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全球地表覆盖遥感制图

/global land cover mapping with remote sensing/
条目作者陈军

陈军

最后更新 2022-12-23
浏览 180
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中国完成的全球30米分辨率地表覆盖数据产品项目。

英文名称
global land cover mapping with remote sensing
所属学科
测绘学

地表覆盖是指地球表面各种物质类型及其自然属性与特征的综合体。其空间分布及其变化反映着人类社会经济活动过程,决定着地表的水热和物质平衡,影响到生物地球化学循环,改变着陆地-大气的水分、能量和碳循环,以至引起气候变化。地表覆盖的地理空间分布及其随时间的变化,是资源调查分析、环境变化研究、地球系统模拟、地理国情监测、可持续发展规划等不可或缺的重要基础信息和关键参量。其获取技术手段主要是利用航天、航空遥感影像中蕴含的丰富光谱和纹理及时相特征,结合各种参考资料和知识,采用数理统计、交互解译等方法,进行地表覆盖制图,提取其类型、比例等分布及变化信息。

20世纪90年代以来,对地观测、信息处理等技术飞速发展,地表覆盖遥感信息提取能力逐步增强,多尺度地表覆盖数据产品不断涌现。美国、中国、加拿大、巴西、印度、澳大利亚等国研制了覆盖全国的多分辨率地表覆盖数据产品。大洲尺度的地表覆盖数据产品有欧盟环境署(EEA)研制的100~250米分辨率Corine数据集,北美250米分辨率NALCD数据集、南美及加勒比海500米分辨率以及南美2010年30米分辨率数据集。

在全球尺度上,全球地表覆盖产品的空间分辨率已从最初的1°逐步提高到8千米、1千米和300米。其中,美国和欧盟曾利用包括NOAA/AVHRR、MODIS在内的粗空间分辨率(250米~1000米)航天遥感资料,研制了6套空间分辨率为300米或1000米的粗分辨率全球地表覆盖数据产品。这些产品为全球变化研究、地球系统模式模拟等提供了重要科学数据,但用户普遍认为其空间细节不够、分类精度不高,不同产品之间一致性较差,远不能满足日益增长的应用需求。

2010年11月,国际对地观测组织(GEO)将更高分辨率全球地表覆盖数据产品提上议事日程。美国、中国等陆续研制出一批30米空间分辨率的全球数据产品。最具代表性的数据成果是美国马里兰大学研制的2000-2012年全球30米森林覆盖及增减数据集和中国研制的GlobeLand30。其中GlobeLand30覆盖全球陆域,含水体、人造覆盖、耕地、森林等10个一级类,被联合国有关机构评价为世界上首套高分辨率全要素全球地表覆盖数据产品和全球性的重要基础数据。2014年9月23日,中国政府领导人将其作为献给世界气候峰会的礼物,捐赠给联合国,供国际社会共享使用,以支持全球应对气候变化和可持续发展。这被国内外同行专家誉为中国“对国际社会的又一重要贡献”“对地观测与地理信息开放共享的里程碑”。

一般说来,人类大多数土地利用活动及所形成的地表覆盖格局可在30米卫星遥感影像清晰地反映出来,30米空间分辨率被公认为对整个地球进行宏观和中观研究的最佳尺度。但从全球尺度看,将地表覆盖遥感制图的空间分辨率从以往的300米提高到30米,涉及上万景遥感影像的海量信息处理,更面临着全球尺度带来的世界性科技难题,包括:①云雾、地形阴影、硬件故障等造成的影像缺陷(或信息缺失)较为普遍,难以实现高质量影像的全球时空连续覆盖并直接影响分类提取的精度。②全球“同物异谱/异物同谱”现象极为严重,现有影像分类和变化检测算法在大范围工程化应用中应用效果较差,无法满足大范围地表覆盖高精度提取的要求。③产出高质量数据产品涉及的技术因素繁多、过程复杂,单期高精度和多期时空一致性的实现难度更大。研制高质量、全要素30米全球地表覆盖信息产品,是困扰国际科技界的一大难题。

在国家863重点项目的支持下,国家基础地理信息中心联合北京师范大学、清华大学、中科院遥感所等18家单位,开展了全球地表覆盖遥感制图关键技术研究:①研发了全球30米影像重建技术,形成了批量数据自动辐射校正/几何校正和缺失数据修补及多时相重建的能力,实现了高质量影像资料的全球覆盖。②提出了基于像元-对象-知识(POK)的分类提取方法,有效降低了“同物异谱、异物同谱”等造成的分类及变化检测误差;③科学设计了面向地表覆盖工程的过程质量关键技术指标与控制流程,建立了面向地表覆盖遥感制图工程的质量控制体系,发展了基于多元知识的检核优化方法,保证了数据产品的高质量与全球一致性。

GlobeLand30包括10个地表覆盖类型,分别是:耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。为了客观评价GlobeLand30-2010数据的分类精度,由上海同济大学、中科院、农科院、林科院等单位组织,采用空间数据二级抽样检验方法进行了第三方精度评价。第一级为图幅抽样,以“图幅”为抽样单元。第二级为要素抽样,以“图幅内空间分类要素”为抽样单元。通过计算每一级抽样单元需要抽取的样本量,结合空间变异性分析来合理布设样本,以相当数量的样本来检验地表覆盖分类的准确性。全球共抽取80个图幅,超过15万个检验样本进行精度评估,GlobeLand30-2010数据的总体精度为83.50%,Kappa系数0.78。其中,水体精度最高,达到92.09%,其后依次是森林、人造地表、耕地、湿地、裸地、草地、永久积雪和冰川、灌木地。

与此同时,国际相关学者陆续开展了针对GlobeLand30的精度评估研究。如希腊专家在国际刊物Lands 2015年第4期发表文章,介绍了在希腊Thessaly地区用地面资料和0.5米影像判读结果作为参考数据,对GlobeLand30及其他较低分辨率地表覆盖数据进行了对象级比较,得出GlobeLand30与参考数据的一致性为91.9%,而其他粗分辨率则精度低得多。意大利专家在国际刊物Remote Sensing 2015年第7期报道了GlobeLand30所做的精度评价,称在意大利全国范围内总体精度均高于80%。

此外,2015年底中国与GEO秘书处合作,联合有关国家和组织,在国际上发起了全球30米地表覆盖数据产品验证。有非洲十国、欧洲五国、美洲两国等十多个国家完成了典型区域的精度评价,总体精度在80%以上。

为了促进全球地表覆盖数据的共享与服务,推动其在不同领域的广泛应用,提出了全球地表覆盖的服务计算模型,研制了30米全球地表覆盖信息服务平台,向用户提供数据浏览、下载、在线统计和验证等服务(

Http://www.globeland30.com)。

自2014年9月底至2018年10月,已有来自中国、美国、德国、加拿大、意大利等近140个国家的上万名用户下载了GlobeLand30数据。数据广泛用于全球环境变化研究、地球系统模式研究、可持续发展规划、灾害管理等诸多领域。

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