张定祥 李宪文 刘顺喜
（中国土地勘测规划院，北京，100035）
摘要：在分析阐述国家尺度土地资源信息基本概念、作用、目前获取的方式和存在问题的基础上，提出了满足国家级土地资源宏观管理目标的国家尺度土地资源信息获取及更新的技术难点、技术体系以及工作基础条件。研究表明我国国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建立已经极为迫切，其目标在于建立国家尺度的土地资源调查监测本底库和动态数据库，形成基于多元信息支持下土地利用/覆盖信息获取和动态更新技术体系，为土地资源宏观管理提供更为有效的数据支持。国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系各项条件已经具备，该系统建设对国家可持续发展具有战略意义。
关键词：信息获取与更新；国家尺度；土地资源；本底数据库
1 前 言
土地资源信息反映了区域土地利用/覆盖状况，是地学空间信息的重要内容之一，它具有时间尺度和空间尺度特征。不同的管理目标和方式决定了管理所需要土地资源信息空间尺度不同。获取相应尺度的土地资源信息是各级国土资源管理机构进行土地资源管理的基础（见图1）。国家尺度土地资源信息可以理解为反映全国覆盖（或重点区域）、满足国家级决策的土地利用/土地覆盖数据信息，其精度要求1∶10 万～1∶400 万之间，其信息内容可以满足国家级层次土地资源宏观管理对主要土地资源类型，如耕地、建设用地和生态保护用地等重要用地类型的数量、空间分布、质量等级信息的需求。
图1 土地资源管理对数据空间尺度要求
国家尺度土地资源信息获取通常可采取的方法有抽样调查和全面调查方式，执行方式有自上而下调查模式和自下而上模式。中国科学院先后3 次采用TM/ETM＋影像进行了20世纪80年代、90年代中期和21世纪初三个时期的全国土地利用/土地覆盖遥感调查，基本构建了宏观的空间型国家资源环境遥感动态数据库［1～2］。1999年以来，国土资源部开展的50万人口以上城市土地利用动态遥感监测，为土地执法提供了有力保障［3］。以上基于遥感技术的国家级调查均属于自上而下抽样调查方式。目前在国土资源调查管理方面，我国国家级土地资源调查技术体系主体仍然采用自下而上的调查方式，即国家尺度数据由地方各级土地管理机构调查采集加工、然后按县—市—省—国家逐级汇总方式形成。主要代表性的调查有全国土地详查和土地年度变更调查［4－5］。比较而言，自上而下的方式具有调查速度快、成本低的优势，可避免人为造成的数据偏差，但获取数据详细程度有限；自下而上的调查方式可以获得比较全面的数据、但是调查周期长、成本高、调查成果质量受人为影响较大。近年来，随着信息技术的飞速发展，我国在利用“3S”技术获取土地资源信息能力不断增强［6～7］。以土地利用变更调查、县级土地利用建库和城市土地利用动态遥感监测为一体的土地资源信息获取技术体系不断完善，在一定程度上满足了当前国家土地资源宏观管理需求。但是由于我国地域广阔，受经济和技术各方面条件的限制，特别是对土地资源管理国家目标认识不够深入，我国国家尺度土地资源信息获取方面还存在着诸多问题。如权威性的国家尺度土地资源空间信息本底数据库还没有建立，适用于遥感技术信息快速获取的国家尺度土地资源分类标准、信息采集方法研究不够深入，实现耕地监管必须的有效数据全面更新机制更没有提上议事日程，国家土地资源宏观管理所急需的现势性国家尺度土地资源有效信息严重匮乏。
本研究拟在充分利用第一次全国土地资源调查、全国50万人口以上城市土地利用动态遥感监测、土地年度变更调查、县级1∶1万土地利用建库和基础数据更新调查技术方法及数据成果基础上，采用自上而下与自下而上相结合的方式，以中高分辨率遥感影像为基础数据，采取多尺度数据综合、多元数据融合、数据抽样等技术为核心，构建国家尺度土地资源信息获取与快速更新技术体系，实现为土地资源宏观管理提供持续信息和技术支撑的目标。
