廖安平，彭 舒，武 昊，陳利軍，張委偉

(國家基礎地理信息中心，北京100830)

一、引 言

地表覆蓋數(shù)據(jù)對預測減災減少損失、監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)、人類健康與服務、保持生物多樣性等至關重要。我國于2010年正式啟動“863”重點項目“全球地表覆蓋遙感制圖與關鍵技術研究”，項目目標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)，是我國在相關領域首次獨立開展全球尺度研究，與國際同類研究相比處于領先地位。

項目以“多源影像最優(yōu)化處理、參考資料服務化整合、覆蓋類型精細化提取、產(chǎn)品質(zhì)量多元檢核”為主線開展總體研究，實現(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、計算機自動分類與專家知識的有機結(jié)合和產(chǎn)品質(zhì)量的有效檢核等關鍵技術。在此基礎上，依托生產(chǎn)技術規(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)品和技術設計、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，實現(xiàn)了預期的產(chǎn)品指標，完成了2000和2010兩個基準年的30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品研制。通過精度評價，該套數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類精度達到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、細化、更新奠定了基礎，為開展大規(guī)模遙感影像信息提取、表達和應用起到了示范作用。本文將介紹相關工作開展情況。

二、生產(chǎn)體系構(gòu)建

1.面臨的難題與解決思路

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、技術研究及小范圍試驗階段，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施。

(1)細化分類方法規(guī)范數(shù)據(jù)研制

如何實現(xiàn)相關的分類方法能夠在每類型、每景影像上正確實施，需要對分類方法與流程進行細化，使之能夠可操作、精度有基本保障。因此研究制定每個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。在每個單類型提取前，需要根據(jù)影像、參考資料特點，開展單類型分景提取試驗，細化方法、流程、技術指標與質(zhì)量控制參數(shù)，制定技術規(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，如果不進行人機交互編輯處理，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上進行人機交互處理，利用人的知識和經(jīng)驗改正分類方法帶來的錯誤，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)揮人機交互的優(yōu)勢，以減輕作業(yè)人員的勞動強度，才有可能真正實現(xiàn)分類結(jié)果質(zhì)量的提高，確保數(shù)據(jù)研制的周期與進度。本文將整個產(chǎn)品研制技術流程進行了細化分解，充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，通過構(gòu)建全球地表覆蓋集成化的信息服務平臺，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。

2.技術規(guī)范體系

構(gòu)建了包括總體技術、影像資料處理、類型提取、質(zhì)量控制與評價在內(nèi)的工程化技術標準規(guī)范，其中3項總體技術規(guī)范包括《全球地表覆蓋遙感制圖總體技術方案》《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告》;3項影像資料處理技術規(guī)范包括《全球30 m分辨率遙感影像幾何糾正技術規(guī)定》《30 m分辨率全球遙感影像輻射處理技術規(guī)定》《全球地理生態(tài)分區(qū)技術方案》;7項類型提取技術規(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規(guī)定》《全球地表覆蓋遙感制圖濕地提取與集成技術規(guī)定》等;3項質(zhì)量控制與精度評價技術規(guī)范包括《全球地表覆蓋分類產(chǎn)品質(zhì)量評價方案》《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》。

3.全過程質(zhì)量控制

高質(zhì)量的地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品離不開嚴格的質(zhì)量控制，受資料、經(jīng)驗、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。設計實現(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)進行修改完善，大幅改善了數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度。

4.數(shù)據(jù)研制支撐環(huán)境

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服務標準為基礎，建成了首個全球30 m地表覆蓋信息服務平臺。采用面向服務契約的自適應集成技術，實現(xiàn)了從服務(語義層面)、功能(功能實現(xiàn))和參數(shù)(輸入輸出等)3個層級的異質(zhì)異構(gòu)地表覆蓋資源的服務化整合與集成，建立高度集成共享的參考數(shù)據(jù)信息服務平臺，通過網(wǎng)絡在線發(fā)布和在線服務集成的方式建立充分的信息共享環(huán)境，為GlobeLand30數(shù)據(jù)研制提供了先進的服務技術手段。

