2015年土地科学研究重点进展评述及2016年展望——土地工程与技术分报告

胡振琪，荣 颖，付亚洁，梁宇生

（中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京100083）

2015年土地科学研究重点进展评述及2016年展望
——土地工程与技术分报告

胡振琪，荣 颖，付亚洁，梁宇生

（中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所，北京100083）

研究目的：对2015年国内外土地工程与技术研究现状进行梳理，展望了2016年国内研究趋势，为土地科学进一步研究提供借鉴。研究方法：归纳分析法，文献资料综述法。研究结果：2015年土地工程与技术研究主要集中在土地测量、土地信息技术、土地整治工程等方面。研究结论：开展地籍测量技术研究、推进土地信息技术的创新与应用、深化农村土地综合整治技术、加强矿区土地复垦的技术工艺研究等将是2016年及未来土地工程与技术领域着重研究的方向。

土地整治；土地测量；综述；土地工程；土地信息；研究进展

快速城镇化、工业化进程中，中国土地资源利用面临的问题日益突出。现有土地学科研究偏重土地管理学、土地经济学和土地政策，对土地工程与技术的重视是伴随近10年来的土地整治和土地信息的现实需求和飞速发展而不断得以提高。同时土地科学学科体系的研究再次成为近年来的研究热点。如何理解和把握工程技术在土地科学中的作用和学科定位仍是一个亟待解决的问题。自2012年起笔者连续开展了“年度土地科学研究重点进展评述和展望—土地整治分报告”研究，为适应“新常态”下社会经济发展对土地科学提出的新要求和土地科学学科体系研究的新进展，现将“土地整治分报告”调整为“土地工程与技术分报告”。土地科学的研究对象是土地利用，若要合理利用土地首先就需要了解土地的基本情况，其中包括研究区域的面积、地形、地籍等基本信息，而要获取、处理这些信息就需要土地测量技术；科学利用土地离不开管理与调控，现代土地管理的主要技术手段就是土地信息技术，即土地信息的采集、处理、加工和发布等技术；为了提高土地的利用率和产出率，一些工程措施也是必要的，即土地工程技术。所以，土地工程与技术的研究内容主要包括土地测量技术、土地信息技术及土地工程技术三个方面。土地测量强调通过广泛深入的测量与监测研究，查清土地资源的基本特征；土地信息技术强调通过土地资源信息获取与更新技术，实现土地资源的有效监管；土地工程技术强调通过工程措施，推进土地资源的有效整治，促进产能提升、功能优化，实现土地资源的有效利用。

通过对国内外相关学术文献数据库的检索，归纳分析了2015年国内外土地工程与技术方面的研究进展。在中国知网（CNKI）期刊全文数据库、Elsevier全文电子期刊数据库和SpringerLink全文电子期刊数据库，以“土地整治”、“土地测量”、“土地工程”、“土地信息”等为关键词进行检索，筛选出学术文献77篇，其中，中文期刊文献66篇，英文期刊文献11篇。主要分布在《农业工程学报》、《中国土地科学》、《地理与地理信息科学》、EcologicalEngineering和Chemosphere等优秀期刊，内容涵盖土地测量、土地信息技术、土地工程技术等方面。

1　2015年国内外土地工程与技术领域重点问题研究进展

1.1国内研究进展

2015年国内土地工程与技术领域研究主要从土地测量、土地信息技术、土地工程技术等方面展开。在土地测量方面，研究集中于新型技术手段在地形、地貌、地籍测量及动态监测上的应用；在土地信息技术方面，研究重点集中在土地覆盖分类方法与土地信息提取精度提高、土地信息处理技术、土地信息可视化表达与系统开发；在土地整治工程方面，侧重于土地整治规划设计、土地整治潜力与效益评价、矿区土地复垦、农用地整治、城乡建设用地整治、退化土地改良技术的研究。

