廖安平,彭 舒,武 昊,陳利軍,張委偉
(國家基礎(chǔ)地理信息中心,北京100830)
地表覆蓋數(shù)據(jù)對預(yù)測減災(zāi)減少損失、監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)、人類健康與服務(wù)、保持生物多樣性等至關(guān)重要。我國于2010年正式啟動(dòng)“863”重點(diǎn)項(xiàng)目“全球地表覆蓋遙感制圖與關(guān)鍵技術(shù)研究”,項(xiàng)目目標(biāo)之一就是研究覆蓋全球的30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)。由中國首次研制全球兩期30 m地表覆蓋數(shù)據(jù),是我國在相關(guān)領(lǐng)域首次獨(dú)立開展全球尺度研究,與國際同類研究相比處于領(lǐng)先地位。
項(xiàng)目以“多源影像最優(yōu)化處理、參考資料服務(wù)化整合、覆蓋類型精細(xì)化提取、產(chǎn)品質(zhì)量多元檢核”為主線開展總體研究,實(shí)現(xiàn)了包括國產(chǎn)衛(wèi)星資料在內(nèi)的多源遙感資料的最佳覆蓋、地表覆蓋各種參考資料的最大限度整合、計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類與專家知識的有機(jī)結(jié)合和產(chǎn)品質(zhì)量的有效檢核等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,依托生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范體系、全過程質(zhì)量控制手段和支持環(huán)境,通過30 m地表覆蓋產(chǎn)品和技術(shù)設(shè)計(jì)、多源影像資料收集整合處理、分區(qū)按類型地表覆蓋數(shù)據(jù)提取組織實(shí)施及數(shù)據(jù)產(chǎn)品集成與優(yōu)化,構(gòu)建了工程化的30 m全球地表覆蓋遙感制圖生產(chǎn)體系,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的產(chǎn)品指標(biāo),完成了2000和2010兩個(gè)基準(zhǔn)年的30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品研制。通過精度評價(jià),該套數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類精度達(dá)到80%以上[1]。該生產(chǎn)體系的構(gòu)建為開展較高分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品研制、細(xì)化、更新奠定了基礎(chǔ),為開展大規(guī)模遙感影像信息提取、表達(dá)和應(yīng)用起到了示范作用。本文將介紹相關(guān)工作開展情況。
國際社會高度重視全球高分辨率地表覆蓋遙感制圖,并將其列入議事日程,但一直停留在概念討論、技術(shù)研究及小范圍試驗(yàn)階段,尚無國家或組織開展全球30 m地表覆蓋全類型遙感制圖。究其原因,主要是其涉及因素多、技術(shù)難度大、人員投入高。全球兩期30 m地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品研制工作量巨大,為保障數(shù)據(jù)精度需要投入大量人力和較長研制時(shí)間。為保障全球地表覆蓋遙感產(chǎn)品的研制精度,按照工程化產(chǎn)品生產(chǎn)的方法建立工藝流程體系,實(shí)現(xiàn)“方法可操作、精度有保障、效率可承受”,保障產(chǎn)品研制工作能夠順利實(shí)施。
(1)細(xì)化分類方法規(guī)范數(shù)據(jù)研制
如何實(shí)現(xiàn)相關(guān)的分類方法能夠在每類型、每景影像上正確實(shí)施,需要對分類方法與流程進(jìn)行細(xì)化,使之能夠可操作、精度有基本保障。因此研究制定每個(gè)單類型提取的可操作的分類方法與流程,是支撐規(guī)?;a(chǎn)品研制的前提。在每個(gè)單類型提取前,需要根據(jù)影像、參考資料特點(diǎn),開展單類型分景提取試驗(yàn),細(xì)化方法、流程、技術(shù)指標(biāo)與質(zhì)量控制參數(shù),制定技術(shù)規(guī)定等規(guī)范性文件,保障眾多產(chǎn)品研制人員能按照統(tǒng)一、規(guī)范的要求開展規(guī)?;a(chǎn)品研制工作。
(2)建立過程質(zhì)量控制保障分類結(jié)果精度
全球地表覆蓋產(chǎn)品研制的成敗在于數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量。任何一種分類方法,如果不進(jìn)行人機(jī)交互編輯處理,其分類結(jié)果的精度會非常有限,高精度結(jié)果只能在影像特別好的情況下取得。因此,要提高地表覆蓋的分類質(zhì)量,需要在選擇合適分類方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)交互處理,利用人的知識和經(jīng)驗(yàn)改正分類方法帶來的錯(cuò)誤,需要通過構(gòu)建全過程質(zhì)量控制保障分類結(jié)果的質(zhì)量。