三、組織實施與實踐

在解決上述生產(chǎn)體系關鍵技術的基礎上，以產(chǎn)品工程為主線，通過開展技術設計、影像資料處理、產(chǎn)品中試、規(guī)模化生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化及精度評價，完成30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)的研制。

1.技術設計

按照各項生產(chǎn)技術規(guī)范要求及提取的類型，對數(shù)據(jù)資料處理、提取技術方法、數(shù)據(jù)集成要求進行具體設計，將全球劃分為歐洲、大洋洲及南極洲、美洲、亞洲和非洲5個工作區(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路線，設計提出任務區(qū)的地表覆蓋類型工程化采集方案與流程，作為數(shù)據(jù)研制的技術指導文件，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)量達到要求。

2.影像與參考資料的收集與處理

完成了2000基準年10270景TM影像、2010基準年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處理，實現(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個生態(tài)分區(qū)。收集處理了MODIS NDVI數(shù)據(jù)，形成了包含23個波段的、250 m空間分辨率的NDVI時間序列數(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)換進行了評價，制定了參考利用方案;收集了全球1∶100萬基礎地理信息數(shù)據(jù)、世界數(shù)據(jù)海圖(Vmap)全球湖泊濕地數(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。

3.產(chǎn)品中試

從各大洲選取8個區(qū)域開展產(chǎn)品中試，獨立完成中試試驗區(qū)的全部地表覆蓋類型的兩期提取工作，以驗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)形式的復雜性和多樣性，提出技術方法與設計的完善意見，對濕地、灌草、裸地、苔原等單類型地物提取方法進行了優(yōu)化和完善，為全面展開規(guī)?；a(chǎn)做好了準備。

4.規(guī)?；a(chǎn)

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行提取。一個類型提取完成后，進行影像的掩膜處理，利用掩膜后的影像進行后續(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)域單類型特點與難點，在影像資料特點的基礎上，開展了分區(qū)提取技術設計。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)和高分辨率影像進行人機交互編輯處理，形成單類型單景分類成果，以保證每個分區(qū)采用的方法能夠適應該區(qū)域地表覆蓋類型分布特征，提高分類提取的精度。

5.數(shù)據(jù)集成與質(zhì)量優(yōu)化

將單類型分景結(jié)果進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)到標準分幅的拼接與裁切，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年度兩個基準年的30 m分辨率地表覆蓋分幅數(shù)據(jù)(GlobeLand30)，同時建立相關坐標信息、元數(shù)據(jù)等文件，一個完整的分幅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)化重點解決一類多態(tài)引起的錯提和區(qū)域、時間上的協(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、生物、環(huán)境等的分布、勢態(tài)等信息，從大洲、區(qū)域、分幅3個尺度形成宏觀分布、區(qū)域過渡、分幅細部變化和細節(jié)的先驗知識，通過兩期數(shù)據(jù)的對比、分析進行完善，檢查單景分類成果內(nèi)部的類型錯漏、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)絡化的質(zhì)量檢核系統(tǒng)，對發(fā)現(xiàn)的問題按對象進行標注，采用發(fā)布訂閱模式，實現(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，有效地實現(xiàn)了兩期數(shù)據(jù)的檢核優(yōu)化。