1.1.1土地测量

（1）地形与地貌测量技术。地形与地貌测量技术不断创新。针对土地地面沉降的不均匀性和稳定性，永久散射体干涉测量（PSInSAR）技术和云模型实现了土地地面沉降定量信息与定性概念的自然转换［1］。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）作为一种快速发展的大地测量技术，能够全天候获取高精度、连续覆盖的地面高程和地表形变信息，显著增强了地形测绘和地表形变监测能力［2］。而对于地面更为细微的状况，可通过地面三维激光扫描技术精确地测量三维空间坐标，该技术获取数据的特点和方式可弥补传统测量方法的弊端，能够为滑坡灾害的治理防护提供精确的测量基础数据［3］。此外，二次曲面与双三次曲面的两种GPS高程拟合方法能够在丘陵地区将GPS高程测量转换为区域的正常高程，可使地面点的高程达到四等精度要求，为在丘陵地区实施大比例尺地形测量提供新途径［4］。

（2）地籍测量技术。地籍测量是服务于土地管理工作的专业性测量。2015年国内学者对于自动化技术手段在地籍测量中的应用有一定研究，但是相对来说此领域相关研究较少且论文质量普遍不高。立足地籍测量现势性强的特点，将当前具有速度快、效率高等特性的车载激光扫描技术应用于地籍测量中，从而快速获取地籍测量所需信息，并且实现多种数据同时入库［5］。针对当前开展农村地籍调查与不动产登记的需求，探讨优于0.2 m分辨率航空影像的航测技术在农村地籍调查中的适宜性与可靠性，统计分析农村地籍量测的界址点所能达到的数学精度［6］。利用网络RTK进行控制测量不受天气、通视、地形的影响的特点，将网络RTK技术应用在城镇地籍测量，以克服单基站作业半径的限制问题，为测区建立精度较高的大地水准面模型提供便利条件［7］。

（3）动态监测技术。在动态监测技术方面，主要集中于“3S”集成技术和网络技术的应用研究。集成GNSS实时获取高精度空间信息和GIS空间分析功能，采用模糊评价方法对边坡稳定性进行综合评判，可实现对露天矿边坡的自动化实时监测［8-9］。

1.1.2土地信息技术

（1）土地信息采集技术。及时准确地获取农用地信息对耕地保护与缓解人地矛盾具有重要意义，因此土地覆盖信息监测和遥感提取方法研究受到国内学者的重点关注。针对城郊地区地物环境复杂导致的耕地信息提取不准确的问题，探讨多尺度分层的城郊耕地提取方法［10］。为提高农用地提取精度，获得精确的农田田块信息，提出基于三分量极化分解优化模型的农用地合成孔径雷达影像自动提取方法［11］，并开展不同作物覆盖条件下农用地信息提取试验研究。为实现水田与旱地的自动分类、快速提取，设计基于多时相遥感数据的农田分类提取方案［12］。

土地覆盖分类方法方面，国内学者多基于不同数据源，探索与对比土地覆盖分类的方法，以得到高精度的土地覆盖分类结果。利用多时相ALOS PALSAR数据发展基于多时相、多极化、干涉SAR数据的SVM土地覆盖分类方法，该方法可解决双极化SAR影像中林地与城市及建设用地的混分问题［13］。基于Radarsat-2影像利用极化目标分解提取参数图像的基础上，结合决策树分类器对内蒙古河套灌区解放闸灌域进行土地分类研究［14］。基于多时相HJ-1A/1B卫星图像对比分析最邻近分类法和以在特征知识库支持下的决策树分类法，结果表明在相同分割尺度下的决策树分类方法更加适合丘陵区水田的遥感识别［15］。利用MODIS NDVI影像数据提出顾及物候特征的喀斯特断陷盆地土地覆盖分类方法，为中国西南喀斯特断陷盆地区域的土地覆盖监测提供参考［16］。

（2）土地信息处理技术。在土地信息处理方面，重点关注多元影像数据融合与不同尺度数据综合技术。如何利用全色波段数据和多光谱数据进行融合以提高影像质量是目前遥感影像处理中最关键的一步，定量对比主分量变换法、彩色空间变换法、高通滤波法和小波变换法对ALOS全色和多光谱影像的融合精度［17］。为实现县级耕地分等数据高精度的汇总成省级耕地分等数据的要求，提出基于多属性集簇方法的耕地质量分等成果省级汇总技术体系，对加强耕地数量质量并重管理具有技术参考价值［18］。面向当前不动产统一登记需求，探索基于任务协同和不动产单元的房地登记数据整合方法，可实现房地登记数据高效集成［19］。为满足土地利用变化分析海量数据时空查询的需求，提出基于地理网格分区与HR树的时空混合索引方法，并验证了其在土地利用变化分析情境下的检索技术优势［20］。基于GeoSOT地理剖分格网框架建立地理空间大数据区域化存储管理的地理网络域名组织架构，为依托现代网络更好地组织和管理大数据提供新的解决思路［21］。

