數據收集與預處理到評價模型建立、空間分析以及農村人居環境數據庫構建等多個環節，形成了一套完整的農村人居環境管理解決方案。試驗結果表明，該系統能夠提供精確的環境質量評估結果，可為相關環境政策的制定和實施提供有力的科學支撐。

關鍵詞：遙感；地理信息系統；農村人居環境；信息系統

中圖分類號：TP 312 文獻標志碼：A

隨著農村地區經濟快速發展和城鄉結構深刻變化，農村人居環境問題逐漸顯現，環境退化、生態破壞及基礎設施建設滯后等問題直接影響農村居民的生活質量和健康水平。傳統的人工調查和數據收集方法不僅耗時耗力，而且難以實現大范圍、動態的環境監控[1]。在這種背景下，RS和GIS的優勢凸顯。RS可以提供覆蓋廣泛、更新周期短的地表數據，而GIS則在空間數據分析和決策支持方面具有獨特優勢。整合RS和GIS技術，不僅可以提高數據收集的自動化程度和效率，而且還能實現對農村人居環境的動態監測和深入分析[2]。因此，本文整合了RS和GIS的前沿技術，并基于這些技術構建一種農村人居環境信息系統，研究表明該系統對精確評估農村環境質量、指導環境治理和規劃，乃至推動農村地區的可持續發展具有十分重要的實踐意義。

1 農村人居環境信息系統框架設計

為實現對農村人居環境的全面監測與評估，本系統采用了以用戶需求為核心的多層次、開放式框架設計。如圖1所示，該框架結構綜合了RS和GIS技術的優勢，形成了一個從數據獲取到最終信息服務的完整流程。

系統利用多源遙感數據，例如衛星影像和無人機航拍資料，輔以地面實測數據和社會經濟統計數據，全方位收集影響農村人居環境質量的相關數據。這一層強調數據的多樣性和實時性，確保所獲取的信息能夠全面反映農村環境的真實狀況。系統對收集的原始數據進行預處理，包括對圖像進行校正、裁剪和分類，對統計類數據進行清洗和規范化。經過預處理的數據隨后輸入評價模型建立階段，其中結合農村人居環境的具體特點，構建涵蓋自然條件、社會經濟因素和生活質量等多維度的評價體系，并以此來構建評價模型。空間分析則依托GIS的強大功能，進行緩沖區分析、疊加分析和網絡分析等操作，揭示不同環境要素之間的相互作用和潛在聯系。這一層是信息系統集成與分析的關鍵，也是將數據轉化為可用信息的必經之路。最后經過處理與分析的數據被導入數據庫管理系統中，建立統一的農村人居環境專題數據庫。該數據庫不僅便于數據的查詢、更新和管理，而且為應用服務層提供數據支持，使用戶能夠通過友好的用戶界面訪問所需的信息。

2 農村人居環境信息系統功能設計

2.1 數據收集與預處理

數據收集與預處理是構建農村人居環境信息系統的基礎環節，其目的是獲取高質量的原始數據，并對其進行加工處理，以便用于后續的評價模型建立和空間分析[3]。在系統數據收集與預處理的設計中，采用Landsat-8衛星遙感影像作為主要的數據源，利用其多光譜掃描儀（Multispectral Scanner，MSS）獲取具有不同波段的圖像數據。此外，輔以大疆Mavic Pro無人機對重點區域進行航拍，以獲取更高分辨率的影像。數據收集完成后，先對衛星影像進行大氣校正，以消除大氣對光信號的影響，此過程使用基于MODTRAN輻射傳輸模型的6S大氣校正算法，該算法如公式（1）所示。

（1）

式中：Lλ為地表實際反射率；Aλ為大氣頂層的觀測值；Sλ為大氣散射函數值；θz為太陽天頂角。

通過公式（1）可以得到較為準確的地表反射率數據。大氣校正完成后，對收集的數據進行數據裁剪，根據研究區域的范圍，此過程使用GIS軟件中的“裁剪”工具（Clip）對經過大氣校正的影像進行裁剪，提取感興趣的區域（Region of Interest，ROI）。裁剪完成后，采用監督分類中的最大化似然法對影像進行分類，該方法根據每個地物類別的光譜特征符合正態分布的假設，計算像素屬于各地物類的概率，并將像素劃分到概率最大的類別中。針對一個特定的像素，其特征向量為X，屬于第i類的條件概率P（i|X）如公式（2）所示。

