GlobeLand30產(chǎn)品精度抽樣測(cè)試與分析

趙 爽， 修田雨， 蔡國(guó)印,2,3， 王榮華,2,3

(1.北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102616；3.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

0 引 言

隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前在世界范圍內(nèi)已經(jīng)存在多套全球地表覆蓋產(chǎn)品，如UMD數(shù)據(jù)集、IGBPDISCover、MODIS數(shù)據(jù)集，以及GLC2000、2005、2009等，以滿(mǎn)足全球生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、氣候變化以及環(huán)境模擬的需要[1-2]。上述產(chǎn)品的分辨率為1 km或300 m。為了在更細(xì)尺度上進(jìn)行全球變化、氣候模擬等方面的研究，我國(guó)研制了2000年和2010年兩期全球首套空間分辨率為30 m的地表覆蓋產(chǎn)品Glboeland30，這被國(guó)際同行譽(yù)為全球?qū)Φ赜^測(cè)和地理空間數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域的一個(gè)里程碑成就，受到了國(guó)內(nèi)外社會(huì)及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[3-4]。

遙感產(chǎn)品的精度，無(wú)論是對(duì)于數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門(mén)還是用戶(hù)均至關(guān)重要，GlobeLand30在生產(chǎn)過(guò)程中以陜西省為實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)2010年產(chǎn)品采用空間抽樣的方法，利用混淆矩陣對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了精度評(píng)估。結(jié)果表明，Glboeland30產(chǎn)品總體精度為79.96%，Kappa系數(shù)為0.74，表明該產(chǎn)品具備很好的數(shù)據(jù)質(zhì)量[5]。J.J.Arsanjani等（2016）選擇了在生態(tài)方面頗具代表性的6個(gè)大中城市作為研究區(qū)，探討了GlobeLand30 2010年的數(shù)據(jù)精度及其可能的應(yīng)用，其研究結(jié)果表明，在整個(gè)伊朗地區(qū)，GlobeLand30的總體精度達(dá)到了77.9%，完全可以滿(mǎn)足該地區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的需要[6]。

本文以TM數(shù)據(jù) 123/032所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過(guò)目視解譯的方法，從原始TM影像上選取有代表性的樣區(qū)，測(cè)試了2000年和2010年兩期Glboeland30的產(chǎn)品精度。受限于TM光譜信息有限以及作者對(duì)地類(lèi)的目視解譯能力，本文主要測(cè)試了人造地表、農(nóng)田、林地和水體的精度。同時(shí)，重點(diǎn)分析和探討了上述四類(lèi)地表覆蓋要素的用戶(hù)精度，以期為GlobeLand30產(chǎn)品的使用及其后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量檢查和更新提供技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)

本文選用Landsat影像軌道號(hào)/行號(hào)分別為123/032所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，覆蓋范圍為185 km×185 km，北京市大部分行政區(qū)位于該影像范圍內(nèi)，如圖1所示。

圖1 本文的研究區(qū)Fig.1 The study area in this research

1.2 數(shù)據(jù)源

GlobeLand30是我國(guó)科學(xué)家研制出的世界首套30 m分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集。本研究采用GlobeLand30于2000年及2010年兩期地表覆蓋產(chǎn)品。該產(chǎn)品包括10類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型：耕地、森林、草地、灌木、濕地、水體、人造地表、裸地、冰雪覆被和苔原。此外，還有2000年和2010年的TM影像各一景。

1.3 數(shù)據(jù)處理

借助于ArcGIS的重分類(lèi)功能，將研究區(qū)所在的兩個(gè)格網(wǎng)的10類(lèi)地表覆蓋信息提取出來(lái)，并進(jìn)行鑲嵌處理，再利用研究區(qū)的矢量圖對(duì)鑲嵌后的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切處理，得到本研究所用的兩期地表覆蓋數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示。本文將TM波段5、4、3合成假彩色影像，以提高目視解譯的準(zhǔn)確度。

