新版全球地表“快照”如何制成？

◎ 趙玲玲

9 月15 日，自然資源部向社會(huì)發(fā)布2020 版30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)。同日，我國向聯(lián)合國捐贈(zèng)了這套數(shù)據(jù)。

30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，也被稱為全球陸地表面“快照”。這套“快照”是如何制作出來的？記者就此采訪了2020 版30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)項(xiàng)目組。

三版“快照”反映全球地表二十年變化

30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人告訴記者，全球地表覆蓋分布及變化反映著人類與自然相互作用、生物地球化學(xué)循環(huán)、地表水熱和物質(zhì)平衡等過程，是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、氣候變化研究、可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的重要基礎(chǔ)信息。2014 年之前，國際上大多采用美國和歐盟完成的分辨率為1000 米和300 米的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其精度和分辨率難以滿足全球變化研究與可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用的需求。而30 米分辨率的遙感影像，在地理信息領(lǐng)域被認(rèn)為是用于描述全球地表覆蓋及其變化的最佳尺度。

2014 年9 月22 日，聯(lián)合國氣候峰會(huì)即將啟幕之際，中國政府正式將世界上首套30 米分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)捐贈(zèng)給聯(lián)合國。隨著人類活動(dòng)的影響，近十年來，全球地表覆蓋狀況發(fā)生了很大變化，急需新的數(shù)據(jù)來綜合監(jiān)測和評估。自然資源部在多年努力和技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)上，組織制作了2020 版30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)。

這套數(shù)據(jù)涵蓋全球陸域范圍，包括耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川及永久積雪10 種地表覆蓋類型，不僅能夠提供直觀的地表覆蓋空間分布和變化信息，還能通過空間統(tǒng)計(jì)獲得地表覆蓋類型的統(tǒng)計(jì)和變化量，被國際同行專家譽(yù)為 “對地觀測與地理信息開放共享的里程碑”。

與前兩版數(shù)據(jù)相比，2020 版數(shù)據(jù)覆蓋范圍更加完整地涵蓋了全球陸地表面，綜合利用多源影像信息，分類精度得到進(jìn)一步提升。數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品定義的全球分幅，共有966 個(gè)數(shù)據(jù)集；面積覆蓋全球陸地表面1.49 億平方千米。新版數(shù)據(jù)首次生成了完整的南極洲30 米地表覆蓋數(shù)據(jù)，并填補(bǔ)了北緯高緯度區(qū)域地表覆蓋信息空白，累計(jì)增加113 個(gè)數(shù)據(jù)集，真正實(shí)現(xiàn)了30 米地表覆蓋數(shù)據(jù)對全球陸地表面的全覆蓋。影像數(shù)據(jù)源更加豐富，質(zhì)量進(jìn)一步提升，其中國產(chǎn)自主衛(wèi)星影像覆蓋度達(dá)67%。

現(xiàn) 在，2000、2010 及2020 三版全球地表覆蓋數(shù)據(jù)形成了本世紀(jì)以來全球陸地表面每隔10 年一次的“快照”，有效反映了這20 年間全球地表覆蓋和景觀格局的總體變化狀況。

新版數(shù)據(jù)精度不斷提高

30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)被形象地稱為“快照”，但拍攝過程可不是按下相機(jī)快門那么簡單。局部的地表覆蓋信息可以通過很多方法獲取，但范圍擴(kuò)大到全球的地表覆蓋，其最佳實(shí)現(xiàn)路徑為利用衛(wèi)星遙感技術(shù)和人工智能信息提取技術(shù)，通過遙感影像解譯和分類提取，實(shí)現(xiàn)從遙感影像到地表覆蓋數(shù)據(jù)這個(gè)“快照”。

30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)研制使用了包含國產(chǎn)衛(wèi)星的多源衛(wèi)星影像，雖然用到了多種數(shù)據(jù)源，但要實(shí)現(xiàn)全球影像的高質(zhì)量全覆蓋并非易事。項(xiàng)目組選取影像的原則是，在保障影像無云(少云)前提下，擇優(yōu)選擇數(shù)據(jù)生產(chǎn)基準(zhǔn)年或更新年度年±2 年內(nèi)植被生長季的多光譜影像。

