摘要：遥感数据与土地资源在时空特性方面具有高度的一致性，土地资源研究长期是遥感应用的主要领域之一。过去数十年来，国内外开展了大量的土地资源与环境遥感应用研究，遥感技术为土地资源研究提供了丰富的信息源和实现手段，拓展了土地资源的研究内容，强化了土地资源的研究程度。随着遥感技术的发展和应用研究的深入，针对日益多样化的实际需求，创新研究方法，加强与传统学科的有机结合，在提取系列化专题信息基础上，开展不同时空尺度的综合性分析与评估，切实满足全球变化研究和实现区域可持续发展的需要，仍然是土地资源遥感应用研究应该关注的主要发展方向。
关键词：土地资源 , 土地利用 , 土地覆盖 , 遥感 , 应用研究
1、引言
广义的国土资源是一个国家领土范围内所有自然资源和社会经济资源的总称。自然资源一般可以理解为一定的时间、空间范围内能够为人类利用并产生经济价值的自然环境因素的总称，包括土地资源、矿产资源、水资源、生物资源、海洋资源等。数量上的无限性、分布上差异性、时空间的可变性是自然资源的基本特点。多数情况下，狭义的国土资源基本指自然资源，一般指国家主权范围内，陆地、领海及空中的所有资源，是包括土地资源、气候资源、水资源、生物资源(森林、草原及动物)、矿产资源及海洋资源在内的全部自然资源的总称(陈述彭，1990)。
土地资源是一种自然资源，指已经被人类所利用或者在可预见的将来能够被人类利用的土地及其附属自然物。土地资源可供农、林、牧业或其他产业所利用，是人类生活的基本资料和生产活动的对象，具有质和量两方面的属性。对土地资源的利用，可能需要采取不同方式和不同程度的改造措施，提高其适用性和预期产出。因而，土地资源既包括土地的自然属性，也包括它的经济属性，即社会属性，是土地实体及其创造价值的统称。土地资源具有时空性，导致不同地域和不同时期的差异。土地资源研究主要是针对它的数量和质量的时空特点、组合方式及其满足区域发展需求的程度来开展。
遥感数据的时空特点与土地资源的时空特点具有高度的一致性。遥感技术出现以来，首要的应用领域就是包括土地资源在内的地表资源与环境方面。通过传感器获取地物的波谱信息一直是主要的遥感方式之一，这些信息以数据的方式记录了地表物体的特性，同步获取空间区域内不同地物的信息和重复获取同一区域、同一地物的信息等特点，吻合了土地资源的时空特性，能够支持资源、环境、灾害、人类活动等方面开展的目标识别、信息采集与处理、分析与评估工作，在区域、国家、全球范围内得到了广泛的应用，包括调查、监测和预测等。
2、国内外的土地资源遥感应用研究
遥感应用研究贯穿于遥感技术的整个发展过程。遥感技术的核心实质在于通过获取观测对象的波谱信息，实现目标观测和识别等目的。地物通常是遥感观测的最直接和最主要的对象，在土地资源分类识别与变化监测方面的应用也最多。
2.1 国际上主要的土地资源遥感应用研究
世界范围内，多样化的土地资源伴随着差异化的区域分布。基于遥感技术开展的土地资源研究常常成为各项全球性的科学研究计划的核心内容。
围绕土地资源开展的土地利用/覆盖变化(LUCC)是全球变化研究的重要组成部分和核心内容(Lambin等，1999;Turner等，2007)。国际科学理事会ICSU(International Council for Science;原称国际科学联合会理事会)1986年提出的“国际地圈与生物圈计划”IGBP(International Geosphere-Biosphere Program)和隶属于国际社会科学联合会的“国际全球环境变化人文计划IHDP(International Human Dimensions of Global Environmental Change Programs)”这两大国际组织的科学计划积极推动了这方面工作的开展。自20世纪80年代以来，世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈生物圈计划(IGBP)、全球环境变化人文计划(IHDP)和国际生物多样性计划(DIVERSITAS)等联合开展了一系列关于全球环境变化的研究。另外，地球系统变化及其对可持续发展影响的研究也由地球系统科学联盟(ESSP)发起并开展(Liu和Deng，2010)。但是，作为全球环境变化研究的核心内容，土地利用/覆盖变化研究从20世纪90年代才开始具体开展。国际应用系统分析学会(IIASA)在1995年开展了欧洲和北美地区土地利用变化的模拟(Heilig，1995)。IGBP和IHDP于1995年联合发起了土地利用/覆盖变化研究项目，并提出了土地利用/覆盖变化的概念框架(Turner等，1995)。为了研究和掌握土地利用/覆盖变化与温室气体排放之间的关系，从1997年开始，美国开始利用高空间分辨率的遥感影像在北美热带雨林进行森林分类研究(Subcommittee on Global Change Research，1996)。2003年，IGBP和IHDP进一步提出土地研究的核心项目——全球陆地计划(GLP)，以期在地球系统功能范畴内提高对土地系统动力学的理解(GLP，2005)。美国、欧洲、日本针对21世纪初期的全球土地覆盖，采用不同的遥感信息源和分类方法，生产了全球范围的不同分辨率、不同时期的土地覆盖数据集。中国国家科技部同样组织开展了一系列以全球变化研究为主题的科研项目，全球土地利用/覆盖变化制图就是部署的第一批4个主要研究项目之一(Xu等，2013)，独立建设了全球土地覆盖数据集GlobeLand 30。