2 目标与技术难点
2.1 目标
国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建设目标包括建立国家尺度土地资源信息库、形成国家尺度土地资源信息本底数据库构建技术体系和多种技术融合下的国家尺度土地资源数据更新技术体系三个方面。具体内容为：
（1）建立国家尺度土地资源信息库，并实现每5年更新。以多元历史数据为基础，建立以中、高分辨率遥感影像（TM/ETM＋、SPOT、中巴资源卫星等）为主要信息源的国家尺度土地资源信息本底库，并实现2～3年重点区域更新一次，每5年全国范围更新一次。国家尺度土地资源信息本底库内容包括：遥感正射影像数据、土地利用/覆盖矢量数据、行政区划矢量数据、土地利用分区等基础的背景数据，可以满足国家尺度耕地保护、基本农田保护、建设用地监控和生态环境保护需要。
（2）形成国家尺度土地资源信息本底数据库构建技术体系。以1996年结束的全国土地详查资料为基础资料，以该时期的TM、ETM＋、中巴资源卫星和SPOT影像数据为背景，充分利用土地详查资料、“数字国土”工程1∶1万土地利用矢量数据等历史数据和资料。通过数据抽取、数据制图综合、基于知识的信息提取、数据挖掘技术，建立以新的土地利用/覆盖分类为主要内容的矢量数据库和多源遥感正射影像库，形成国家尺度土地资源信息本底数据库构建技术体系。
（3）多种技术融合下的国家尺度土地资源数据更新技术体系。深入研究并运用多时相遥感影像对比分类解译方法［8］、土地利用矢量地类图斑控制下的土地覆盖分类［9］、多时态数据表达、多元数据挖掘和知识发现等关键技术问题，形成基于多种技术融合下的国家尺度土地资源信息更新技术体系，为国家尺度土地资源数据更新提供技术保障。
2.2 技术难点
（1）国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建设目标确定。国家尺度土地资源信息获取的目的不同于各级土地资源管理机构为日常的土地资源管理所开展全面的土地利用调查建库，也不同于以土地执法为目的开展的高分辨率影像城市土地利用动态遥感监测。本研究目的在于构建国家级土地资源信息获取和更新的技术体系，建设国家尺度土地资源信息本底库和动态库，为国土资源部及时掌握耕地、建设用地、生态用地等重要土地资源数量、质量及其分布的状况，为制定土地资源参与国民经济宏观调控政策服务，为中央进行社会经济可持续发展决策服务，为科学研究提供国家尺度土地资源信息。
（2）国家尺度土地资源调查采取的信息分类、精度要求以及成果与相关调查协调。国家尺度土地资源调查信息获取以现代遥感技术为核心，其信息分类原则上尽量满足国家尺度土地资源监管需要，同时充分考虑利用遥感数据源进行土地利用/土地覆盖类型识别能力，扬长避短，减少大量的野外调查核实工作。本研究重点掌握耕地、建设用地、生态用地等重要土地资源的状况，国家尺度土地信息分类原则上侧重于以反映地面覆盖为主要特点的土地利用/地覆盖分类，而不宜采用传统土地利用分类标准。国家尺度土地资源信息精度采用10～30米之间遥感影像为数据源，调查精度1∶10万，全国数据精度1∶50万。国家尺度土地资源调查分类数据与其他土地资源调查保持在耕地、建设用地等重要类型一致性，其他类型仅为参考数据。
（3）本底信息来源与综合信息快速抽取。鉴于本底数据的重要意义，国家尺度土地资源调查信息本底数据可以选择1996年结束的全国土地详查资料为基础资料，充分利用土地详查积累的县级1∶5 万土地利用栅格图、“数字国土”工程1∶1 万土地利用数据建库、已有的TM、ETM＋、SPOT、中巴资源卫星影像数据。通过数据抽取、数据制图综合、基于知识的信息提取、数据挖掘技术，建立以新的土地覆盖分类为主要内容的矢量数据库和多源遥感正射影像库。