圖2 2000年研究區(qū)地表覆蓋圖Fig.2 Land cover map in 2000

圖3 2010年研究區(qū)地表覆蓋類(lèi)型圖Fig.3 Land cover map in 2010

1.4 研究方法

本文采用分層與隨機(jī)采樣相結(jié)合的方法，即對(duì)GlobeLand30產(chǎn)品進(jìn)行逐類(lèi)別單獨(dú)采樣，采樣時(shí)選擇隨機(jī)采樣方法。由于過(guò)多的樣區(qū)會(huì)增加樣點(diǎn)之間的相關(guān)性，因此，在滿(mǎn)足樣區(qū)最小數(shù)量的基礎(chǔ)上，樣區(qū)與樣區(qū)之間的最小距離為產(chǎn)品空間分辨率的10倍，即3 km，最大可能地減少樣區(qū)之間的相關(guān)性[7-9]。

混淆矩陣的建立是進(jìn)行精度評(píng)定的前提[10]。首先將選好的樣區(qū)，利用隨機(jī)采樣的方法，生成樣區(qū)內(nèi)的樣點(diǎn)[11]。并將其疊加到GlobeLand30產(chǎn)品影像上，生成混淆矩陣并進(jìn)行精度評(píng)定?？紤]到本文僅選擇四類(lèi)地表覆蓋類(lèi)別，在混淆矩陣中不能反映用地類(lèi)別的錯(cuò)分情況。為了確保精度，我們對(duì)地面點(diǎn)數(shù)據(jù)采用3×3模板取眾數(shù)作為最終的GlobeLand30產(chǎn)品類(lèi)別與地面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以考察各用地類(lèi)別的詳細(xì)錯(cuò)分類(lèi)別。詳細(xì)的技術(shù)路線(xiàn)如圖4所示。

圖4 本文詳細(xì)研究方法路線(xiàn)圖Fig.4 Flow chart used in this research

2 結(jié)果及分析

2.1 精度評(píng)定結(jié)果及分析

根據(jù)前述的研究方法，對(duì)上述四類(lèi)地表類(lèi)別分別選擇了100多個(gè)樣區(qū)，且2000年和2010年采用相同的樣點(diǎn)，樣點(diǎn)分布如圖5所示。其中林地采集了137個(gè)點(diǎn)，水體為124個(gè)，人造地表為148個(gè)，農(nóng)田為142個(gè)。從圖5中可以看出，本文選擇的樣區(qū)基本覆蓋了各類(lèi)地表要素的典型區(qū)域。比如人造地表樣點(diǎn)，基本覆蓋了城區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊等各類(lèi)不同發(fā)展?fàn)顩r的人造地表類(lèi)別。

圖5 樣點(diǎn)數(shù)據(jù)位置圖（背景為2000年TM假彩色合成圖）Fig.5 Spatial distribution of the sampling sites (background is the false color composition image using TM bands 5,4 3 in 2000)

表1 2000、2010年研究區(qū)精度評(píng)定表Tab.1 Accuracy assessment parameters in 2000 and 2010

表1為2000年和2010年的GlobeLand30的精度評(píng)定結(jié)果。從總體精度可以看出，兩期產(chǎn)品均達(dá)到了很好的精度，要明顯優(yōu)于陜西實(shí)驗(yàn)區(qū)的79.96%以及伊朗地區(qū)的77.9%，這表明在北京及其周邊地區(qū)，GlobeLand30產(chǎn)品具有非常高的分類(lèi)精度。當(dāng)然，這一點(diǎn)也可以從Kappa系數(shù)中反映出來(lái)，無(wú)論是2000年的0.91還是2010年的0.86，均表明GlobeLand30產(chǎn)品在研究區(qū)具備很高的分類(lèi)精度。

從用戶(hù)精度來(lái)看，2000年林地的用戶(hù)精度最高，農(nóng)田的最低，而2010年水體的最高，而農(nóng)田的最低。均表明，在兩期產(chǎn)品中農(nóng)田的用戶(hù)精度相對(duì)偏低。在本文所選擇的四類(lèi)地表覆蓋中，由于農(nóng)田相對(duì)比較復(fù)雜，無(wú)論是從光譜角度，還是從幾何、紋理角度，均很難實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)化提取。

從制圖精度來(lái)看，兩期產(chǎn)品的水體制圖精度是相對(duì)最低的。相對(duì)而言，水體是所有地表覆蓋類(lèi)別中，自動(dòng)化提取可行性最高的一類(lèi)，但是受限于水體的時(shí)間變化性以及水體與水田較低的區(qū)分度，水體的提取結(jié)果并沒(méi)有達(dá)到理想的制圖精度。