(3)構(gòu)建支撐環(huán)境提高產(chǎn)品研制效率
提高生產(chǎn)效率,更好地發(fā)揮人機(jī)交互的優(yōu)勢,以減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,才有可能真正實(shí)現(xiàn)分類結(jié)果質(zhì)量的提高,確保數(shù)據(jù)研制的周期與進(jìn)度。本文將整個(gè)產(chǎn)品研制技術(shù)流程進(jìn)行了細(xì)化分解,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢,通過構(gòu)建全球地表覆蓋集成化的信息服務(wù)平臺,開發(fā)有效的工具,以解決數(shù)據(jù)研制影像資料處理、類型精細(xì)化提取、開展知識化檢核及產(chǎn)品集成等過程中沒有可用的軟件工具問題。
構(gòu)建了包括總體技術(shù)、影像資料處理、類型提取、質(zhì)量控制與評價(jià)在內(nèi)的工程化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,其中3項(xiàng)總體技術(shù)規(guī)范包括《全球地表覆蓋遙感制圖總體技術(shù)方案》《全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)定》《全球地表覆蓋分類體系需求分析與研制報(bào)告》;3項(xiàng)影像資料處理技術(shù)規(guī)范包括《全球30 m分辨率遙感影像幾何糾正技術(shù)規(guī)定》《30 m分辨率全球遙感影像輻射處理技術(shù)規(guī)定》《全球地理生態(tài)分區(qū)技術(shù)方案》;7項(xiàng)類型提取技術(shù)規(guī)范包括《全球地表覆蓋遙感分類樣本抽樣方案》《全球地表覆蓋遙感制圖水體提取與集成技術(shù)規(guī)定》《全球地表覆蓋遙感制圖濕地提取與集成技術(shù)規(guī)定》等;3項(xiàng)質(zhì)量控制與精度評價(jià)技術(shù)規(guī)范包括《全球地表覆蓋分類產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)方案》《全球地表覆蓋遙感制圖過程質(zhì)量控制方案》和《全球地表覆蓋遙感制圖質(zhì)量管理辦法》。
高質(zhì)量的地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品離不開嚴(yán)格的質(zhì)量控制,受資料、經(jīng)驗(yàn)、人員等諸多因素的影響,研制出高質(zhì)量的地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品難度非常大。通過借鑒測繪產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量控制體系建立起的過程質(zhì)量控制措施主要包括:單類型提取的過程質(zhì)量控制,數(shù)據(jù)集成中的一致性處理及基于知識與規(guī)則的數(shù)據(jù)完善。過程質(zhì)量控制由各生產(chǎn)區(qū)分別開展,借鑒測繪產(chǎn)品的過程質(zhì)量控制體系,分3級檢查。尺度一致性處理確保了分幅集成數(shù)據(jù)滿足數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范要求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于知識的全球地表覆蓋產(chǎn)品一體化檢核方法,通過對兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行修改完善,大幅改善了數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度。
研制了大量軟件工具以支撐規(guī)?;a(chǎn)。影像數(shù)據(jù)處理軟件包括寬視場角遙感影像高精度幾何糾正軟件、自動(dòng)批量處理能力的多光譜遙感圖像輻射處理軟件系統(tǒng)、NDVI分辨率內(nèi)插軟件等。類型提取軟件包括基于ENVI二次開發(fā)的分類、人工編輯與集成模塊,分類提取軟件GLC_Info等。產(chǎn)品集成軟件包括單類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與集成軟件、元數(shù)據(jù)采集軟件、降尺度轉(zhuǎn)換軟件等。質(zhì)量控制軟件包括圖像幾何精度檢驗(yàn)軟件、圖像輻射質(zhì)量檢查軟件、分類產(chǎn)品質(zhì)量檢查軟件等。
以WMS、WMTS等OGC服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),建成了首個(gè)全球30 m地表覆蓋信息服務(wù)平臺。采用面向服務(wù)契約的自適應(yīng)集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)了從服務(wù)(語義層面)、功能(功能實(shí)現(xiàn))和參數(shù)(輸入輸出等)3個(gè)層級的異質(zhì)異構(gòu)地表覆蓋資源的服務(wù)化整合與集成,建立高度集成共享的參考數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺,通過網(wǎng)絡(luò)在線發(fā)布和在線服務(wù)集成的方式建立充分的信息共享環(huán)境,為GlobeLand30數(shù)據(jù)研制提供了先進(jìn)的服務(wù)技術(shù)手段。
