塞罕坝遥感应用野外实习基地的建设

刘雪萍，郑成洋，蒙吉军

塞罕坝遥感应用野外实习基地的建设

刘雪萍1,2,3，郑成洋1,2，蒙吉军1,2

（1. 北京大学 城市与环境学院，北京 100871；2. 北京大学 地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871；3. 北京大学 人地系统与环境遥感实验室，北京 100871）

遥感野外实习是巩固遥感课程理论知识、扩大学生视野、提高学生解决实际问题能力的重要途径。塞罕坝地理环境具有多样性、完整性和独特性，是建设遥感应用野外实习基地的合适场所。通过设备准备、资料收集、数据整理及实习路线、样地和观测点选择等多方面建设，使基地具备开展地貌、植被、土地利用等多种地学要素野外遥感实习的条件，达到实习基地的建设目标。其中遥感应用实习数据平台建设，对满足学生主动学习、师生教学互动需求将发挥重要作用。

遥感应用；野外实习基地；塞罕坝

随着我国航天技术发展和国产卫星不断发射运行，卫星遥感应用领域不断扩大，在资源调查、环境监测、生态建设、农林业发展、基础设施建设和国防建设中发挥了越来越重要的作用[1-6]。遥感技术及应用是高校地学专业学生培养的重要内容，从20世纪80年代开始已逐步在各高校地学相关院系相继开设[7]，为培养遥感应用人才发挥了重要作用。野外实习是地理教学中非常重要的部分[8-9]，与课堂上理论和概念讲授相结合，能够提供多种不同地理模式的实验机会[10]，再加上与遥感影像的相互验证和补充，有利于提高学生的学习兴趣和动手能力。

遥感教学具有很强的实践性和操作性，但是在国内外教学中，遥感课程主要是计算机遥感图像处理，野外实践训练相对薄弱[11]，缺少系统性的遥感野外实习基地。因此，建立遥感应用野外实习基地，系统性、常规性地开展遥感应用野外实习，对提高遥感教学效果、增强学生创新能力非常必要[12]。遥感野外实习基地的选址需遵从地理单元的多样性、典型性和代表性，资料积累的丰富性，交通距离的可达性，以及基础设施的便捷性等原则。经过比较，选择位于河北北部围场满族自治县的塞罕坝林场作为我校遥感野外实习基地。

1 塞罕坝概况

塞罕坝遥感野外实习基地（以下简称塞罕坝基地），地处河北省围场县、内蒙古克什克腾旗和多伦县接壤地区（见图1），距北京500 km。基地以塞罕坝机械林场为中心，东至大光顶子山，西到御道口牧场，南临坝缘山地，北接内蒙克什克腾旗，面积约5000 km2。

图1 塞罕坝基地的地理位置

1.1 地貌与水文

塞罕坝基地位于内蒙古高原和大兴安岭山系与冀北山地交汇处，是燕山山地向内蒙古高原的过渡地区。随着数次地壳抬升运动，特别是燕山运动和新生代喜马拉雅运动，使该地区不断上升和隆起，形成了海拔1300~1500 m的夷平面——坝上，这是内蒙古高原东南缘白水台—老窝铺山地（海拔1700~1900 m）的一条重要的地貌界线。山地以北称为坝上，属于内蒙古高原（海拔1300~1400 m）的一部分，山地以南称为坝下，属于冀北山地（海拔900~1600 m）的一部分[13]。山地与高台地、波状高平原、丘陵和沙地为塞罕坝主要的地貌类型。

塞罕坝隆起的坝上是滦河与辽河的分水岭，基地主要位于滦河水系。这里是滦河主要支流的发源地。北部的吐里根河自东向西，汇入滦河；西面的小滦河是滦河的上游；伊逊河发源于围场，自北向南贯穿塞罕坝坝下，在承德汇入滦河；在塞罕坝机械林场南门连接金莲映日湿地的河流是由东向西的撅尾巴河，向西面汇入滦河。图2遥感图像是Landsat8 B732彩色合成的，图像扫描时间是2016年8月9日。图中隐含了植被影响，而突出了区域地貌特征：由河谷形成的线状水系结构形成了区域河流地貌，自西南向东北的山脊线是坝缘，明显区分了山地与内蒙古高原过渡地带；图像左侧西北方向的斜带显示出由西北向风蚀沙地形成的沙丘格局。