用遙感開展大范圍的地表覆蓋信息解譯，最大的難題是地表類型和特征的復(fù)雜性會(huì)引入大量的“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象。遙感解譯主要用到了地表特征的光譜和紋理特征，通俗地說，就是利用地表的“顏色”以及“形狀樣式”來區(qū)分不同地物。如同樣是耕地，水田和旱地的特征在影像上就差別很大；同一地區(qū)的森林，在冬季和夏季的特征也有顯著差異。紅樹林在分類上為濕地，但它的光譜跟森林的特征接近，這樣就給判別帶來了一系列困難。

為了盡可能準(zhǔn)確提取這些信息，項(xiàng)目組一方面通過創(chuàng)新集成各類遙感解譯分類算法并且采用分層分類的提取策略，將“同物異譜”和“異物同譜”影響降到最低；另一方面通過不同渠道收集各區(qū)域的自然、經(jīng)濟(jì)社會(huì)以及其他地理信息，并結(jié)合地物特征先驗(yàn)知識(shí)對分類結(jié)果進(jìn)行檢核，以提高地表覆蓋數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。在更新2020 版時(shí)，還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多類型變化發(fā)現(xiàn)算法、分層更新策略以及面向更新的知識(shí)化檢核為一體的全球地表覆蓋更新技術(shù)，為更新工作順利開展提供了有力技術(shù)保障。

保證地表覆蓋數(shù)據(jù)質(zhì)量，除了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，更有“國家隊(duì)”組織實(shí)施的優(yōu)勢。按照統(tǒng)一設(shè)計(jì)、分區(qū)實(shí)施、分層更新、自動(dòng)與人機(jī)交互相結(jié)合的原則，數(shù)據(jù)生產(chǎn)更新實(shí)施單位根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)程的總體質(zhì)量要求，將各類型內(nèi)涵、提取表達(dá)指標(biāo)等質(zhì)量控制元素按照分區(qū)進(jìn)行細(xì)化，依據(jù)專業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)層層落實(shí)過程質(zhì)量控制，完成數(shù)據(jù)產(chǎn)品“兩檢一驗(yàn)”。通過這一系列工作的開展，2020 版數(shù)據(jù)第三方精度評價(jià)的總體精度為85.72%，比2010 版數(shù)據(jù)提高了2 個(gè)百分點(diǎn)，保持著相同尺度全球同類產(chǎn)品總體精度最高的優(yōu)勢。

“快照”產(chǎn)生廣泛國際影響力

30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)發(fā)布后產(chǎn)生了廣泛的國際影響力。截至目前，數(shù)據(jù)已被聯(lián)合國系統(tǒng)多個(gè)專門機(jī)構(gòu)、130 多個(gè)國家、400 多個(gè)研究機(jī)構(gòu)、570 多所大學(xué)使用。聯(lián)合國已有10 多個(gè)下設(shè)機(jī)構(gòu)使用了該數(shù)據(jù)，包括聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）、聯(lián)合國維持和平部隊(duì)、聯(lián)合國教科文組織、聯(lián)合國人居署、聯(lián)合國防治荒漠化公約（UNCCD）等。這些機(jī)構(gòu)利用該數(shù)據(jù)開展了生態(tài)保護(hù)、防治荒漠化、災(zāi)害應(yīng)急制圖等工作。例如，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的世界自然保護(hù)監(jiān)測中心（UNEP-WCMC)使用該數(shù)據(jù)對全球保護(hù)區(qū)的土地覆蓋及變化進(jìn)行分析。聯(lián)合國亞洲及太平洋經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì)使用該數(shù)據(jù)支持干旱管理和土地退化防治管理。聯(lián)合國外勤部使用該數(shù)據(jù)協(xié)助分析并制定了18 個(gè)國家的維持和平行動(dòng)計(jì)劃。