（4）利用高分辨率遥感影像进行数据的抽样统计与核查技术。为了提高土地资源信息获取精度，并尽量减少外业调查工作量，国家尺度土地资源信息获取在利用中高分辨率遥感影像解译获取全面的土地利用/覆盖信息后，需要选取一定面积区域作为样带，充分利用城市土地利用动态监测成果—高精度遥感正射影像作为检验标准和数据判读核查纠错的依据，并建立中、高分辨率影像土地利用/覆盖分类数据换算系数。
（5）利用多元信息挖掘技术实现信息的快速更新。利用先期土地利用数据、地形数据、土壤和植被数据，可有效提高土地利用动态遥感监测变化发现和类型识别精度，在实际应用中具有极大的价值。综合应用地学相关的多元背景信息进行数据挖掘，可以实现国家尺度土地资源信息的快速更新。
3 技术路线
本研究技术特点表现在技术综合性和客观有效性两个方面。技术综合性表现为：将综合应用多种遥感数据、县级土地利用数据、全国1∶50万土地利用数据、中科院系统的土地利用数据、全国土地利用变更数据，以遥感技术、多元数据融合、数据抽样统计验证、数据挖掘等为核心技术，形成多学科的土地利用/覆盖信息获取与更新技术体系。客观有效性表现为：以土地利用/覆盖分类为出发点，主要依赖已有知识和信息建立解译标识，分类结果核查主要依靠典型样区高分辨率影像，充分利用动态遥感监测多年积累的大量数据成果，不以野外核查为重点以减少工作量。主要技术路线主要包括五个方面：①国家尺度土地资源信息分类、数据源、调查精度研究；②多元信息支持下的全覆盖土地资源本底信息获得；③利用高分辨力遥感影像对典型样带解译数据进行校验和精度分析；④利用多元信息挖掘技术实现信息的快速更新；⑤综合信息应用与服务。（总体技术路线图见图2）。
图2 多媒体空间数据库系统的结构
4 工作基础和支撑条件
4.1 开展了大规模的土地利用动态遥感监测
我国国土资源系统已经开展了大规模的土地利用动态遥感监测，调查监测的组织方法和工作流程已经日趋成熟和完善。如1996～1997年原国家土地管理局利用TM和SPOT数据，对119个城市的扩展进行了调查监测。从1999年开始，国土资源大调查项目开始利用TM、ETM＋和SPOT数据，每年对全国50万以上人口城市的土地利用变化情况进行了监测。2002年以后，遥感监测项目开始采用高精度的2.5米SPOT影像作为主要遥感数据源，大大提高了遥感监测精度。此外，新一轮国土资源大调查启动了利用SPOT、IKNOS、IRS、Quick-Bird和航空遥感数据，对全国县级土地利用基础图件和数据进行更新工作。2002年国土资源部首先启动了环北京地区资源与生态环境遥感监测工程。该项目采用TM或ETM＋以及SPOT遥感数据，对环北京地区52个县进行了土地利用状况、土地退化状况和生态环境建设状况的监测［10］。以上基于遥感方法的土地利用调查监测实践，为国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建设提供了宝贵经验。
4.2 深入开展了土地资源遥感监测技术研究
我国在土地资源遥感技术研究方面开展了多方面的深入研究。在遥感监测技术研究方面，“土地利用动态监测技术与方法示范研究”创建了利用SPOT与TM遥感数据进行土地利用变化快速监测的产业化技术工艺流程，实现了对具体地块的遥感监测，快速发现土地覆盖/利用变化，发展了用图像图形阵列替代单个控制点的影像纠正和无DEM支持的卫星影像纠正技术，完善了自动化手段与人工目视解译相结合的土地利用变化信息提取方法。在成像光谱技术研究方面，国家863 项目“成像光谱技术在土地动态监测中的应用”，利用成像光谱技术高光谱分辨力的特点可增加土地利用类型识别的程度和精度，研究成像光谱技术对土地类型的识别和土地质量的监测，对土地动态监测的方法有所创新，具有重要理论价值［11］。在县级土地利用/土地覆盖快速建库研究方面，我院技术人员多次参加中国科学院组织的土地利用遥感监测项目，并在典型地区进行了多源遥感数据支持下的县级土地利用/土地覆盖动态建库深入研究［8］，积累了丰富的经验，本项目所需要的技术基本具备，只需进行进一步技术集成。