（3）土地信息可视化表达与系统开发。信息可视化是分析土地利用变化的重要手段，国内学者围绕土地覆被时空变化信息的可视化方法展开研究。为了将土地覆被变化监测信息进行可视化表达，利用地学信息图谱和地统计学相结合的土地覆被变化强度信息图谱凝练方法，可从微观角度定位展示土地覆被变化的空间差异［22］。基于土地利用、植被分布、地形以及遥感影像等时空数据制作1970—2005年新疆土地覆盖及其动态图，实现土地利用与土地覆盖数据空间的一致性［23］。基于Google Earth API 开发采煤沉陷区三维WebGIS可视化平台，为用户提供多源数据的管理、浏览、查询、叠加、三维漫游等功能［24］。

在土地信息系统开发方面，采用空间信息技术和数据库技术及时准确掌握土地利用的动态变化态势，以实现数据的快速更新和有效管理。基于ArcGIS平台从3S技术集成的角度构建耕地变化监测应用管理系统，为耕地变化信息的自动化获取和对变化信息的决策判断提供了系统框架支撑［25］。针对土地利用数据库更新规则复杂、不同更新类型与更新规则自动匹配困难等问题，基于多层感知器神经网络构建土地利用要素自适应更新模型［26］。为弥补现有土地定级、估价系统存在的不足，利用ComGIS组建技术研发基于ArcEngine的城镇土地定级估价信息系统，以规范城镇土地市场管理［27］。设计覆盖农村土地流转“现状—规划—拆迁—复垦—验收—交易—使用”7个核心环节的数字化监管系统，以提高政府土地流转监管水平［28］。

1.1.3土地整治工程

（1）土地整治规划设计。土地整治规划设计重点开展多目标下的技术方法研究。针对河谷型城市地域空间狭窄且完整性差的土地利用问题，探索其土地整治规划的编制与实施技术［29］。引入景观生态规划设计思想，同时强调土地整治过程中必须考虑区域差异性，探讨热带台地地区土地整治项目区规划布局与生态设计的技术方法［30］。为有效提升农业园区土地利用的综合效益，从土地利用规模化、经营现代化和生态景观管护三大目标提炼不同整治类型区现代农业发展的约束条件［31］，构建以土地高效利用为核心的现代农业园区规划设计体系［32］。

（2）土地整治潜力与效益评价。

相关研究主要从宏观尺度探讨多因素综合潜力测算方法。利用 Ward 系统聚类方法定量评判全国农用地整治潜力实施状态［33］，采用生态系统服务价值增加值表征耕地整治生态潜力，提出全国耕地整治生态潜力测算方法［34］，为全面了解全国耕地整治生态潜力的分布特点和未来耕地整治和生态保护的重点方向提供参考。为克服土地整治潜力传统测算方法的缺陷，从自然环境状况、经济保障能力和社会因素三方面对农村居民点整治理论潜力进行修正［35］，结合土地适宜性评价设计省级农村居民点不同整治模式不同潜力测算的技术方法［36］。

土地整治效益评价重点关注综合效益评价和绩效评价，而指标选取和指标体系构建是研究的重点。在综合效益评价方面，从指标量化、可持续指标设置以及指标在不同地区的共用性上构建农地开发整理效益评价指标体系［37］；充分考虑农民的意愿与需求，基于结构方程模型从农业效益、农村效益和农民效益三方面对土地整治项目效益进行评价［38］。在绩效评价方面，运用D-S证据合成理论探索不完全与不确定信息条件下农户视角的农地整治项目绩效评价［39］；构建适用于不同整治方向土地整治项目绩效评价体系［40］，并结合具体的土地整治项目进行分析论证。