图2 塞罕坝实习区遥感卫星影像

1.2 气候

塞罕坝属于我国北方半干旱半湿润气候区，位于我国境内三条全球变化样带交汇处[14]，是全球变化研究的关键区域[15]，是暖温带向温带、亚湿润向亚干旱气候过渡地带，年平均气温–1.2 ℃，年降水量450 mm。由于地势高亢，冬季漫长而寒冷，春季短促，夏季不明显。受地貌格局的影响，气候分异呈明显的3个阶梯形带状格局：坝下山地年平均气温5~6 ℃，为亚湿润温和气候带；坝缘山地年平均气温–2 ℃，为亚湿润高寒气候带；坝上地区年平均气温–1.2~ –1.4 ℃，属于中温带亚干旱区气候。塞罕坝冬季受蒙古高压控制，严寒而漫长，一月平均温度达到–19 ℃；夏季凉爽，由于受东南季风的影响，降水丰沛，多年平均降水量达430 mm，集中在7、8月份，最高气温一般不超过25 ℃[16]。

1.3 植被

依据中国植被带类型划分，塞罕坝基地处于温带落叶阔叶林向温带草原过渡带，森林带与草原带交错出现。受地貌和气候的影响，地带性植被有阔叶落叶林与草原，落叶阔叶林的典型树种有蒙古栎树、白桦林和油松林；草原则为高平原草甸草原和沙地榆树疏林草原，主要植被有贝加尔针茅草（）、羊草（）、苔草（.）等。非地带性植被包括亚高山草甸、高寒沼泽和人工林。在20世纪60年代，塞罕坝林场种植了大面积的人工落松林和樟子松林，成为我国最大的人工林种植基地，改善了区域生态环境[17]。图3是塞罕坝遥感卫星图像，由Landsat8 B752彩色合成，图像扫描时间是2016年8月9日。中间紫色斑块是塞罕坝机械林场区域，可以明显看到区域内丰富的植被分布，深绿色斑块的人工林、深色斑块加杂的略浅绿色为阔叶林，浅绿色平滑斑块是草原等。

图3 塞罕坝遥感卫星图像

1.4 土地利用

由于塞罕坝基地地处农牧交错带，除建设用地外，林地、农业用地和牧业用地是土地利用的主要类型。坝下以南以农为主，农林结合，自然林较少，人工林为主；坝上以草地、林地为主，除天然的落叶阔叶林外，栽种了大面积的落叶松和樟子松林，森林覆盖率高。坝上吐力根以西属于内蒙古高原，牧业为土地利用的主要类型。建设用地是林场办公管理用地和近年来建设的旅游服务设施。

综上所述，塞罕坝除特殊而适宜的地理位置外，还具有地学要素的丰富性、完整性和独特的自然环境，是进行遥感应用实习的优越场所。

2 基地建设目标

塞罕坝遥感应用野外实习基地建设目标是，经过数据积累和地学分析与研究，开拓适合遥感和地学野外教学的空间，在GIS和互联网技术支持下，建立一套内容丰富、应用灵活、操作简单和可扩展的塞罕坝遥感应用野外实习数据平台，建成遥感数据丰富、基础资料齐全、实习方案完备、实习内容广泛、信息化程度高，且具有良好的实习环境和保障条件的野外实习基地。