在这些项目的推动下，形成了7套常用的全球土地覆盖数据集：(1) 由IGBP和美国地质调查局(USGS)利用1992年—1993年时段的高级甚高分辨率辐射计(AVHRR)数据，采用K均值方法对1992年—1993年的全球AVHRR NDVI月合成数据分区进行聚类分析，生产了1 km国际地圈生物圈计划(IGBP)全球土地覆盖数据产品(即IGBP-DISCover数据集)(Loveland等，2000)，总体精度为66.9% (Scepan，1999);(2) 美国马里兰大学以1992年—1993年时段AVHRR数据为数据源，在Landsat MSS影像上选择训练样本，采用决策树分类方法对41种分类特征(均为光谱时间特征，包括NDVI时间序列特征)进行分类，生产了1 km全球土地覆盖产品(即UMd数据集)，总体分类精度为65%(Hansen等，2000);(3) 由欧盟联合研究中心以1999年—2000年SPOT-VEGA数据作为主要数据源，采用分区分类的方法，生产了1 km全球土地覆盖产品(即GLC2000数据集)(Bartholomé和Belward，2005)，总体精度为68.6%(Mayaux等，2006);(4) 欧洲空间局(ESA)利用2005年—2006年时段的ENVISAT MERIS-FRS 1B级数据为数据源，将全球分为22个区域，并先后采用监督和非监督分类方法对每个区域的光谱特征和时间序列特征进行分类，通过全球合作生产了300 m分辨率的GlobCover土地覆盖数据集，之后又利用2009年的ENVISAT数据完成了2009年版本的构建(Bicheron等，2008)。全球300 m土地覆盖数据产品Globcover 2005和Globcover 2009数据集的总体分类精度分别是67.1%和58.0%(Bontemps等，2011);(5) 由NASA利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据构建的500 m分辨率的MODIS土地覆盖数据集(Friedl等，2002，2010)，包含了2001年至2012年期间的各年土地覆盖类型及动态数据;(6) 由日本发起成立的全球制图指导委员会利用2003年的MODIS数据构建的1 km分辨率的第1版GLCNMO土地覆盖数据集(Tateishi等，2014)，之后该委员会又利用2008年的MODIS数据完成了500 m分辨率的第2版数据集的构建;(7) 由国家高技术研究发展计划(863计划)计划支持并构建的30 m分辨率的GlobeLand30数据集(Gong等，2013)，目前发布的数据集采用的数据源是2009年—2011年时段的30 m分辨率的Landsat TM、ETM+和HJ-1多光谱数据。由于这些数据集由不同的国家或国际组织推动和构建，因此制图方法和标准各不相同。不同的数据来源和各异的分类体系、标准和技术差异，导致这些数据集在洲际或者区域尺度的应用上具有较差的一致性，数据集之间的可对比性较弱(McCallum等，2006;Herold等，2008;宫鹏，2009)。
2.2 中国的土地资源遥感应用研究
中国国土资源绝对数量大，种类齐全，但因人口众多，人均占有量显著低于世界平均水平，合理利用土地资源，优化国土资源配置，实现可持续发展，促进生态文明建设，长期受到广泛重视，开展了一系列的土地资源遥感应用研究。
在中国，针对土地利用/覆盖变化和驱动机制的研究大多集中在省级及流域尺度(Chen等，2001，2009;Gao等，2006;Buhe等，2007;Zhang等，2008;Wang等，2010)，全国范围的土地利用/覆盖变化和驱动机制研究则较少，目前有代表性的中国土地利用变化研究主要有吴传钧和郭焕成(1994)在20世纪70年代末80年代初利用野外调查资料、航片和卫片解译等综合方法完成的全国土地利用现状调查，编制了1:100万全国土地利用图，这是系统性开展的第2次全国范围的土地利用调查和制图。He等人(2007)、Ge等人(2008)利用历史文献资料研究来过去300年中国的土地利用变化，以及利用统计数据对20世纪初至20世纪70年代的中国农林土地及其变化进行了研究(Ge和Dai，2005)。
1980年6月至1984年，在国家科委的统一组织下，全国农业区划委员会会同国家测绘局、林业部、农业部等46个单位，利用564幅定位纠正的1:25万美国资源卫星彩色影像(MSS)，参考典型地区航片，首次利用遥感技术完成了全国土地利用调查制图，编制了818幅1:25万土地利用现状图，量算出全国分省农、林、牧等15种地类面积。
20世纪80年代至90年代初期是中国区域性和专题性遥感调查为主的时期，包括土地利用现状遥感调查(中国科学院环境科学委员会和天津市环境保护局，1985)、水域动态遥感分析(中国科学院遥感应用研究所，1988)、土地资源遥感调查(西藏自治区土地管理局，1992)、林业遥感调查(徐冠华，1994)、脆弱生态系统监测(陈正宜，1994)等。