（3）矿区土地复垦。矿区土地复垦研究重点围绕矿区土壤重构技术方面展开。引黄河泥沙充填复垦是矿区土地复垦领域的新工艺、新技术，针对传统充填物料数量的有限性和潜在的污染性，探讨引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的新技术［41］，试验模拟土工布在黄河泥沙充填复垦中的排水拦沙效果［42］，该技术在复垦土地的同时实现了黄河泥沙的资源化利用。针对现有高潜水位采煤塌陷土地稳沉后再复垦存在的弊端，模拟不同开采顺序下地表动态沉陷过程，提出可复垦出更多数量耕地资源的边采边复技术方案［43］。以上研究对高潜水位煤矿区耕地保护与粮食安全的保障具有积极意义。此外，探索生物技术对复垦区土壤的综合治理和改良作用，试验研究生物炭［44］、磷细菌［45］对采煤塌陷地土壤肥力的影响。

（4）农用地整治。农用地整治重点围绕土壤重构技术、土地平整技术及灌溉排水工程等方面展开研究。在土壤重构技术方面，针对土地整治中耕作层土壤不足现状，探讨基于供需平衡圈的丘陵山区耕作层剥离再利用空间配置思路与方法［46］，提出利用河流疏浚底泥作为耕作层土壤构建物料［47］。在土地平整技术方面，基于空间聚类方法划分平原旱作农区的土地平整单元区［48］，开发能够实现农田地势测量、基准设计及平整作业等功能的GNSS智能化精细平地系统［49］。针对性的研制用于土地精细平整的快装式精平机工作装置，如基于GPS技术的水田平地机［50］、激光自动控制精平机［51］，以提高土地平整的精度和效率，达到节水增产的效果；基于梯田稳固、田坎田埂占地和投资成本等因素，提出水平梯田参数设计优化方法［52］，探究典型梯田样区中的田坎设计参数，分析田面坡度与新增耕地数量的内在规律［53］，为中国低山丘陵区土地整治中的土地平整设计提供参考。在灌溉排水工程方面，围绕国家生态景观型土地整治战略，引入生态学和景观学理念，加强生态景观型灌排系统研究与设计，构建由田间、草沟、塘堰湿地和骨干沟“四道防线”组成的节水防污型农田水利系统［54］，设计由灌排合一生态环沟、生态景观型斗渠和斗沟组成的灌排系统［55］，同时围绕节水灌溉、控制排水设施的迫切需求，基于MMSD优化准则和空间退火模拟方法进行农用机井的空间优化布局［56］。

（5）城乡建设用地整治。2015年城乡建设用地整治研究主要围绕城乡建设用地增减挂钩和城中村改造展开，但是多集中在当前增减挂钩与城中村改造过程中问题探讨，关于城乡建设用地整治技术方法的研究没有涉及，说明在这些方面还没有形成比较完整的体系。通过大量的实证从生态效益、耕地占补平衡、农户利用耕地三个方面定量地辨析当前中国山区城乡建设用地增减挂钩项目的合理性［57］，以促进山区建设用地整治更加科学地推进。将城中村改造与新型城镇化建设相结合，探索提出新型城镇化背景下城中村改造的模式与策略［58］，以提高土地利用率，促进城市土地利用的可持续发展。

（6）退化土地改良技术。退化土地改良技术研究重点围绕盐碱化土地、沙化土地及污染土地进行有针对性的研究，植物修复、生物技术、工程措施及其联合应用在退化土地修复和治理中的研究不断增加。针对盐碱化土地，改变传统水利改良措施向下压盐的治理方法，研制从地下向上吸盐的盐碱地治理防护毯［59］；利用玉米秸秆夹层［60］改善盐碱地的土壤生物性状；为了减少滨海盐土地区原土改良绿化技术对客土的依赖，研究通过施用不同土壤改良物质和农艺措施相结合的技术对滨海盐土的改良效果［61］。针对沙化土地，在毛乌素沙地利用砒砂岩与沙两种物质的互补性，按照一定比例将砒砂岩与沙混合后复配成土造田取得成功［62］；在宁夏地区实地研究林木枝条翻埋与覆盖不同处理对沙化土壤的改良效果［63］，该技术在改善沙地农业生产条件的同时促进林木废弃物的资源化利用。针对污染土地，探讨粉煤灰原位修复应用工程技术对重金属污染农田的修复潜力，并利用植物实地种植甄别其修复效果［64］；将具有较强吸附性的砒砂岩作为修复剂应用于晋陕蒙地区土壤重金属污染修复治理［65］，该技术在修复土壤污染的同时实现砒砂岩的资源化利用。