從2000年產(chǎn)品與2010年產(chǎn)品綜合比較來(lái)看，前者的分類(lèi)精度明顯高于后者。這可能是由于2010年的產(chǎn)品是最先發(fā)布的，而2000年的產(chǎn)品明顯要晚于2010年產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。有了前期產(chǎn)品的參照及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，后期產(chǎn)品的精度在理論上應(yīng)該是要優(yōu)于前期產(chǎn)品。

2.2 分類(lèi)產(chǎn)品錯(cuò)分誤差分析

由于本文僅選擇了研究區(qū)內(nèi)8類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型其中的4類(lèi)，所以在混淆矩陣中并不能很好地反映其地表覆蓋類(lèi)型的錯(cuò)分誤差。為了探究本文所選擇的四類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型的錯(cuò)分狀況，同時(shí)考慮到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的混淆矩陣可能在計(jì)算結(jié)果上會(huì)與實(shí)際情況有部分出入，因此，本文考慮樣點(diǎn)的領(lǐng)域特性，以保證精度評(píng)定結(jié)果的可靠性。源于水體的現(xiàn)狀分布特征，本文對(duì)水體的樣點(diǎn)采用2×2領(lǐng)域，而其他的地表覆蓋類(lèi)型均選擇3×3領(lǐng)域。這樣就得到了樣點(diǎn)的面狀圖層。圖6為研究區(qū)局部放大圖。統(tǒng)計(jì)樣點(diǎn)鄰域范圍內(nèi)GlobeLand30的眾數(shù)，作為該區(qū)域的地表覆蓋類(lèi)別。

圖6 樣點(diǎn)鄰域局域放大圖Fig.6 Regional enlarged map for showing the sampling sites

通過(guò)將產(chǎn)品與樣點(diǎn)鄰域的眾數(shù)所對(duì)應(yīng)的類(lèi)別進(jìn)行對(duì)比，以目視解譯的方式，發(fā)現(xiàn)每一類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型正確分類(lèi)和錯(cuò)誤分類(lèi)的樣點(diǎn)，表2給出了2000年和2010年兩期GlobeLand30產(chǎn)品地表覆蓋類(lèi)型的用戶(hù)精度表。從表中可以看出，人造地表和農(nóng)田的用戶(hù)精度是最讓人滿(mǎn)意的，人造地表覆蓋類(lèi)型的主要易混用地類(lèi)型是農(nóng)田，其次是草地和林地。林地的用戶(hù)精度在80%以上，主要易混用地類(lèi)型是草地和農(nóng)田。用戶(hù)精度最低的是水體，影響其分類(lèi)精度的主要地類(lèi)是農(nóng)田。造成其分類(lèi)正確性較低的原因主要在于GlobeLand30在生產(chǎn)過(guò)程中，將水田劃分到農(nóng)田中，而尺度相對(duì)較小的水體很容易被錯(cuò)誤地劃分到水田中，進(jìn)而造成水體極易錯(cuò)分為農(nóng)田。圖7給出了上述四類(lèi)地表覆蓋要素錯(cuò)分的典型區(qū)域圖，每一類(lèi)錯(cuò)分對(duì)比圖中，位于上部的圖片是GlobeLand30的結(jié)果，位于底部的圖片是TM影像543假彩色合成的結(jié)果。在每個(gè)圖片的中部用紅框框起來(lái)的位置即為樣點(diǎn)及其鄰域范圍，可以清晰地分辨出各地表覆蓋類(lèi)型在劃分上與下墊面正確的地表覆蓋類(lèi)別存在明顯差異。

表2 2000年和2010年GlobeLand30用戶(hù)精度表Tab.2 User's accuracy for GlobeLand30 in 2000 and 2010

圖7 2000年4種地類(lèi)錯(cuò)分圖Fig.7 Misclassification for the four selected land cover types in 2000

2.3 結(jié)果討論

GlobeLand30的發(fā)布，將世界范圍內(nèi)地表覆蓋產(chǎn)品的空間分辨率從百米級(jí)提高到30米級(jí)，為全球環(huán)境規(guī)劃、氣候模擬等提供了更細(xì)尺度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其產(chǎn)品精度也得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)用戶(hù)的認(rèn)可。本文針對(duì)一景TM影像數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域?qū)lobeLand30產(chǎn)品精度進(jìn)行了詳細(xì)的抽樣測(cè)試，結(jié)果表明在本研究區(qū)內(nèi)所測(cè)試的四類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型的精度，無(wú)論是總體精度還是Kappa系數(shù)，均好于文獻(xiàn)[5]和[6]所測(cè)試的精度。本研究結(jié)果的取得，受限于如下因素：

