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)項目組負責(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)捐贈給聯(lián)合國。隨著人類活動的影響，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)計獲得地表覆蓋類型的統(tǒng)計和變化量，被國際同行專家譽為 “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，分類精度得到進一步提升。數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品定義的全球分幅，共有966 個數(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)，并填補了北緯高緯度區(qū)域地表覆蓋信息空白，累計增加113 個數(shù)據(jù)集，真正實現(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)量進一步提升，其中國產(chǎn)自主衛(wèi)星影像覆蓋度達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，但范圍擴大到全球的地表覆蓋，其最佳實現(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，實現(xiàn)從遙感影像到地表覆蓋數(shù)據(jù)這個“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，但要實現(xiàn)全球影像的高質(zhì)量全覆蓋并非易事。項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)濟社會以及其他地理信息，并結(jié)合地物特征先驗知識對分類結(jié)果進行檢核，以提高地表覆蓋數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。在更新2020 版時，還進一步實現(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，除了強有力的技術(shù)保障，更有“國家隊”組織實施的優(yōu)勢。按照統(tǒng)一設(shè)計、分區(qū)實施、分層更新、自動與人機交互相結(jié)合的原則，數(shù)據(jù)生產(chǎn)更新實施單位根據(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、提取表達指標(biāo)等質(zhì)量控制元素按照分區(qū)進行細化，依據(jù)專業(yè)技術(shù)設(shè)計層層落實過程質(zhì)量控制，完成數(shù)據(jù)產(chǎn)品“兩檢一驗”。通過這一系列工作的開展，2020 版數(shù)據(jù)第三方精度評價的總體精度為85.72%，比2010 版數(shù)據(jù)提高了2 個百分點，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)多個專門機構(gòu)、130 多個國家、400 多個研究機構(gòu)、570 多所大學(xué)使用。聯(lián)合國已有10 多個下設(shè)機構(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、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。這些機構(gòu)利用該數(shù)據(jù)開展了生態(tài)保護、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監(jiān)測中心（UNEP-WCMC)使用該數(shù)據(jù)對全球保護區(qū)的土地覆蓋及變化進行分析。聯(lián)合國亞洲及太平洋經(jīng)濟社會委員會使用該數(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 個國家的維持和平行動計劃。

與此同時，該數(shù)據(jù)在研究全球變化以及多個社會福利領(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（IPCC）第六次評估報告（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行的統(tǒng)計，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)進行空間統(tǒng)計分析，項目組發(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、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服務(wù)

從哪兒能獲取這些數(shù)據(jù)？項目組成員說，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30 米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)的維護更新工作，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，形成全球地表覆蓋長時間序列數(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、驗證和統(tǒng)計分析等多種功能；為增強數(shù)據(jù)服務(wù)的互動感，按照地物類別，通過知識挖掘和可視化，利用知識圖譜建立了地表覆蓋知識圖集，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服務(wù)；后續(xù)還將鼓勵用戶利用這些工具開展全球標(biāo)注等工作，為改進數(shù)據(jù)質(zhì)量收集更多眾源信息。