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高分辨率遥感、全球定位系统、GIS在土地资源映射与表征中的应用综述

Nisha Sahu*, G.P. Obi Reddy, Nirmal Kumar and M. S. S. Nagaraju

土壤调查与土地利用规划国家管理局，阿姆拉瓦提路，那格普尔-440 033，印度

摘要：在可持续基础上，及时可靠的有关土壤类型、面积与空间分布信息对现有自然资源的优化利用十分关键。遥感、全球定位系统与GIS领域的技术进展提高了土地调查的效率。在可持续基础上的资源管理强调了在整体发展的同时不破坏环境。先进的计算机技术与数据库的集成使用，可以用来协助决策者规划未来。然而，迄今为止的研究都只是小规模、针对很少区域的或者是基于大比例尺的，虽然已取得进展，现有的方法和技术在土地资源的分布与特征方面仍存在对高分辨率卫星的全方位的光谱、时间与空间进一步探索的潜力。准确地说，本文旨在对高分辨率遥感数据如IRS-P6LISS IV，PAN，Cartosat- I，IKONOS的应用现状进行了回顾，并阐明GPS和GIS在土壤资源调查和表征在大规模的微观农业规划中的应用。

关键词：GPS、GIS、高分辨率遥感、国土资源分布、土地调查

土壤是一种宝贵的不可再生资源，以多样的形态和性质存在于世界并为生态系统提供必要的支持。过度开发资源来满足基础设施不仅消耗了有限的土地资源，也降低了土地质量。全球对原材料的需求、工业投入的能源一直是资源枯竭和退化的主要驱动力（Cronin,2009）。土壤是生产系统的基础，关于其属性、地域和空间的分布的知识是极其重要的。因此，维持土壤资源来保持生态系统势在必行（Beckett and Webster 1971, Gessler 1996）。在此背景下，

不同类型土壤的表征与制图与其演绎更为重要。准确的基线信息和评估资源的数量、质量的方法是土壤制图与表征的前提条件（Laake 2000）。土壤调查为不同的土壤以及各自的种类、性质和分布状况提供了一个准确的和科学的目录，使人们可以对它们的特性和潜力作出预测（Mandal and Sharma 2005）。这也提供了渔区土壤的分类和其他性质，编码这类综合地理信息可提高合理规划和管理自然资源的认知。由于需要大量的观测数据，传统的信息收集方式昂贵又耗时。然而，计算机与信息技术的进步引进了一系列新工具、新方法、新设备与新系统。新技术如遥感，全球定位系统和地理信息系统的快速发展为满足资源规划的需求提供了新途径并成功应用于从时空等多方面对土壤的研究（Shrestha 2006, Yeung and Lo 2002）。

遥感与GIS领域由于存在迅速发展的机会，变得令人激动与充满魅力（Patra，2011），在地方、区域和全球范围内的土地资源清查中它被公认为是有价值的工具。遥感和摄影测量技术提供了地表的空间显式和数字数据的表示，这在GIS中可以结合数字化的纸质地图使大量数据进行高效的表征与分析。卫星遥感结合地理信息系统在自然资源管理中已被证明是一个非常有用的工具，Karla等（2010）指出地理信息系统数据库中的遥感集成可以降低成本、缩短时间并增加收集土壤调查中的详细信息。在地理信息系统的数据采集和程序分析中，遥感数据的全覆盖与高精度加上显著的成本效益与时间效率，让地貌映射成为资源环境管理的一种有效工具(Srinivasan 1988)。最重要的是，它会允许快速生产与环境和社会经济政策需要相关的输出。

大规模国土资源映射的需求：土地地图在不同等级上需要不同的尺度来满足规划要求。用的比例尺越大，则可用的信息越多，反之亦然。来自IRSLISS-I, AWiFs 和 LANDSAT-MSS传感器的低分辨率（空间分辨率大于或等于70米）数据对于编制比例尺为1:25万或更小的土地地图有用。来自Landsat,IRS LISS-II和spot-mla的中等分辨率的1:5万比例尺数据也用于土地地图，来自IRS-P6 LISS-IV sensor), Cartosat-1 and Cartosat-2 和 IKONOS 卫星数据在1:1万或更大比例尺上用于表现土壤特征（Dwivedi 2001）。