（2）

式中：P（i）為先驗概率，即在不考慮X的情況下，任意像素屬于第i類的概率；P（X|i）為給定類別i的條件下像素值出現的概率密度函數，通常假定服從多維正態分布；P（X）為歸一化常數，代表所有類別的概率密度函數的總和，確保概率之和為1。

運用監督分類中的最大化似然法對裁剪后的影像進行分類處理，輸出分類結果圖，實現數據預處理的全過程。這一過程不僅提高了數據的質量，而且也為系統后續的評價模型構建和空間分析提供了可靠的底層數據支持。

2.2 建立評價模型

預處理后的數據可用于建立評價模型，該模型旨在量化農村人居環境的質量，并為決策提供科學依據。根據農村人居環境特點，一個多層次評價指標體系是建立評價模型的基礎，指標體系需要考慮農村人居環境的多個維度，包括自然條件（例如植被覆蓋度、土地退化情況）、社會經濟（例如人口密度、人均收入）以及生活質量（例如教育醫療可達性、住房條件）[4]。這些指標不僅反映環境狀態，而且還涉及社會經濟發展水平，從而提供一個全面的評價視角。

評價指標體系構建完成后需要確定指標權重，系統中采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）通過專家打分和成對比較矩陣來確定各指標的相對重要性。AHP方法的核心在于構建判斷矩陣，然后計算其最大特征值對應的特征向量，并進行一致性檢驗。設計時邀請一組專家根據其經驗和知識，對評價體系中的每一對指標進行比較，并給出其相對重要性的評分。這些評分構成了成對比較矩陣，記為A。矩陣A是一個方陣，以其計算矩陣A的最大特征值λmax以及對應的特征向量W。最大特征值及其特征向量可以通過MATLAB軟件中的eig函數計算得到。特征向量W一旦被確定，就需要進行一致性檢驗，以確認專家評分的一致性是否在可接受范圍內。一致性比率（Consistency Ratio，CR）是通過比較一致性指標（Consistency Index，CI）和隨機一致性指標（Random Index，RI）來計算的。一致性指標CI如公式（3）所示。

（3）

式中：n為成對比較矩陣的階數（即指標的數量）。

隨機一致性指標RI是根據隨機生成的成對比較矩陣經過多次計算得出的一個統計值。最后的一致性比率CR可以表達為CR=CI/RI，如果CRlt;0.1，就說明專家給出的成對比較矩陣具有滿意的一致性；否則，需要重新調整判斷矩陣。之后對各指標數據進行標準化處理，將不同量綱的數據轉換到統一的尺度上。其中，正向指標（數值越大越好）和負向指標（數值越小越好）分別采用公式（4）和公式（5）進行標準化。

（4）

（5）

式中：X為原始數據；X'為標準化后的數據；Xmax和Xmin分別為該指標的最大值和最小值。

基于GIS平臺，利用空間分析和地圖代數功能將各指標圖層按權重疊加，生成農村人居環境質量評價圖，如圖2所示。通過色彩渲染，直觀展示不同區域的環境質量等級。此外，可以利用地理信息系統中的緩沖區分析、疊加分析和網絡分析等功能，進一步探究不同環境因素之間的相互作用和潛在聯系。

此模型緊密結合了遙感與地理信息系統技術，能夠有效評估并可視化農村人居環境狀況，為政策制定和環境改善提供了科學依據。

2.3 空間分析

建立評價模型后，系統采用矢量數據模型來表示農村環境中的各種地理要素，例如道路、居民點、河流等。通過使用拓撲分析技術，可以有效地識別這些要素之間的鄰接、連通和包含等空間關系[5]。例如，通過計算河流的緩沖區，可以確定河岸兩側潛在的洪水影響區域。系統采用的矢量數據模型將地理要素表示為點、線、面的形式，這些基本元素可以有效地構建農村環境中的道路、居民點、河流等要素。