與此同時(shí)，該數(shù)據(jù)在研究全球變化以及多個(gè)社會(huì)福利領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。首先，數(shù)據(jù)為我國開展全球變化研究提供了重要支持。中國國家氣候中心利用該數(shù)據(jù)開展氣候模式比較研究，相關(guān)研究內(nèi)容用于編制政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評估報(bào)告（IPCC AR6）；科技部國家遙感中心自2014 年起開展全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測工作，該數(shù)據(jù)是相關(guān)報(bào)告內(nèi)容形成的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；中國水利水電科學(xué)研究院利用該數(shù)據(jù)開展全球陸地水資源演變趨勢預(yù)測研究；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用該數(shù)據(jù)開展全球耕地及變化研究分析。其次，30米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)已被廣泛用于許多社會(huì)福利領(lǐng)域，包括氣候變化適應(yīng)、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性、抗災(zāi)、能源和礦產(chǎn)資源管理、糧食安全與可持續(xù)農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸管理、公共衛(wèi)生監(jiān)督、城市可持續(xù)發(fā)展、水資源管理等。根據(jù)用戶下載申請信息進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，占所有研究領(lǐng)域的26%以上。第二大應(yīng)用領(lǐng)域是可持續(xù)的城市發(fā)展，占所有應(yīng)用的近16%。防災(zāi)減災(zāi)、糧食安全和水資源管理領(lǐng)域應(yīng)用超過10%。

通過對數(shù)據(jù)用戶下載數(shù)據(jù)進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)非洲和亞洲地區(qū)數(shù)據(jù)下載量很高。其中，非洲坦桑尼亞、烏干達(dá)、肯尼亞等國的數(shù)據(jù)下載頻度最高，亞洲以南亞和東南亞居多，尤其是印度、巴基斯坦、尼泊爾、緬甸、泰國、老撾等國。應(yīng)用研究內(nèi)容包括坦桑尼亞的物種棲息地保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、埃塞俄比亞的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及監(jiān)測、肯尼亞的土地利用分析等。

努力提供定制化空間型地表覆蓋知識(shí)服務(wù)

從哪兒能獲取這些數(shù)據(jù)？項(xiàng)目組成員說，用戶可以從3 種途徑注冊并提交申請后下載：一是訪問網(wǎng)站http://www.globeland30.org；二是訪問國家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站www.ngcc.cn，在首頁左側(cè)找到全球地表覆蓋按鈕；三是訪問聯(lián)合國知識(shí)中心網(wǎng)站www.un-spider.org 后搜索“GlobeLand30”，即可找到數(shù)據(jù)介紹與下載鏈接。

今后，自然資源部將繼續(xù)推進(jìn)30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)的維護(hù)更新工作，并加大科技創(chuàng)新與投入，依托大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)，建設(shè)基于人工智能的地表覆蓋提取更新生產(chǎn)系統(tǒng)，不斷提高分類精度與生產(chǎn)更新效率，回溯與更新并進(jìn)，形成全球地表覆蓋長時(shí)間序列數(shù)據(jù)，繼續(xù)為全球提供高質(zhì)量的地理信息公共產(chǎn)品。

項(xiàng)目組表示，除了提供數(shù)據(jù)瀏覽下載等基本服務(wù)之外，還將依托地表覆蓋服務(wù)計(jì)算技術(shù)提供一系列在線工具，包括標(biāo)注、專題服務(wù)搜索、驗(yàn)證和統(tǒng)計(jì)分析等多種功能；為增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)的互動(dòng)感，按照地物類別，通過知識(shí)挖掘和可視化，利用知識(shí)圖譜建立了地表覆蓋知識(shí)圖集，為不同的用戶提供更加豐富和定制化的空間型地表覆蓋知識(shí)服務(wù)；后續(xù)還將鼓勵(lì)用戶利用這些工具開展全球標(biāo)注等工作，為改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量收集更多眾源信息。