高分辨率遥感：遥感为促进土地资源的可持续开发、生态平衡和改善有关社区的社会经济条件提供了解决方案。它试图在远处而不是在原地测量某物并且将测量成果展示在二维网格上，即图像。Curran（1985）将遥感定义为使用不与所研究的对象或现象进行物理或直接接触的设备从飞机和卫星获取的数据或获取对象或现象的某些属性信息来测量地表目标的属性（Sabins 1997）。在Landsat-1于1972年发射之前，空中拍摄的照片被用作土地制图与表征的遥感工具。随后，1972年起卫星数据在数字和模拟方面已被用于制备大比例尺土地地图来展示土地分类以及之间的联系（Kudrat等.1992）。九十年代的高分辨率卫星数据使研究人员能够在大范围内映射土地，这是用于微观层面的规划，而SPOT 和IRS-PAN提供了立体度，提高了图像制作的质量（Jacobsen 2006）。为一个特定应用选择遥感系统时有几个因素要考虑进去，包括空间分辨率，光谱分辨率，辐射分辨率和时间分辨率。空间分辨率是指在图像中可以检测到的最小单元的尺寸，图像中的基本单元成为像素，一米的空间分辨率表示每个像素图像代表一平方米的面积，每个像素代表的面积越小，则图像的分辨率越高（Dhinwa, et al . 2010）。

各种高分辨率卫星及其空间分辨率如表1所示。随着IKONOS, Cartosat I, II, WorldView和Quickbird卫星的成功发射，用户可以获取分辨率极高的图像。使用成像设备进行土地制图的可行性研究中通常采取的方法是对图像的获取与分析，或者通过其他特定区域的遥感数据，这可以通过有限的地面参考数据进行补充。本研究的目的是审查高分辨率遥感与全球定位系统和地理信息系统相结合，在土地资源管理中的各种应用，包括土地资源的清查、映射及其表征。

表1：高分辨率(lt;20 米) 卫星传感器及其特征

GIS与其应用：一个地理信息系统被定义为在现实世界中为了一组特定的目标而收集、存储、检索、转换和显示空间数据的强大工具集（Burrough 1986）。它基于四种软件功能：输入、存储、处理和空间信息输出（Cowen 1987）并能够从多样化资源中接受大量的空间分布数据。从卫星数据与地形图中提取的信息在GIS中可以存储为数据库。GIS能够有效并高效的操作空间及非空间数据以进行土地的科学映射和表征来造福当地人民（Star等. 1997）。地理信息系统软件的使用，有助于消除由与各种数据集相关的不同地理单元引起的的数据集成问题。地理信息系统包括手动的和以计算机为基础的信息系统（Dickinson and Calkins.1988）。主要是，我们通过计算机可获取的研究工具从图像中分析提取信息然后用图像表达这些发现并依赖着这种能力。总之，地理信息系统的主要目标是采用原始数据并通过覆盖或其他操作进行改造，来融入新的信息，以支持决策过程。

近年来，地理信息系统的应用在各个领域都增加了许多倍，地理信息系统的引入促进了跨学科的研究，包括自然，环境，社会和经济科学。它的应用迅速扩大，同时遥感也有了进展，为用新的令人振奋的方式进行复杂空间的检验提供了基础（Asadi等. 2012)）。地理信息系统是在不同尺度下处理空间数据的一个有效的工具，用多样化地区资源的大量的数据点进行数据综合分析，并提出各种问题的最佳解决方案。不同的作者对GIS在土地资源中的调查作了报告（Dwivedi 2001,Kudrat 1992, Dobos等. 2000），土地功能分类（Rosser等. 1974, USDA 1973, Panhalkar 2011），土地适宜性评价（Srivastava and Saxena 2004, Velmurugan and Carlos 2009, Boonyanuphap等.2004, Hopkins 1977），土地生产力评价（Nizeyimana等. 1998; ASD 1995; Patil等. 2010）以及水土流失定量（Lal 1998, Karale等. 1988, Olson等. 1998, Singh and Dwivedi 1989, Reddy等. 2004）。

高分辨率遥感与GIS在地形表征中的应用：在传统上，地形测绘是通过目视解译航空照片来完成的（Dent and Young,1981）。遥感技术的出现，为更准确地收集地球资源信息铺平了道路（Karale等. 1988）。各种各样的卫星数据，可用于不同规模比例尺的资源地图的编制。地理信息系统核心中的巨大数据集提供了一个极好的空间数据分析和解译手段。地形形态参数的分析有助于评估侵蚀风险、

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