1.2国外研究进展

2015年国外对土地工程与技术研究以土地复垦为核心，紧紧围绕“人与自然和谐共存”的发展理念，强调土地信息技术在促进经济发展与维护生态平衡方面的突出作用，深入阐述矿区土地复垦工程技术创新与成果应用，以期为区域协调发展与生态和谐稳定提供必要的支持。

1.2.1土地测量 无人机摄影测量数据与RTK、GPS数据的精度非常相似，该技术以其高机动性、高分辨率、高度集成、低成本等优势广泛应用于在制作地图，测量及各种工程应用［66］。对比分析从卫星和等高线得到的DEM数据，结果表明航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）数据和先进星载热发射和反射（ASTER）数据具有较高的精度，并且在本质上与从等高线获取的数据没有太大区别；从卫星得到的DEM数据的垂直精度主要取决于地形的精糙度和植被类型，在没有其它可用的DEM数据时，SRTM和ASTER可用于热带地区的地貌分析［67］。

1.2.2土地信息技术 研究基于TerraSAR-X和Landsat ETM的图像融合方法，对比分析高通滤波方法、主分量变换法及小波变换法下图像的融合精度［68］。为了克服利用统一分类模型难以有效提高土地利用分类精度的问题，将分层信息提取法和基于知识规则的信息提取方法相结合，基于矢量地理数据和遥感影像数据设计土地信息分层提取的流程，并利用该方法对加拿大弗雷德里顿市都市区的土地利用/土地覆被信息进行提取［69］。为满足科学研究和管理对高精度土壤时空信息的需求，构建非洲数字土壤图数据库［70］，该数据库内容涵盖土壤有机质、pH、含沙量、交换性盐基等土壤质量信息，可用于了解土壤质量现势状况及预测土壤质量变化。利用GIS和RS技术量化厄瓜多尔西部雾林过去35年土地覆盖变化及其对两栖动物种类和数量的影响，划定两栖动物的优先保护区域［71］。

1.2.3土地整治工程 生物炭作为一种可以改良土壤物理化学性质、提高生物活性的材料，开展不同类型生物炭与堆肥处理对澳大利亚北昆士兰地区土壤有机质、持水性、农作物产量及温室气体排放的影响［72］；利用同位素稀释法测定施加粗木质残体对土壤氮素的总转化速率和净转化速率的影响，认为粗木质残体能够提高复垦土壤氮素的利用率，从而缩短土地复垦周期［73］。注重植物与微生物的联合修复作用，根据植物品种在土壤不同的物理和化学条件下对土壤重金属的稳定化作用，强调土壤修复过程中微生物的重要作用，提出植物—有机物质联合使用的稳定化修复技术［74］。

2　2015年国内外土地工程与技术重点问题对比

通过总结2015年国内外学者在土地工程与技术领域的研究结果发现，国外的研究重点存在重合，由于社会经济发展阶段、自然禀赋、科技水平、文化氛围等条件有所不同，研究具体内容和思路方法存在一定差异。对比国内外土地工程与技术领域研究的重点问题，有以下几方面异同：第一，在土地测量方面，国内学者研究集中于新型技术手段在地形、地貌、地籍测量及动态监测上的应用；而国外学者则将研究重心放在多种土地测量方法的对比优选研究。第二，土地信息技术是国内外学者共同关注的主题，国外学者持续优化获取土地利用变化信息的新技术，且侧重于利用先进的信息技术实现宏观尺度的土地利用覆盖研究；国内学者多从实际工作中存在的问题出发，着重研究适合中国不同区域土地资源管理需求的土地信息技术。第三，在土地工程技术方面，国外学者的研究多集中在土地复垦领域，并坚持以“人地协调”与“人地共存”为发展理念，强调土地利用的可持续性，探讨不同土地复垦技术对生态环境的影响；国内学者的研究则从保护耕地的视角出发，基于目前土地资源利用的现实问题，探索面向区域与对象的土地工程技术，更注重应用性。

