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新版全球地表“快照”如何制成?
2020-09-27 来源:中国自然资源报 浏览量:10
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9月15日,自然资源部向社会发布2020版30米全球地表覆盖数据。同日,我国向联合国捐赠了这套数据。

30米全球地表覆盖数据,也被称为全球陆地表面“快照”。这套“快照”是如何制作出来的?记者就此采访了2020版30米全球地表覆盖数据项目组。

三版『快照』反映全球地表二十年变化

30米全球地表覆盖数据项目组负责人告诉记者,全球地表覆盖分布及变化反映着人类与自然相互作用、生物地球化学循环、地表水热和物质平衡等过程,是生态环境监测、气候变化研究、可持续发展规划的重要基础信息。2014年之前,国际上大多采用美国和欧盟完成的分辨率为1000米和300米的全球地表覆盖数据产品,其精度和分辨率难以满足全球变化研究与可持续发展应用的需求。而30米分辨率的遥感影像,在地理信息领域被认为是用于描述全球地表覆盖及其变化的最佳尺度。

2014年9月22日,联合国气候峰会即将启幕之际,中国政府正式将世界上首套30米分辨率全球地表覆盖数据捐赠给联合国。随着人类活动的影响,近十年来,全球地表覆盖状况发生了很大变化,急需新的数据来综合监测和评估。自然资源部在多年努力和技术创新基础上,组织制作了2020版30米全球地表覆盖数据。

这套数据涵盖全球陆域范围,包括耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川及永久积雪10种地表覆盖类型,不仅能提供直观的地表覆盖空间分布和变化信息,还能通过空间统计获得地表覆盖类型的统计和变化量,被国际同行专家誉为“对地观测与地理信息开放共享的里程碑”。

与前两版数据相比,2020版数据覆盖范围更加完整地涵盖了全球陆地表面,综合利用多源影像信息,分类精度得到进一步提升。数据按照产品定义的全球分幅,共有966个数据集;面积覆盖全球陆地表面1.49亿平方千米。新版数据首次生成了完整的南极洲30米地表覆盖数据,并填补了北纬高纬度区域地表覆盖信息空白,累计增加113个数据集,真正实现了30米地表覆盖数据对全球陆地表面的全覆盖。影像数据源更加丰富,质量进一步提升,其中国产自主卫星影像覆盖度达67%。

现在,2000、2010及2020三版全球地表覆盖数据形成了本世纪以来全球陆地表面每隔10年一次的“快照”,有效反映了这20年间全球地表覆盖和景观格局的总体变化状况。

新版数据精度不断提高

30米全球地表覆盖数据被形象地称为“快照”,但拍摄过程可不是按下相机快门那么简单。局部的地表覆盖信息可以通过很多方法获取,但范围扩大到全球的地表覆盖,其最佳实现路径为利用卫星遥感技术和人工智能信息提取技术,通过遥感影像解译和分类提取,实现从遥感影像到地表覆盖数据这个“快照”。

30米全球地表覆盖数据研制使用了包含国产卫星的多源卫星影像,虽然用到了多种数据源,但要实现全球影像的高质量全覆盖并非易事。项目组选取影像的原则是,在保障影像无云(少云)前提下,择优选择数据生产基准年或更新年度年±2年内植被生长季的多光谱影像。

用遥感开展大范围的地表覆盖信息解译,最大的难题是地表类型和特征的复杂性会引入大量的“同物异谱”和“异物同谱”的现象。遥感解译主要用到了地表特征的光谱和纹理特征,通俗地说,就是利用地表的“颜色”以及“形状样式”来区分不同地物。如同样是耕地,水田和旱地的特征在影像上就差别很大;同一地区的森林,在冬季和夏季的特征也有显著差异。红树林在分类上为湿地,但它的光谱跟森林的特征接近,这样就给判别带来了一系列困难。

为了尽可能准确提取这些信息,项目组一方面是通过创新集成各类遥感解译分类算法并且采用分层分类的提取策略,将“同物异谱”和“异物同谱”影响降到最低;另一方面就是通过不同渠道收集各区域的自然、经济社会以及其他地理信息,并结合地物特征先验知识对分类结果进行检核,以提高地表覆盖数据的精准度。在更新2020版时,还进一步实现了多类型变化发现算法、分层更新策略以及面向更新的知识化检核为一体的全球地表覆盖更新技术,为更新工作顺利开展提供了有力技术保障。