在拓撲分析過程中，系統首先構建一個拓撲結構，該結構定義了點、線和多邊形之間如何相互連接和交互，使用ArcGIS的幾何網絡模型建立這種結構。之后通過疊加分析將生成的緩沖區與其他圖層進行比較，以識別哪些土地利用類型可能會受到洪水的影響。在這個過程中，系統采用了疊加求交、合并等GIS技術，這些技術能夠將多個圖層的信息整合在一起，從而提供更全面的風險評估。在整個矢量數據分析流程中，系統還融入了空間統計方法來量化和評價地理要素間的空間關系。通過計算空間自相關或者應用熱點分析等技術，系統可以揭示農村人居環境中特定變量（例如污染水平、人口密度）的空間分布模式。所有這些矢量數據分析技術都被集成到農村人居環境信息系統中，形成了一個高效、自動化且用戶友好的空間分析工具。該工具不僅提供了豐富的空間數據操作功能，而且還能夠根據用戶的需求提供定制化的分析結果，為農村環境的規劃、管理和決策提供科學依據和有效指導。通過這種高級的空間分析能力，系統顯著提升了農村人居環境的管理效率和決策質量。

2.4 建設農村人居環境信息數據庫

空間分析完成后，建設數據庫，以儲存農村人居環境信息，以便于數據的查詢、更新和管理。在數據庫的設計過程中，選擇PostgreSQL搭配PostGIS，這一選擇旨在利用其空間數據處理能力和開源生態系統。每個表格都經過精心設計，包括必要的字段和類型，例如用戶表包括用戶名、密碼、電子郵件地址、性別等字段。并為每個表定義了主鍵字段，以確保數據的唯一性和完整性。通過使用外鍵，系統實現了表之間的關聯關系，保證了數據的一致性和聯系。數據庫核心表格包括自然條件表（地形、土壤類型等）、社會經濟表（人口密度、人均收入等）、生活質量表（住房條件、衛生設施等）以及評價結果表，其中自然條件表見表1。

通過GIS軟件直接導出數據為數據庫兼容的格式，為實現空間數據的查詢功能，在PostgreSQL中安裝并配置PostGIS擴展。一旦配置完成，使用SQL和PostGIS提供的空間查詢函數來執行空間查詢，例如查找特定區域內的所有村莊。同時，建立定期備份與維護計劃，保證數據的安全性和最新性，并根據實際需求開發用戶友好的前端應用程序或網頁界面，以便用戶能夠方便地訪問和使用數據庫中的信息。

3 測試試驗

3.1 試驗準備

本文選擇某一農村區域作為試驗場，該區域涵蓋不同的地形、土壤類型及土地利用模式，并收集了該區域的高分辨率遙感影像和相關的輔助數據，包括人口統計數據、土地利用記錄等，同時準備了必要的軟硬件環境，包括高性能GIS工作站、數據庫服務器以及專業的遙感圖像處理和GIS分析軟件。

3.2 試驗結果

試驗項包括環境質量指數（EQI）、土地利用類型、土壤侵蝕率、植被覆蓋率等關鍵指標，以及這些指標的原始數據和通過系統處理后的數據，試驗結果見表2。

在準確度方面，比較系統處理后的數據與現場采樣及第三方驗證數據，結果顯示EQI的偏差不超過1%，土地利用類型分類的準確率達到了98%，顯示出系統的高度準確性。

4 結語

基于RS和GIS技術的農村人居環境信息系統能夠為農村環境監測和管理提供強有力的技術支持。經過測試試驗證明，該系統能夠有效評價農村人居環境質量，為農村環境保護和規劃提供了一種新思路和方法。未來系統將進一步優化升級，以滿足更廣泛的應用需求。

參考文獻

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[2]朱永志，程書昌.基于GIS的城市地質信息管理系統設計與應用[J].智能城市，2024，10（1）：42-44.

[3]張志軍，蘇小欽，王明，等.基于RS和GIS技術的淺層地下水富集性調查評估[J].測繪與空間地理信息，2023，46（12）：9-12，23.

[4]曹海晶，杜娟.農村人居環境治理數字化平臺建設的三個維度[J].理論探索，2022（2）：71-78.

[5]于晴，沈童，王淑，等.基于地理信息系統的黃山市鄉鎮人居環境自然適宜性評價[J].環境污染與防治，2021，43（7）：880-885.