3　2016土地工程与技术领域研究展望

3.1主要科技需求

纵观2015年，中国中央、国务院印发的《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》，《意见》围绕“建设现代农业，加快转变农业发展方式”，提出“实施耕地质量保护与提升行动，全面推进建设占用耕地剥离耕作层土壤再利用”等。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》提出：“促进新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展”，“大规模推进农田水利、土地整治、中低产田改造和高标准农田建设”，“推进城镇低效用地再开发和工矿废弃地复垦，严格控制农村集体建设用地规模，探索实行耕地轮作休耕制度试点”等。此外，国务院批复同意《全国基础测绘中长期规划纲要（2015—2030年）》，明确了2015—2030年全国基础测绘的发展目标和重点任务。这一系列的重大决议意见的颁布实施，均对土地工程与技术提出了新要求。

3.2重点问题研究

在2015年土地工程与信息技术领域研究进展的基础上，结合国家主要科技需求，展望2016年土地工程与技术的重点研究领域，包括：（1）推进土地测量技术研究。目前高质量水平的土地测量技术与方法相关研究较少，难以支撑土地登记尤其是农村集体土地确权登记等工作的需要。为确保确权工作的准确性、时效性及权威性，需立足保证土地测量成果精度的基础上，研究3S、摄影测量和三维激光扫描等先进手段在土地测量中的应用。（2）加强土地信息技术研究。目前土地信息技术有了较大发展，但还存在数据源和数据质量难以保障、数据存储与管理不完善、数据集成共享程度低等问题，需发挥“3S”技术、模型模拟与专家决策系统支撑作用，创新土地利用动态监测数据快速获取技术，加快时空多维信息的数据表达与时空分析技术的发展，研发支持多源、多尺度、多类型土地信息集成应用的软件平台，以实现对土地资源态势、过程与决策研究的定量化、可视化和动态化。（3）创新土地整治工程研究。工程技术是贯穿土地工程与技术研究的主线，针对当前土地资源的地域性、稀缺性、退化性、低效性等问题，重点围绕土地整治、土地复垦与退化土地改良，创新发展面向区域、对象与问题的关键技术，研制土地整治工程综合集成技术，推进特定土地资源类型的有效整治，促进产能提升、功能优化，为土地资源数量管理、质量管控和生态管护提供强有力的科技支撑。

3.3《中国土地科学》重点方向关注

《中国土地科学》在土地工程与技术领域将重点关注：地籍测量技术研究，基于3S、大数据、互联网的土地信息技术创新与应用，面向现代农业发展要求的农村土地综合整治技术，矿区土地复垦技术革新等方面。

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（本文责编：陈美景）

Progress Review on Land Science Research in 2015 and Prospects for 2016: Sub-report of Land Engineering and Technology

HU Zhen-qi， RONG Ying， FU Ya-jie， LIANG Yu-sheng
（Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration， China University of Mining and Technology， Beijing 100083， China）

The purpose of this study is to summarize the research progress on land engineering and technology in 2015 and give perspective in 2016， which provides a reference for future study on land science. The methods used include literature review and deductions. The results indicate that most researches on land engineering and technology in 2015 focused on land surveying， land informationand technology， land consolidation engineering. It is concluded that further studies will pay more attentions to the issues which involves development of cadastral surveying technology， innovation of land information and technology， intensification of rural land integrated consolidation engineering as well as reinforcement of land reclamation technology of land engineering and technology.

land consolidation； land surveying； review； land engineering； land information； research progress

F301.2

A

1001-8158（2016）03-0088-09

10.11994/zgtdkx.20160317.142820

2015-12-30；

2016-02-18

国家自然基金煤炭联合重点支持项目（U1361203）。

胡振琪（1963-），男，安徽五河人，教授，博士生导师。主要研究方向为土地整治、土地复垦与生态重建。E-mail: huzq1963@163.com