6.產(chǎn)品精度評價

為了科學客觀地評價該套數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)產(chǎn)品達到設計要求，分別組織水體、濕地、人造覆蓋、耕地的單類型數(shù)據(jù)精度評價和全類型數(shù)據(jù)精度評價。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)化為定量描述技術難點，結(jié)合數(shù)據(jù)的分幅特點和分類體系，提出了基于空間數(shù)據(jù)二級抽樣檢驗模型的精度評估方法，很好地顧及了地物全球分布景觀格局的復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。按二級抽樣方法，抽取80幅數(shù)據(jù)、采集水體單類型檢驗樣本(10 237/9597)個(兩期，后同)、濕地單類型檢驗樣本(12 617/13 346)個、人造地表單類型檢驗樣本(29 687/31 155)個、耕地單類型檢驗樣本(19 892/20 634)個和全類型精度評估檢驗樣本(157 465/159 234)個完成精度評價工作。以2010期數(shù)據(jù)分類精度評價為例，GlobeLand30數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度為83.5%±0.19%。

四、主要成果及特點

經(jīng)過4年的努力，項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)°的大小進行分幅，按照奇數(shù)6°帶的中央經(jīng)線進行投影，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。

1.GlobeLand30產(chǎn)品特點

該數(shù)據(jù)產(chǎn)品提高了全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時空分辨率，更貼近地球系統(tǒng)模式分類，主要特點包括:

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)兩個時相:GlobeLand30能提供直觀的地表覆蓋空間分布，由同一個研究團隊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)學者利用高分影像對中國東北水體進行了精度評估，漏判率為6.38%;瑞典學者通過對瑞典水體進行比較，認為GlobeLand30與歐洲Corine數(shù)據(jù)精度相當;文獻［2］對希臘水體精度評估精度為87%;文獻［3］評價Globeland30在意大利區(qū)域的精度高于80%。

2.GlobeLand30產(chǎn)品服務

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。截至2015年7月，已有來自美國、加拿大、意大利等近90個國家的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，城市擴張、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃研究，生態(tài)及生物多樣性研究，風險災害研究，以及試驗教學等諸多領域，見表1。

五、結(jié)束語

目前，基于GlobeLand30的研究應用已經(jīng)全面展開，用戶普遍認為該數(shù)據(jù)不僅可以滿足國土資源管理、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、城市化等科學研究的應用需求，還可為全球變化和地球系統(tǒng)模式研究提供基礎地理數(shù)據(jù)支撐。聯(lián)合國認為該成果對全球可持續(xù)發(fā)展的科學決策、評估和監(jiān)督十分重要，將用于制定以可持續(xù)性發(fā)展目標為核心的2015年后發(fā)展議程及其他事務。應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年度報告的制定，對全球陸表水域和城鄉(xiāng)建設用地的空間分布、時空變化、用地效率、用地轉(zhuǎn)化等進行了較翔實的解讀和分析;中國環(huán)境科學研究院利用GlobeLand30數(shù)據(jù)開展了中國生物多樣性保護方面的研究工作;聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)世界保護監(jiān)測中心(WCMC)利用GlobeLand30開展全球21萬個保護區(qū)的生物多樣性保護評價方面的研究等。隨著該數(shù)據(jù)的持續(xù)服務與應用，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研究，持續(xù)推動GlobeLand30生產(chǎn)體系從研制到更新的升級，設計研制由時序數(shù)據(jù)、細化類型數(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，進一步激發(fā)起新一輪生態(tài)、資源、環(huán)境等領域全球變化監(jiān)測的研究與應用，為國際社會、各國政府相關專業(yè)機構(gòu)提供可靠的決策支持。

［1］陳軍，陳晉，廖安平，等.全球30 m地表覆蓋遙感制圖的總體技術［J］.測繪學報，2014，43(6):551-557.

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［3］BROVELLI M A，MOLINARI M E，HUSSEIN E，et al.The First Comprehensive Accuracy Assessment of Globe-Land30 at a National Level:Methodology and Results［J］.Remote Sensing，2015(7):4191-4212.

［4］張亞麗，王萬同.遙感估算伊洛河流域地表蒸散空間尺度轉(zhuǎn)換［J］.測繪學報，2013，42(6):906-912.

［5］王俊淑，江南，張國明，等.融合光譜－空間信息的高光譜遙感影像增量分類算法［J］.測繪學報，2015，44(9):1003-1013.