地理大数据与土地资源管理专业课程融合教学初探*

李晓琳 肖颖 李佳璇 （西南林业大学生态与环境学院）

地理大数据(GeoData)是指携带地理位置信息的大数据，其来源包括通过机器设备、人工或者人机交互等获得的多样化地理信息数据，如通过遥感卫星或遥感飞机获取的遥感影像数据，城市三维模型数据以及各类移动设备实时产生的位置信息，各种温湿度、视频传感器获取的数据等。[1]地理大数据（GeoData）在城市规划、土地资源调查、生态环境保护与建设方面具有重要作用和广泛应用，不仅促进了土地资源管理决策的科学化，还实现了土地资源管理的现代化。[2]

虽然近年来地理大数据(GeoData)技术突飞猛进，但是土地资源管理专业教学过程中对地理大数据信息的重要性重视程度不高，造成人才培养与快速发展的土地资源管理实际需求相脱节，教学课程内容相对于技术的发展较为滞后。因此，在土地资源管理专业教学中如何与地理大数据(GeoData)技术融合，培养出地理大数据(GeoData)技术应用熟练、理论基础知识扎实的高素质综合型人才是该专业教学亟待解决的问题。[3-4]

一、地理大数据的发展

地理大数据具有广泛存在性和较强的拼接能力，具有来源广泛、体量大、价值高、获取迅速等特点。[1]

遥感数据是地理大数据中最重要的组成部分。1995年以来，国际上开展了诸多与遥感应用相关的科研计划，如“土地利用覆被变化(LUCC)研究计划”“全球陆地计划(GLP)”“美国国家航空航天局(NASA)的地球科学事业系列计划”“未来地球研究计划(FutureEarth)”等。国内方面，我国于1978年7月开展了综合多学科的腾冲航空遥感试验，是中国首次使用遥感技术勘察自然资源。八十年代以来，国家层面开展了多项利用遥感技术开展土地调查的重点科研攻关计划，如“三北”防护林遥感综合调查、“黄土高原遥感专题研究”等。九十年代中科院等单位开展了“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”“3S技术综合应用研究”“利用遥感影像进行土地利用动态监测项目”等遥感应用和科研计划。进入二十一世纪，通过应用遥感技术，“十五”期间完成全国省级土地、森林、矿产、地质和海岸带的遥感综合调查。“十一五”期间遥感应用拓展到城市、环境、灾害、生态和农林调查等领域。2013年至2015年，中国利用国产高分遥感数据完成第一次全国地理国情普查。2017年，再次利用遥感开展第三次全国土地调查。近年来我国高分系列、资源系列等多颗遥感卫星的投入使用，国产遥感数据的逐步丰富多样，遥感数据的获取更加方便快捷。上述技术实验或科研项目均通过遥感技术实现了地理大数据的多时空尺度、多要素过程观测，量化和解析。[5-6]

此外，随着移动互联网、测绘技术、智能终端以及各类传感器技术的迅速发展，也进一步推进了地理大数据的发展。地理大数据来源更加广泛，从单一来源数据发展到多来源数据，除来自传统意义的政府部门、企事业单位外，还来自普通民众以及个人智能终端设备产生的数据；同时，数据获取更加迅速，时效性更强，从年度性更新数据发展到部分地理数据几乎可以实时更新数据；数据量也在以几何级数快速增长，从MB、GB级别数据量跨越到TB、PB甚至EB级数据量。随着数据挖掘技术的发展，借助地理大数据在多数据来源、强时效性、大数据量等方面的优势，地理大数据在土地信息挖掘、交通出行规划、城市信息挖掘、公共安全及公共卫生应急管理、环保监测等方面的应用日益繁荣。[5-6]

二、土地资源管理专业地理大数据课程教学现状及存在的问题

土地资源管理专业主要培养具有土地资源管理学、经济学以及相应法律法规基本知识，并具有地理大数据处理及应用、不动产评估及土地资源评价等基本技能，可在国土资源管理及规划、生态环境保护等领域从事相关工作的应用型人才。[3]随着土地资源类型的快速变化及土地供需矛盾的加剧，土地资源传统管理方法已不适应地理大数据技术及经济社会的迅速发展，制约着土地资源的合理开发和有效利用。[4]