在解決上述生產(chǎn)體系關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,以產(chǎn)品工程為主線,通過開展技術(shù)設(shè)計(jì)、影像資料處理、產(chǎn)品中試、規(guī)?;a(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化及精度評價(jià),完成30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)的研制。
按照各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范要求及提取的類型,對數(shù)據(jù)資料處理、提取技術(shù)方法、數(shù)據(jù)集成要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì),將全球劃分為歐洲、大洋洲及南極洲、美洲、亞洲和非洲5個(gè)工作區(qū),結(jié)合各分區(qū)的地表覆蓋特征,結(jié)合已有數(shù)據(jù)資源情況和總體技術(shù)路線,設(shè)計(jì)提出任務(wù)區(qū)的地表覆蓋類型工程化采集方案與流程,作為數(shù)據(jù)研制的技術(shù)指導(dǎo)文件,以保障提取的尺度、質(zhì)量及處理的一致性,保障產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到要求。
完成了2000基準(zhǔn)年10270景TM影像、2010基準(zhǔn)年9907景TM影像和2640景HJ-1影像的數(shù)據(jù)收集及幾何輻射處理。對2010期影像中1354景條帶缺失影像完成了條帶插補(bǔ)處理,實(shí)現(xiàn)了全球30 m影像的最佳覆蓋。生成了全球生態(tài)地理分區(qū)數(shù)據(jù),結(jié)合全球地形、土壤、氣候、植被等情況將全球劃分為816個(gè)生態(tài)分區(qū)。收集處理了MODIS NDVI數(shù)據(jù),形成了包含23個(gè)波段的、250 m空間分辨率的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。收集了兩套全球DEM數(shù)據(jù)、6套已有全球地表覆蓋數(shù)據(jù)、區(qū)域地表覆蓋數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)精度、類型轉(zhuǎn)換進(jìn)行了評價(jià),制定了參考利用方案;收集了全球1∶100萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、世界數(shù)據(jù)海圖(Vmap)全球湖泊濕地?cái)?shù)據(jù)、拉姆薩爾濕地名錄、全球冰川名錄和其他區(qū)域性參考資料。
從各大洲選取8個(gè)區(qū)域開展產(chǎn)品中試,獨(dú)立完成中試試驗(yàn)區(qū)的全部地表覆蓋類型的兩期提取工作,以驗(yàn)證分類策略的有效性、分類方法的可操作性、分類精度的可控制性。針對全球地物類型與表現(xiàn)形式的復(fù)雜性和多樣性,提出技術(shù)方法與設(shè)計(jì)的完善意見,對濕地、灌草、裸地、苔原等單類型地物提取方法進(jìn)行了優(yōu)化和完善,為全面展開規(guī)?;a(chǎn)做好了準(zhǔn)備。
按照水體、濕地、冰川與永久冰雪、人造地表、耕地、裸地林灌草、苔原的提取順序,對單類型地表覆蓋信息進(jìn)行提取。一個(gè)類型提取完成后,進(jìn)行影像的掩膜處理,利用掩膜后的影像進(jìn)行后續(xù)類的提取,直至完成分景影像的全部類型提取。
鑒于單一分類提取算法很難具有全球通用性,通過分析分區(qū)影像單元的地表覆蓋類型特征,結(jié)合生態(tài)地理分區(qū)和參考資料,著重分析該區(qū)域單類型特點(diǎn)與難點(diǎn),在影像資料特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,開展了分區(qū)提取技術(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)提取難易程度、提取效率和分類精度等情況,選取最優(yōu)的分景單類型分類提取方法,組合形成區(qū)域的規(guī)?;崛〖夹g(shù)流程,再參考已有高分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)和高分辨率影像進(jìn)行人機(jī)交互編輯處理,形成單類型單景分類成果,以保證每個(gè)分區(qū)采用的方法能夠適應(yīng)該區(qū)域地表覆蓋類型分布特征,提高分類提取的精度。