1）本研究區(qū)位于北京及其周邊地區(qū)。北京是我國(guó)的首都，備受?chē)?guó)內(nèi)外社會(huì)及科學(xué)工作者的關(guān)注。基于此，數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中勢(shì)必對(duì)該區(qū)域的數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制。

2）地面點(diǎn)的選取及其精度對(duì)研究結(jié)果的重要性不言而喻。受困于沒(méi)有可用的高分影像，本文采用目視的方式在影像上選點(diǎn)，這無(wú)疑會(huì)對(duì)精度評(píng)定的結(jié)果造成一定的影響。

3）以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式進(jìn)行精度的評(píng)定本身也存在一定的問(wèn)題，雖然本文已經(jīng)將可能的孤立地表覆蓋類(lèi)型排除掉，但是因?yàn)檫b感影像分類(lèi)后或多或少都會(huì)存在“椒鹽”現(xiàn)象，因此對(duì)精度評(píng)定的結(jié)果肯定會(huì)有一定程度的影響。此外地面點(diǎn)選點(diǎn)個(gè)數(shù)的多少、選點(diǎn)的位置、點(diǎn)與點(diǎn)之間的相關(guān)性等問(wèn)題都會(huì)對(duì)本文的結(jié)果產(chǎn)生影響。

4）從地表覆蓋類(lèi)別的類(lèi)型和數(shù)量上，GlobeLand30提供了10類(lèi)地表覆蓋類(lèi)別，在本研究區(qū)一共識(shí)別出8類(lèi)，不包含苔原和永久性積雪。在具有30 m分辨率7個(gè)光譜波段的TM影像上，受限于人眼的識(shí)別能力，同時(shí)為了確保結(jié)果的可靠性，本文的精度評(píng)定僅針對(duì)四類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型，即人造地表、農(nóng)田、林地和水體。相對(duì)于濕地、草地等地表覆蓋類(lèi)型，本文選定的地表覆蓋類(lèi)別更易于實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)分類(lèi)。如果選取全部的8類(lèi)地表覆蓋類(lèi)型進(jìn)行精度評(píng)定，其精度評(píng)定結(jié)果可能會(huì)有所下降。

5）受限于可用的GlobeLand30數(shù)據(jù)有限以及時(shí)間等因素，本文僅選擇了一景TM影像對(duì)應(yīng)的區(qū)域?qū)Ξa(chǎn)品精度進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果在一定程度上缺乏代表性。

上述存在的主要問(wèn)題及可能的解決途徑，比如利用高分辨率影像作為數(shù)據(jù)源來(lái)獲取參考數(shù)據(jù)，更為科學(xué)的采樣方法，以及在不同的氣候區(qū)或者不同的洲際范圍設(shè)置實(shí)驗(yàn)區(qū)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度的評(píng)定等，將是本文后續(xù)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobalLand 30），以TM影像軌道號(hào)/行號(hào)為123/032所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，采用空間抽樣和目視解譯的方式，利用混淆矩陣對(duì)GlobeLand30的四類(lèi)地表覆蓋類(lèi)別（即人造地表、農(nóng)田、林地和水體）進(jìn)行了精度評(píng)定?；煜仃嚨难芯勘砻?，在本研究區(qū)，總體精度和Kappa系數(shù)都明顯優(yōu)于文獻(xiàn)中評(píng)定的結(jié)果，并且2000年的產(chǎn)品精度要優(yōu)于2010年的產(chǎn)品精度。在用戶(hù)精度的詳細(xì)評(píng)定方面，人造地表和農(nóng)田具有很高的用戶(hù)精度，其次是林地，而水體的用戶(hù)精度則是最低的。農(nóng)田是影響人造地表和水體最為嚴(yán)重的地表覆蓋類(lèi)型，而將林地錯(cuò)分為草地的可能性是最高的。

本文的研究成果可以為相關(guān)用戶(hù)提供使用本區(qū)域Globaland30產(chǎn)品時(shí)的參考信息，但是在區(qū)域的廣泛性、選點(diǎn)的科學(xué)性和自動(dòng)化，以及需要照顧到全部的地表覆蓋類(lèi)型等問(wèn)題上還需要做深入的研究。