3 基地建设的主要内容

3.1 基础资料建设

收集和整理塞罕坝基地气象气候资料、地质与地貌资料、土壤数据、植被数据、土地利用数据以及社会经济数据等资料，构建基础资料数据库，为实习教学提供基础资料。

3.2 遥感数据建设

收集整理和购置多平台、多时相、多分辨率遥感数据。基础图像采用分辨率为10~20 m的新近多光谱遥感影像。历史数据包括1970年代、1980年代、1990年代、2000年代、2010年代的卫星遥感数据，为遥感实习对动态变化的研究提供资料。遥感影像的分辨率包括500 m、60 m、30 m、10 m、2 m等，不同分辨率的遥感影像能从不同尺度了解遥感解译的特征与能力。反映现状的最新遥感影像以下载国产遥感卫星数据为主要来源。此外，还应注意收集和整理微波遥感数据、红外遥感数据、高光谱遥感数据等类型数据。

3.3 设备建设

现场采集数据对遥感验证、图像对比及理解环境遥感物理基础理论非常重要[18]，也是开展遥感应用实习的主要内容。主要设备有地物野外光谱仪、GPS记录仪、样方条等，用于对区域内各类地物进行测量、样地定位、植物记录、土地利用记录等。

3.3.1 便携式地物光谱仪

地物光谱是地表遥感信息的基本内容，也是区分地物类型的重要依据。在遥感应用野外实习中，地物野外光谱仪是必备设备。利用地物光谱仪测量植被、水体、土壤的反射率等光学参数，使学生了解各类地物的光谱特性，加深遥感物理关于地物光谱特性的理论知识，并与卫星获取的遥感信息进行比对，提高分辨地物的能力。野外光谱仪采用ASD FieldSpec 公司的Handheld 便携式分光辐射仪，能快速、精确获取地表反射率、辐射量度和辐射照度等。

3.3.2 GIS记录仪

通过BDS（北斗卫星）、GPS（美国卫星）和GLONASS（俄罗斯卫星）多种卫星定位地理空间信息，包括地点位置、路线、区域范围多边形等，记录的信息带有地理坐标，可直接输入GIS系统（地理信息系统）。根据实习内容分组，每个实习小组至少一个位置记录仪。

具体设备包括佳明GPS、华测公司的GIS数据采集器、彩途公司的测亩仪等。

3.3.3 其他设备

包括数码相机、采集植物标本夹、样地标尺等。

3.3.4 基地的基础数据采集设备

小型气象观测站、无人机等设备根据经费条件配置。

3.4 遥感应用实习内容设计

在塞罕坝遥感野外实习基地，主要开展地貌、植被、水环境、生态、土地利用等遥感应用实习。

3.4.1 地貌遥感实习

采用实习线路与观测点结合的方式进行地貌遥感实习。进行实地调查前，先进行遥感图像的初步解译，在小比例尺的遥感图像上，判读地貌主要类型，如平原、山地、丘陵、河流，以及大的地貌形态特征，如风沙地貌、火山地貌、山地地貌、流水地貌。实习路线选择地貌类型丰富的区域和路径最短的地方。在地貌观察点，能看到区域的地貌现象和特征，了解到区域地貌形成、演变的过程和各种地貌类型的界限，引导学生对比遥感图像深入进行区域地貌解译。

3.4.2 植被遥感实习

采用实习线路和样地观测的方式。实习线路选择植被类型根据地貌变化具有地带性的路线，沿路调查了解植被与自然地理环境的关系及自然地理对植被变化的影响，记录植被类型。样地选择有代表性的植被覆盖区，观测植被内部的结构参数，包括盖度、高度、植物种类、优势植物等，测量样地高光谱曲线，获取植被样地的可见光、近红外的光谱特性，使学生了解植被遥感依赖于植被叶片和植被冠层的光谱特征，并与遥感图像进行对比。

3.4.3 土地利用遥感实习

采用区域调查与路线调查结合的方式，利用不同分辨率和多时相遥感图像，进行土地利用类型的遥感影像判读。在遥感图像上直接表现的是土地覆盖，而不是土地利用类型。通过在实习区的实地调查，明确土地利用类型、土地覆盖类型在遥感图像上的表现形式，并了解多时相遥感图像获取土地利用变化过程的方法，引导学生编制一个区域土地利用遥感调查图，利用GIS技术量算、分析实习区土地资源的数量结构及空间格局。在实习区分别选择耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域、未利用土地等展开调查。按照土地利用分类系统，分小组选择不同的一级类型，开展该一级类型下的二级分类的详细调查，以此使学生了解遥感土地利用调查的方法和技术。收集和调查行政区域内人口、GDP及土地权属关系，结合地貌遥感调查、植被遥感调查的结果，进一步了解土地资源的自然条件、农牧业生产概况。