將單類型分景結(jié)果進(jìn)行單類型地表覆蓋產(chǎn)品集成和全類型地表覆蓋產(chǎn)品集成,完成從單景分類數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)分幅的拼接與裁切,檢查數(shù)據(jù)的完整性和類型代碼的正確性,研制出全球2000年度和2010年度兩個(gè)基準(zhǔn)年的30 m分辨率地表覆蓋分幅數(shù)據(jù)(GlobeLand30),同時(shí)建立相關(guān)坐標(biāo)信息、元數(shù)據(jù)等文件,一個(gè)完整的分幅30 m分辨率地表覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括分類成果文件、坐標(biāo)信息文件、分類影像接圖表文件、元數(shù)據(jù)文件和說明性文件等5部分。
數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)化重點(diǎn)解決一類多態(tài)引起的錯(cuò)提和區(qū)域、時(shí)間上的協(xié)調(diào)一致性問題。利用整合的高分辨率影像數(shù)據(jù)、LC數(shù)據(jù)等參考資料并綜合地學(xué)、生物、環(huán)境等的分布、勢態(tài)等信息,從大洲、區(qū)域、分幅3個(gè)尺度形成宏觀分布、區(qū)域過渡、分幅細(xì)部變化和細(xì)節(jié)的先驗(yàn)知識,通過兩期數(shù)據(jù)的對比、分析進(jìn)行完善,檢查單景分類成果內(nèi)部的類型錯(cuò)漏、單景影像之間、兩期影像之間的類型協(xié)調(diào)過渡問題;通過網(wǎng)絡(luò)化的質(zhì)量檢核系統(tǒng),對發(fā)現(xiàn)的問題按對象進(jìn)行標(biāo)注,采用發(fā)布訂閱模式,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)檢核與數(shù)據(jù)精化工作之間的信息交互和多用戶協(xié)同,有效地實(shí)現(xiàn)了兩期數(shù)據(jù)的檢核優(yōu)化。
為了科學(xué)客觀地評價(jià)該套數(shù)據(jù)質(zhì)量,確保數(shù)據(jù)產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)要求,分別組織水體、濕地、人造覆蓋、耕地的單類型數(shù)據(jù)精度評價(jià)和全類型數(shù)據(jù)精度評價(jià)。采用“背靠背”方式組織第三方單位參與。針對GlobeLand30產(chǎn)品的精度評估如何將定性的不確定性轉(zhuǎn)化為定量描述技術(shù)難點(diǎn),結(jié)合數(shù)據(jù)的分幅特點(diǎn)和分類體系,提出了基于空間數(shù)據(jù)二級抽樣檢驗(yàn)?zāi)P偷木仍u估方法,很好地顧及了地物全球分布景觀格局的復(fù)雜性及局部樣本分布的合理性,保障了精度評估結(jié)果的全面和科學(xué)。按二級抽樣方法,抽取80幅數(shù)據(jù)、采集水體單類型檢驗(yàn)樣本(10 237/9597)個(gè)(兩期,后同)、濕地單類型檢驗(yàn)樣本(12 617/13 346)個(gè)、人造地表單類型檢驗(yàn)樣本(29 687/31 155)個(gè)、耕地單類型檢驗(yàn)樣本(19 892/20 634)個(gè)和全類型精度評估檢驗(yàn)樣本(157 465/159 234)個(gè)完成精度評價(jià)工作。以2010期數(shù)據(jù)分類精度評價(jià)為例,GlobeLand30數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度為83.5%±0.19%。
經(jīng)過4年的努力,項(xiàng)目完成了覆蓋全球兩期GlobeLand30數(shù)據(jù)的研制,這是世界上首套30 m分辨率全球地表覆蓋產(chǎn)品。數(shù)據(jù)采用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)、UTM投影、6°分帶。為了便于數(shù)據(jù)存儲與共享,數(shù)據(jù)的分幅方式按照所處緯度進(jìn)行兩種分幅:在南北緯 60°區(qū)域內(nèi),按照 5°(緯度)×6(經(jīng)度)°的大小進(jìn)行分幅;在南北緯 60°~80°區(qū)域內(nèi),按照 5°(緯度)×12(經(jīng)度)°的大小進(jìn)行分幅,按照奇數(shù)6°帶的中央經(jīng)線進(jìn)行投影,共形成覆蓋全球(除南極洲之外)的分幅數(shù)據(jù)總數(shù)為853幅。如圖1所示。
該數(shù)據(jù)產(chǎn)品提高了全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)空分辨率,更貼近地球系統(tǒng)模式分類,主要特點(diǎn)包括:
1)更高空間分辨率:GlobeLand30數(shù)據(jù)涵蓋全球陸域范圍,包括水體、耕地和林地等10大類地表覆蓋信息。相比歐美國家1000 m和300 m分辨率產(chǎn)品而言,這一成果的取得將覆蓋全球的地表覆蓋產(chǎn)品空間分辨率整體提升了1~2個(gè)數(shù)量級。如圖2所示。
圖1 地表覆蓋分幅示意圖
圖2 GlobeLand30示意圖