保证地表覆盖数据质量,除了强有力的技术保障,更有“国家队”组织实施的优势。按照统一设计、分区实施、分层更新、自动与人机交互相结合的原则,数据生产更新实施单位根据数据产品规程的总体质量要求,将各类型内涵、提取表达指标等质量控制元素按照分区进行细化,依据专业技术设计层层落实过程质量控制,完成数据产品“两检一验”。通过这一系列工作的开展,2020版数据第三方精度评价的总体精度为85.72%,比2010版数据提高了2个百分点,保持着相同尺度全球同类产品总体精度最高的优势。

“快照”产生广泛国际影响力

30米全球地表覆盖数据发布后产生了广泛的国际影响力。截至目前,数据已被联合国系统多个专门机构、130多个国家、400多个研究机构、570多所大学使用。联合国已有10多个下设机构使用了该数据,包括联合国粮食及农业组织(FAO)、联合国环境规划署(UNEP)、联合国维持和平部队、联合国教科文组织、联合国人居署、联合国防治荒漠化公约(UNCCD)等。这些部门利用该数据开展了生态保护、防治荒漠化、灾害应急制图等工作。例如联合国环境规划署的世界自然保护监测中心(UNEP-WCMC)使用该数据对全球保护区的土地覆盖及变化进行分析。联合国亚洲及太平洋经济社会委员会使用该数据支持干旱管理和土地退化。联合国外勤部使用该数据协助分析并制定18个国家的维持和平行动计划。

与此同时,该数据在研究全球变化以及多个社会福利领域得到了广泛应用。首先,数据为我国开展全球变化研究提供了重要支持。中国国家气候中心利用该数据开展气候模式比较研究,相关研究内容用于编制政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(IPCC AR6);科技部国家遥感中心自2014年起开展全球生态环境遥感监测工作,该数据是相关报告内容形成的重要基础数据;中国水利水电科学研究院利用该数据开展全球陆地水资源演变趋势预测研究;中国农业科学院利用该数据开展全球耕地及变化研究分析。其次,30米全球地表覆盖数据已被广泛用于许多社会福利领域,包括气候变化适应、生物多样性和生态系统可持续性、抗灾能力、能源和矿产资源管理、粮食安全与可持续农业、基础设施和运输管理、公共卫生监督、城市可持续发展、水资源管理等。根据用户下载申请信息进行的统计显示,生物多样性和生态系统是最大的应用领域,占所有研究领域的26%以上。第二大应用领域是可持续的城市发展,占所有应用的近16%。防灾减灾、粮食安全和水资源管理领域应用超过10%。

通过对数据用户下载数据进行空间统计分析,项目组发现非洲和亚洲地区数据下载量很高。其中,非洲坦桑尼亚、乌干达、肯尼亚等国的数据下载频度最高,亚洲以南亚和东南亚居多,尤其是印度、巴基斯坦、尼泊尔、缅甸、泰国、老挝等国。应用研究内容包括坦桑尼亚的物种栖息地保护及生态系统服务、埃塞俄比亚的农业生产及监测、肯尼亚的土地利用分析等。

努力提供定制化空间型地表覆盖知识服务

从哪儿能获取这些数据?项目组成员说,用户可以从3种途径注册并提交申请后下载:一是访问网站http://www. globeland30.org;二是访问国家基础地理信息中心网站www.ngcc.cn,在首页左侧找到全球地表覆盖按钮;三是访问联合国知识中心网站www.un- spider. org后搜索“GlobeLand30”,即可找到数据介绍与下载链接。

今后,自然资源部将继续推进30米全球地表覆盖数据的维护更新工作,并加大科技创新与投入,依托大数据、人工智能、云计算等新技术,建设基于人工智能的地表覆盖提取更新生产系统,不断提高分类精度与生产更新效率,回溯与更新并进,形成全球地表覆盖长时间序列数据,继续为全球提供高质量的地理信息公共产品。

项目组表示,除了提供数据浏览下载等基本服务之外,还将依托地表覆盖服务计算技术提供一系列在线工具,包括标注、专题服务搜索、验证和统计分析等多种功能;为增强数据服务的互动感,按照地物类别,通过知识挖掘和可视化,利用知识图谱建立了地表覆盖知识图集,为不同的用户提供更加丰富和定制化的空间型地表覆盖知识服务;后续还将鼓励用户利用这些工具开展全球标注等工作,为改进数据质量收集更多众源信息。