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遥感技术在土地工程中的应用浅析

2019-01-06党光普

中国科技纵横 2019年22期
关键词:工程应用遥感技术

党光普

摘 要:土地工程是为人类提供清洁土地的根本手段,土地工程的实施需要大量的土地信息数据,而遥感技术由于其大范围、全方位、获取信息全面的观测特性,能够快速、高效、准确地获取土地信息数据。本文从不同空间维度(地表覆盖、地形地貌、土壤)的角度出发,对遥感技术在在土地工程中的应用进行分析探讨,结果表明:遥感技术能够为土地工程的实施提供有力的技术支撑,其在土地工程中的具有非常广阔的应用前景。

关键词:遥感技术;土地工程;工程应用

中图分类号:P273 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)22-0127-02

0 引言

土地資源是人类赖以生存和发展的重要物质保障。随着现代社会不断发展,城市化进程加快和城市规模的持续扩张,高速发展的经济社会开始出现一系列土地资源的问题,如人地矛盾不断加剧,生态环境恶化,土地生态系统功能退化,生物多样性减少等,地球生命体的生存受到威胁,因此保护和建设健康、洁净的土地,已经成为建设生态文明和实现人类永续发展的重大课题,由此土地工程学科应运而生。土地工程即运用工程手段解决土地问题,把未利用土地变为可利用土地或把已利用土地进行高效利用,能动协调人地关系和谐发展的过程。土地工程的实施,能够为人类提供安全居住的建设用地和健康生产的农用地,是提供洁净土地的根本手段[1]。

在土地工程实施过程中,包括土地工程规划设计、可行性研究、工程进度监督、工程量核算、土壤质量评价等各个环节,均需要对大量的土地信息数据进行采集和分析,如土地地形地貌、地表覆盖、土壤、地质信息等,传统的人工测量方法不仅需要耗费大量的人力物力资源,速度缓慢,并且人工采集的方式大多通过点采样方式,使得测量结果具有一定的局限性,而遥感技术具有大范围、高分辨率、多维度观测的特点,将其应用于土地工程信息获取、处理和分析,具有传统方法无可比拟的优势,可以为土地工程的发展提供一种快速有效的途径。

本文从土地工程实践的角度出发,介绍遥感技术的基本原理,并从不同空间维度的角度出发,对遥感技术在在土地工程中的应用进行分析探讨,旨在为遥感技术应用于土地工程提供一定的借鉴意义。

1 基本原理

遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术,是指应用探测仪器,不与探测目标相接触,从远处把目标的电磁波特性记录下来,通过分析,揭示物体的特征性质及其变化的综合性探测技术[2]。

任何物体都具有光谱特性,具体而言,物体均具有不同的吸收、反射、辐射电磁波的特性。在同一电磁波频率范围内,不同物体由于其性质和结构的不同,对电磁波的反映不相同,同一种物体,在不同电磁波频率下,对电磁波的反映也不相同,除此之外,物体的电磁波特性还受到入射角度、太阳高度角、极化方向、环境因素等的影响。遥感技术就是根据这些原理,探测和接收物体的电磁波辐射,再将电磁波辐射转换为信号或者图像,提供给用户使用。遥感技术按传感器的探测波段分,可分为可见光遥感、红外遥感、微波遥感等;将遥感平台置于不同高度的平台上,可分为地面遥感、航空遥感、航天遥感、航宇遥感;按遥感的工作方式分,又可分为主动遥感、被动遥感。由此可见,遥感技术具有用途广、探测手段多、探测范围大、获取信息丰富的特点,能够全面反映观测对象的特征,大大拓宽了数据采集的深度和广度。

2 遥感技术在土地工程中的应用

遥感技术应用于土地工程信息获取、处理和分析,按不同空间维度的角度可分为三部分:地表覆盖、地形地貌、土壤,三部分分别对应“地上、地表、地下”的土地空间,如图1所示。如图1所示,利用遥感技术可以对土地进行大范围、全方位、多维度的观测,采集土地工程实施中的各类土地信息,具有明显的优越性。

2.1 地表覆盖信息获取与分析

地表覆盖信息是指地表上自然营造物和人工建筑物所覆盖的诸多要素的综合体,包括地表植被、土壤、湖泊、湿地及各种建筑物等,具有特定的时间和空间属性[3]。对地表各类地物进行识别是遥感技术的一个主要工作目的,同时遥感技术也具备动态监测土地覆盖变化的功能,通过设定不同时点,分期对土地覆盖情况进行观测,可直接反映土地覆盖的变化情况,了解土地变化的位置、分布、面积等相关信息。