从20世纪90年代中期开始，资源环境遥感应用研究逐步由区域性研究走向全国性研究，1992年中国科学院设立了“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”项目，在完成专题制图的基础上，通过纸图数字化建设了数据库，东部区域采用1:25万比例尺、西部区域采用1:50万比例尺。1996年，国家科技部在“九五”科技攻关项目“遥感、地理信息系统、全球定位系统技术综合应用研究”中设立“国家级基本资源与环境遥感动态信息服务体系的建立”课题，中国科学院相关单位利用20世纪90年代中期的陆地卫星影像及相关辅助数据，采用人机交互解译的方法，构建了全国1:10万土地利用矢量数据库，数据库反映了中国1995年的土地利用状况(刘纪远等，2003，2005)，课题实施期间成功实现了5年为周期的全要素更新，建设了1995年—2000年中国土地利用动态数据库，总体分类精度达到85%以上，耕地、建设用地等定性精度在90%以上。在中国科学院“知识创新工程”的推动下，1999年启动了“国土环境时空信息分析与数字地球理论技术预研究”，在2000年全国土地利用数据库的基础上，采用遥感方法，恢复重建了20世纪80年代末期中国土地利用状况，并建设了数据库(张增祥等，2012;Zhang等，2014)。
国土资源部从1999年开始，采用遥感技术进行全国土地利用变更调查工作，但更多关注的是建设用地和耕地的变化(Zhang等，2007)。2003年，国家测绘局利用陆地卫星影像及辅助资料，采用监督分类方法，建成了30 m国家土地覆盖数据，一级类型精度在75%—90%之间(赵有松等，2007)。
为了全面查清目前全国土地利用状况，掌握真实的土地基础数据，建立和完善土地调查、统计和登记制度，实现土地资源信息的社会化服务，国土资源部于2007年7月1日全面启动了第2次全国土地调查(简称“二调”)。要求“在全国范围内利用遥感等先进技术，以正摄影像图为基础，逐地块实地调查土地的地类和面积，掌握全国耕地、园地、林地、工业用地、基础设施用地、金融商业服务、开发园区、房地产以及未利用土地等各类用地的分布和利用状况;逐地块调查全国城乡各类土地的所有权和使用权状况，掌握国有土地使用权和农村集体土地所有权状况;调查全国基本农田的数据、分布和保护状况，对每一块基本农田上图、登记、造册;建立互联共享的覆盖国家、省、市(地)、县4级的集影像、图形、地类、面积和权属为一体的土地调查数据库;建立土地资源变化信息的调查统计、及时监测与快速更新机制。”“二调”的主要技术路线是以航空、航天遥感影像为主要信息源，采用内外业相结合的调查方法，完成1:1万比例尺为主的农村土地调查和以1:500比例尺为主的城镇土地调查，并基于统一标准进行土地利用数据库建库。“二调”于2007年7月全面启动，至2009年下半年完成全国调查工作，并以2009年10月31日为调查的标准时点进行数据汇总，同时要求在2010年以后全国每年进行一次土地变更调查。国土资源部2013年12月公布了“二调”的调查结果，但该数据库主要用于政府掌握土地资源家底及决策使用，研究学者尚难以获取和使用。
在“国家科技基础条件平台建设——地球系统科学数据共享网”的支持下，2007年，中国科学院遥感应用研究所等组织实施了全国区域的土地覆盖遥感监测，进行了中国1:25万比例尺的土地覆盖遥感制图和动态监测，全面、系统地掌握了我国陆地及其近海岛屿的土地覆盖状况，建设了自20世纪80年代末和2005年的中国土地覆盖数据库及其该时间段动态变化数据库。
针对“18亿亩耕地红线”，2007年7月，中国科学院知识创新重大项目“耕地保育与持续高效现代农业试点工程”启动实施，目标之一是在2000年全国土地利用数据库的基础上，将耕地等内容更新到2005年、2008年和2010年，获得不同时期我国耕地的动态变化信息，并开展耕地时空特征及其耕地动态的驱动因素及其影响分析。实际上，在充分重视耕地资源的同时，完成了中国土地利用全要素的同步更新。
2014年，国家测绘地理信息局与多个部委的17个单位和多家企业合作，历经4年时间，采用目视解译与自动分类相结合的方法，构建了中国首个全球30 m地表覆盖数据产品，总体分类精度达到80%以上。
综上可见，随着遥感技术的发展和应用研究的深入，国内外的土地资源遥感应用研究内容更加广泛、研究程度更加深入，快速、科学、系统性提取专题信息是国内外土地资源研究的基本内容，专题信息的客观性和时效性受到了较多的重视，信息内容的一致性、可比性尚需开展更多的研究。面对可持续发展和全球变化研究日益多样化的应用需求，不同空间尺度、不同专题方向的研究使得人类能够从更宽阔的视野认识、分析、评估地球资源与环境，增强了调查、监测能力和综合分析与评估能力，持续性的和系列化的应用研究日益受到重视，基于时间序列的过程分析将逐步深入。
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