目前，全国有50多个高校开设土地资源管理专业，且以农林类高校为主，课程设置基本相同，课程设置中仅在部分3S技术类课程和地理学类课程中涉及地理大数据技术。[7]如部分高校在3S技术类课程教学过程中以实践教学的方式指导学生如何综合利用 3S技术开展土地调查，过程中涉及少量地理大数据的处理，包括：遥感技术获取土地覆被信息；GIS技术提取地类图斑，最后完成空间分析等。[8]在地理学课程中涉及少量地理大数据的原理知识，包括大地坐标系、投影坐标系、地貌、地形条件等。[9]土地资源管理专业教学过程中尚缺少以地理大数据技术为主体的系统性综合性课程，对地理大数据技术重视程度不足，造成社会对相应人才的需求与学校教学内容不匹配等问题。

为提高土地资源管理专业人才培养水平，推进地理大数据技术与专业教学的交叉融合，提高地理大数据技术课程的系统性和综合性，各高校采取了多种多样的人才培养教学方式，如“土地+遥感”教学内容与教学方法融合教育改革试验；[10]为提高学生土地资源数据获取实践能力进行的混合式实践教学改革；通过利用丰富的网络教学资源，将传统面对面教学与网络在线教学的优势互补形成的“线下+线上”有机整合的教学方法；将便捷的移动终端与网络等用于学习活动，锻炼实验实践能力,认真理解实验任务，挖掘积累学习资源，熟悉实验操作等。[11]各高校教学改革实践均取得了一定的成效，但是在土地资源专业地理大数据课程教学中仍然存在以下问题：

（一）理论讲授与实践教学融合匹配度不足

地理大数据获取和处理是一项强调实践性的工作，涉及大量的地理大数据软件操作，需要通过多维度高密度的操作实践方可让学生熟悉地理大数据软件的操作和应用，因此诸多院校设置课程学时、实践学时相对于理论学时较多。然而，若过分依靠实践操作教学而忽略理论教学的重要性，又将造成很多学生理论理解不足，局限于软件操作模仿，难以理解操作机理，造成大部分学生无法顺利处理数据变化后的类似问题，凸显理论讲授与实践教学融合匹配度不足的问题。

（二）教学方式创新不足，教学过程枯燥

当前地理大数据相关课程教学方式较为抽象、刻板，创新性不足，学生遇到问题时，自主解决问题能力不足，只能求助教师具体解决问题或是教师按步骤提前录制好实验指导操作视频，学生按视频指导操作得出结果。教学过程探索性不足，难以提升学生学习兴趣，地理大数据获取和处理技能难以提高，这是地理大数据类课程教学面临的较大难点。[12]

（三）教学内容及教学工具滞后于时代发展

近年随着国家科技水平的提升，地理大数据相关技术也得到了飞跃式发展，众多的新技术新方法层出不穷。在硬件方面多颗高分系列及资源系列卫星发射成功并投入使用，通过自然资源部卫星遥感云服务平台提供了更多、更新的分辨率更高的卫星遥感数据，为教学提供了丰富的教学内容。在软件方面，地理大数据软件不断更新，如常用的ArcGIS、ENVI、PIE等软件版本不断更新，功能更加丰富全面，使得对地理大数据的处理更加快捷与便利。但是限于教材及教学工具软件的更新速度，存在技术发展与学校教学内容不匹配等问题，学生难以掌握最新的地理大数据处理技术，与社会对人才的要求存在突出矛盾。[13]

三、地理大数据与土地资源管理专业课程交叉融合实践

为解决土地资源管理专业地理大数据课程教学过程存在的上述问题，进一步加强地理大数据与土地资源专业课程的交叉融合，提高地理大数据技术课程的系统性和综合性，笔者选择土地资源管理专业的三大主干课程土地资源调查、土地评价及土地管理作为研究课程，为深化学生对地理大数据的理解及应用，提出以基于技能训练式教学为基础，构建“土地资源调查+GeoData”教学模式；以基于案例分析式教学为基础，构建“土地评价+GeoData”教学模式；以基于探索式教学为基础，构建“土地管理+GeoData”教学模式。通过多种“土地+GeoData”教学模式的应用，解决土地资源管理专业教学过程中面临的理论讲授与实践教学融合匹配度不足、教学方式创新不足，教学内容枯燥以及教学内容和工具滞后于时代发展等问题，提高土地资源管理专业人才培养质量。