2)兩個(gè)時(shí)相:GlobeLand30能提供直觀的地表覆蓋空間分布,由同一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用相同的分類方法研制2000年和2010年兩期數(shù)據(jù),具有較好的一致性,可支持地表覆蓋變化的監(jiān)測和分析。如圖3所示。
圖3 GlobeLand30兩期數(shù)據(jù)示意圖
3)較高精度:GlobeLand30分類精度為83.5%。除此之外,還邀請了國內(nèi)外13家機(jī)構(gòu)(專家)開展精度評估工作,從已完成的評估結(jié)果來看,Globe-Land30數(shù)據(jù)質(zhì)量是有保障的。有國內(nèi)學(xué)者利用高分影像對中國東北水體進(jìn)行了精度評估,漏判率為6.38%;瑞典學(xué)者通過對瑞典水體進(jìn)行比較,認(rèn)為GlobeLand30與歐洲Corine數(shù)據(jù)精度相當(dāng);文獻(xiàn)[2]對希臘水體精度評估精度為87%;文獻(xiàn)[3]評價(jià)Globeland30在意大利區(qū)域的精度高于80%。
2014年9月22日聯(lián)合國氣候峰會期間,張高麗副總理代表中國政府將該套數(shù)據(jù)捐贈與聯(lián)合國,供聯(lián)合國系統(tǒng)、各成員國和國際社會使用,www.globeland30.org正式上線為全球用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。截至2015年7月,已有來自美國、加拿大、意大利等近90個(gè)國家的5000多名用戶通過該平臺下載了GlobeLand30數(shù)據(jù),下載總圖幅數(shù)超過10萬多幅。用戶包括土地利用與變化研究,地表覆蓋變化及分類研究,森林植被、農(nóng)作物、冰川、地形研究,氣候環(huán)境研究,城市擴(kuò)張、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃研究,生態(tài)及生物多樣性研究,風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害研究,以及試驗(yàn)教學(xué)等諸多領(lǐng)域,見表1。
目前,基于GlobeLand30的研究應(yīng)用已經(jīng)全面展開,用戶普遍認(rèn)為該數(shù)據(jù)不僅可以滿足國土資源管理、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、城市化等科學(xué)研究的應(yīng)用需求,還可為全球變化和地球系統(tǒng)模式研究提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)支撐。聯(lián)合國認(rèn)為該成果對全球可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)決策、評估和監(jiān)督十分重要,將用于制定以可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)為核心的2015年后發(fā)展議程及其他事務(wù)。應(yīng)用成果包括科技部遙感中心利用Globe-Land30的水體和人造地表數(shù)據(jù)成果完成了“全球生態(tài)健康遙感監(jiān)測”2012年和2013年度報(bào)告的制定,對全球陸表水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的空間分布、時(shí)空變化、用地效率、用地轉(zhuǎn)化等進(jìn)行了較翔實(shí)的解讀和分析;中國環(huán)境科學(xué)研究院利用GlobeLand30數(shù)據(jù)開展了中國生物多樣性保護(hù)方面的研究工作;聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)世界保護(hù)監(jiān)測中心(WCMC)利用GlobeLand30開展全球21萬個(gè)保護(hù)區(qū)的生物多樣性保護(hù)評價(jià)方面的研究等。隨著該數(shù)據(jù)的持續(xù)服務(wù)與應(yīng)用,其在支撐全球變化研究、地球系統(tǒng)模擬和可持續(xù)發(fā)展研究等各領(lǐng)域的作用將更加突顯。后續(xù)也將開展地表覆蓋更新等技術(shù)研究,持續(xù)推動(dòng)GlobeLand30生產(chǎn)體系從研制到更新的升級,設(shè)計(jì)研制由時(shí)序數(shù)據(jù)、細(xì)化類型數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)為一體的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)體系,打造GlobeLand30數(shù)據(jù)品牌,進(jìn)一步激發(fā)起新一輪生態(tài)、資源、環(huán)境等領(lǐng)域全球變化監(jiān)測的研究與應(yīng)用,為國際社會、各國政府相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)提供可靠的決策支持。
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