目前,遥感影像分类技术已成为地物信息提取,土地覆盖信息动态变化监测以及专题图制作不可或缺的关键技术。常用的分类技术有目视解译和基于像元的分类方法,目视解译是指专业人员通过人为判别地物在遥感影像上的光谱特征、空间特征、纹理特征等来识别地物,这种方法依赖于专业人员的知识和经验,存在一定的误差。基于像元的分类方法主要包括监督分类和非监督分类,这类方法采用数理统计的方法以像元为统计对象进行分类,主要依赖于地物的光谱特性,适用于中、低影像分辨率影像(分辨率低于10米)。随着遥感影像分辨率的提高,影像所包含的空间几何和纹理信息也越来越丰富,为了更充分地利用高分辨率影像上反映出的丰富特征,提高地物提取的精度和速度,国内外有学者将影像分割形成影像对象的思想引入遥感影像分类中,提出了面向对象的分类技术。面向对象的遥感影像信息提取方法充分利用高分辨率影像中丰富的纹理、几何形状、光谱、拓扑、上下文等重要空间信息,克服了传统的基于像元光谱信息的分类方法中的局限性,有效避免了图像分类后大量椒盐噪声的出现。

2.2 地形地貌信息获取与分析

在土地工程实施的各个阶段,均需要测制不同比例尺的地形图以满足工程建设的需要,如进行工程规划设计、土方填挖方计算等。随着遥感技术的发展,目前获取地表地形地貌信息的主要方法有摄影测量方法、激光雷达技术、合成孔径雷达技术等。

对于大型土地工程项目,使用传统的数字化测图方式需要耗费大量的人力物力,工作周期长,工作效率低下;而使用摄影测量技术,利用光学摄影机对地面拍摄具有一定影像重叠度的像片,通过恢复地面模型,对三维地面模型进行立体量测,快速、准确和高效地采集各种地形要素数据,最终能够获取测区各种比例尺地形图、数字高程模型和数字正射影像等成果,有效提升土地工程建设的质量与效率。

近年来,激光雷达技术(LiDAR)因其高精度和高效率,在地形测绘方面开始迅猛发展。激光雷达技术是以激光为光源,通过发射受控制的激光,利用激光光束的反射和散射回波,对地面上的测量目标进行扫描和定位,获取物体表面空间分布不规则的离散三维点云数据,为数字制图和地理信息应用提供精确的基础数据[4],同时,激光雷达技术不需要大量的地面控制點,能够满足各种工程需要。

2.3 土壤信息获取与分析

土地工程的研究对象是土地,其研究核心是土体有机重构,土体有机重构的目的是为了构造健康、生态的土壤[1]。土壤的性状,包括土壤质地、土壤有机质、土壤水分、土壤化学性质等决定了土壤的质量。遥感技术获取到的不仅是地表景观的缩影,同时也能够反映地下一定深度土壤信息的特征。近年来,遥感技术在土壤方面的研究得到深入发展,主要集中在以下几个方面[5]:

(1)土壤有机质含量等相关元素的遥感监测。土壤有机质是土壤重要的组成部分,是土壤肥力的重要体现。对土壤有机质含量等相关土壤养分进行遥感提取的方法主要有:遥感影像直接估算法、植被指数估算法、地面光谱仪估算方法等;(2)土壤水分遥感定量反演。遥感监测土壤水分包括地面、航空和卫星遥感等多种方式,遥感波段采用可见光、近红外、热红外、微波等多种遥感波段,采用的方法有热惯量法、光谱法、微波散射系数法等;(3)土壤质地和黏粒含量遥感评价。不同粒径组合、表面状况及不同粒径的化学组成都是土壤质地影响土壤反射光谱的因素,通常采用特定光谱波段的高光谱数据来对土壤质地和黏粒含量进行评价;(4)土壤温度遥感定量反演。对土壤温度进行反演的方法主要有星载传感器的红外通道法、红外辐射温度测量法、微波遥感反演土壤温度法等。

利用遥感技术对土地工程中的土壤信息进行获取和分析,对于土地工程中的土壤质量评价工作提供了新的工作思路和技术保障。

3 结语

土地工程是人类在土地利用中不断建设土地和重新配置土地的过程,对于提高土地利用效率,保障经济发展、社会稳定和促进生态文明建设具有重要的意义。土地工程的实施是一项复杂的系统工程,需要采集大量的土地信息数据,其顺利实施须得到其他技术手段的支撑保障。本文介绍了遥感技术应用的基本原理,并从不同空间维度的角度出发,对遥感技术在在土地工程中的应用进行分析探讨,结果表明:遥感技术能够大范围、全方位、多维度的对土地进行观测,快速、高效及准确地获取各种土地信息,其为土地工程研究提供了一种新的技术手段。未来随着遥感技术设备的不断发展,遥感信息处理技术的提高,遥感土壤监测研究的不断深入,遥感技术应用于土地工程研究领域将会有有非常广阔的应用前景。

参考文献

[1] 韩霁昌.土地工程概论[M].北京:科学出版社,2013.

[2] 梅安新,彭望琭,秦其明,等.遥感导论[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3] 史培军,宫鹏,李晓兵,等.土地利用/覆盖变化研究的方法与实践[M].北京:科学出版社,2000.

[4] 戴永江.激光雷达技术[M].电子工业出版社,2010.

[5] 丁美青.土地开发整理区土壤质量遥感定量评价研究[D].中南大学,2014.

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