（一）基于技能训练式教学的“土地资源调查+GeoData”教学模式构建及应用

土地资源调查主要是指应用一定的测量方法（遥感和测绘制图），查明区域土地资源的类型、数量、质量、空间分布以及利用现状与存在问题，为土地资源评价、规划以及土地资源管理提供数据。在当前土地资源调查工作中，GeoData（地理大数据）技术应用越来越丰富多样，如通过北斗卫星定位系统获得实时、准确的定位信息，通过高分系列或资源系列遥感卫星影像获取目标区域具有较高空间时间分辨率的遥感影像数据，并通过使用相关的地理大数据软件对获得的土地资源数据进行处理、编辑、分析，提取相关信息，并输出相应的土地资源利用现状图等成果。

为了让学生能够熟练掌握地理大数据处理和应用的专业技能，选择土地资源管理专业教学中的主干课程土地资源管理，并选择学生熟悉的学校校园作为调查区域，收集区域内最新的地理大数据（遥感数据、数字高程模型数据、土地利用数据、交通道路数据、街景数据等），并运用3S技术对数据进行处理，包括使用卫星定位系统收集定位信息；利用遥感处理软件ENVI进行地理图像数据几何校正、图像融合、矢量裁剪，进而解译遥感影像、绘制土地利用图；通过GIS空间分析、栅格计算、重分类、属性录入等功能，实现调查区域内的分析、空间信息挖掘。

通过结合土地资源调查对学生反复地进行技能式训练，既进一步加强了学生对理论知识的理解，又让学生充分掌握了地理大数据（GeoData）最新软件的操作使用，学生既知道为什么要进行这样的操作以及这样的操作能够解决什么样的问题，大大提高了理论讲授和实践教学融合的匹配度。

（二）基于案例分析式教学的“土地评价+GeoData”教学模式构建及应用

土地评价指针对一定目的，对土地的质量和性能进行综合鉴定，包括对土地的自然属性和社会经济属性的定量分析，综合评价各土地类型单元对所确定的土地利用方式的适宜性、限制因素、生产潜力、经济效益及其对生态环境的可能影响。在目前的土地评价中，地理大数据（GeoData）可以为评价工作提供评价单元及评价因子，根据评价目标定量化评价指标。

教学过程中选择土地评价课程中的重点章节“土地适宜性评价”，运用案例分析式教学法，以滇池流域土地适宜性评价为案例，利用地理大数据（GeoData）划分土地评价空间单元，提取影响适宜性高低的评价因子，选定评价模型对地块适宜性进行分等定级工作，实现地理大数据（GeoData）与土地评价教学的交叉融合，学生用所学的土地评价理论知识与地理大数据（GeoData）相互促进。通过对滇池流域土地的适宜性评价工作，让学生对高原湖泊的综合治理产生浓厚的兴趣，引导学生开展湖泊治理思考和讨论，让学生更加直观地理解地块适宜性分等定级工作。通过理论知识与熟悉的案例相互结合，不断提高学生实践能力。

（三）基于探索式教学的“土地管理+GeoData”教学模式构建及应用

土地管理是国家为维护土地制度，调整土地关系，合理组织、保护及监督土地资源的开发利用所采取的措施，包括法律、经济、行政和技术等各项措施。土地利用动态监测在土地管理过程中具有重要的地位，通过土地利用动态监测技术，特别是长时间尺度下的地理大数据（GeoData）可及时准确地掌握土地利用变化情况，科学地制定和落实土地管理政策和措施。可以为土地管理提供科学的决策。

教学过程中选择土地管理学中土地资源动态监测的内容，同样选择学生熟悉的学校校园周边城市区域为探索对象，利用长时间序列的地理大数据（GeoData），充分动员学生对校园周边土地利用类型变化进行探索式学习。以学生为主体，以土地利用的合理性为主线，将学生分为若干组，以小组为单位开展土地利用变化信息数据收集，再进行课堂分组汇报及讨论，让学生充分了解如何通过地理大数据（GeoData）实现土地管理，更加形象地理解城市土地管理政策制定对土地开发利用、保护的影响。

在土地资源管理专业教学过程中，笔者采用了上述三种创新的教学模式，将GeoData（地理大数据）与土地资源管理专业课程有机交叉融合，理论与实践有机结合，运用案例式教学和探索式教学，选取具有地域特点的较新的遥感影像等地理信息数据及处理软件，引发学生学习兴趣，提高学生教学参与度，活跃课堂气氛，较好地解决了理论讲授与实践教学融合匹配度不足、教学方式创新不足、教学内容枯燥以及教学内容和工具滞后于时代发展等问题。学生学习主动性得到提升，学生专业理论知识水平和操作技能增强，获得学生的好评，为培养满足社会发展需求的综合、创新型土地资源管理专业技术人才打下了良好基础。