3.5 遥感应用实习数据平台建设

互联网技术和信息技术的迅速发展为遥感应用野外实习提供了新的手段和思路。将地理信息与互联网技术相结合，建立遥感应用野外实习数据平台，对实习区的遥感图像、地理信息、教学视频、实习点照片进行汇总，分门别类建立数据库，提供查询、表达、下载、浏览阅读、虚拟现实的功能。这样可减少由于学生多、教师少、实习时间有限、讲授任务重，以及天气、交通、住宿、经费等方面的不利影响，提高实习教学的灵活性和丰富性水平。

围绕塞罕坝遥感应用野外实习的专题需求，以地理信息系统GIS为支撑，建立一套内容丰富、应用灵活、操作简单及可扩展的塞罕坝遥感应用野外实习数据平台，包括多尺度空间数据库系统、专题遥感数据库系统、文献数据库系统、区域自然及经济数据库系统、实习任务数据库系统、教学视频与图片数据库系统、实习成果数据库系统、实习体会心得数据库系统等。

实习数据平台可在电脑和手机上观看，有利于促进学生参与及互动交流，有利于自主学习、过程监控、信息服务、实习指导、遥感实习预习、验证和综合分析能力的提升。

遥感应用野外实习数据平台的建立，为新型教学形式提供了资源和技术手段，为进一步开展翻转课堂（flipped classroom）、幕课（MOOC）等提供了有利条件。

4 结语

遥感应用野外实习基地建设为加强实践教学提供了重要条件，是遥感学科建设和地理学科建设的有机组成部分。塞罕坝是气候和生态的过渡区域，地貌、气候、植被等自然资源丰富，地域广阔，可根据教学内容和实习时间，选择可长可短的遥感应用野外实习项目，具有灵活性和可扩展性，是开展遥感应用野外实习的适合区域。

实习基地的建设涉及硬件和软件等多个方面，主要包括遥感仪器、遥感图像、区域地理信息资料、实习路线、样地和观测点，以及遥感应用实习数据共享平台等，从而保障遥感应用野外实习的顺利进行。实习基地与科研野外生态站结合，减少了实习基地在管理、设备和资源上的困难，保障了野外实习的顺利开展，为开展地貌遥感、植被遥感、土地利用遥感等方面的实习教学奠定了基础。

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Construction of field practice base for remote sensing application in Saihanba

LIU Xueping1,2,3, ZHENG Chengyang1,2, MENG Jijun1,2

(1. College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Key Laboratory of Surface Process Analysis and Simulation of Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China; 3. Laboratory for Human Earth System and Environmental Remote Sensing, Peking University, Beijing 100871, China)

The field practice of remote sensing is an important way to consolidate theoretical knowledge of the Remote Sensing course, expand students’ vision and improve their ability to solve practical problems. Saihanba geographic environment has diversity, integrity and uniqueness, which is a suitable site for the construction of field practice base for remote sensing. Through the equipment preparation, data collection, data collation and practice route, sample plot and observation point selection, the base has the conditions to carry out field remote sensing practice for geomorphology, vegetation, land use and other geo-elements, so as to achieve the construction goal of the practice base. Among them, the construction of remote sensing application practice data platform will play an important role in meeting the needs of students’ active learning and interaction between teachers and students.

remote sensing application; field practice base; Saihanba

G642.44

A

1002-4956(2019)07-0214-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.052

2019-01-07

北京大学本科教学改革项目“遥感地学应用实习实践基地”

刘雪莲（1961—），女，浙江杭州，硕士，教授级高级工程师，主要从事遥感与地理信息系统应用教学与科研、教学信息化工作.E-mail: liuxp@pku.edu.cn