4.3 为系统建设准备了坚实的数据基础
国土资源大调查项目取得了丰富的数据成果，为国家尺度土地资源信息获取与更新技术系统建设提供了坚实的数据基础。目前，国家级已经完成对2000 多个县的土地详查1∶5 万县级土地利用栅格图库建设，积累大量的原始数据，为国家尺度本底遥感解译提供了翔实的资料。土地利用动态遥感监测项目完成了1999～2004年度土地利用动态遥感监测数据集，取得卫星TM数据700 余景、SPOT1/2/4 卫星数据2300 多景、SPOT5 卫星数据513景、资源2号数据5景、SAR数据6景、航空相片630张；耕地后备资源调查评价项目完成了西部大开发土地资源调查评价数据库和全国耕地后备资源调查评价数据库两个数据库建设任务。土地资源基础图件与数据更新项目完成了广东省佛山市南海区、广州市十区等试点城市的更新数据成果。全国土地利用数据库建设项目取得了1000余县的土地利用数据库成果等。这些数据成果为国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建设奠定了坚实的数据基础。
4.4 基础软硬件系统建设
通过多年努力，国家级土地数据中心的土地数据存储硬件、基础软件（Oracle10 g、Unix）、数据整理整合的GIS软件条件业已基本具备，土地数据存储网络系统已经初步建立，土地数据存储应用管理系统开发即将完成。国家级土地数据中心还积极参与科技部科技技术共享建设，土地数据分中心建设正在进行中，并将成为国土资源科学数据中心的三大分中心之一。近年来，中国土地勘测规划院先后启动了《土地遥感监测数据集成应用》、《土地利用数据质量检查软件》和《土地数据存储管理系统》开发项目，这些软件系统具有数据质量检查、数据整合、集成管理功能模块，可批量地进行数据资源的整合，将为国家尺度土地资源信息获取与信息更新的数据整合集成和信息挖掘提供便利，可大大提高工作效率。
5 应用前景与展望
我国是一个发展中的人口大国，耕地资源减少过快、矿产资源耗竭、能源短缺、生态环境恶化等已经成为影响国家可持续发展的核心问题。为了落实最严格的耕地保护政策，贯彻党中央利用土地资源有效参与国民经济宏观调控的决策，进行国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系研究和建设具有很强的现实和长远意义。通过国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建设将改变国家层面对土地资源宏观管理的模式，可为国家利用土地资源进行国民经济宏观调控提供较为准确的客观数据，改变当前国家尺度土地资源空间数据缺乏，耕地监管过度依赖逐级上报的统计数据的被动局面，还可对地方上报数据真实性进行有效评估。在国家有限的持续性资金投入下，将可持续地提供国家宏观决策所需的土地资源信息。国家尺度土地资源信息获取与动态更新技术系统还可提供生态环境保护必须的土地资源生态本底背景条件和动态变化等重要信息，有利于建立人与自然协调发展的经济和社会和谐发展模式。国家尺度土地资源信息还可提供农业、林业、环保、规划等其他部门使用。此外，国家尺度土地资源本底数据和动态数据还是地学、环境、人文等相关领域研究的重要基础数据，可直接参加科学数据共享，为相关科学研究服务。
参考文献
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