全球30米地表覆盖遥感制图工程
全球30米地表覆盖遥感制图工程项目由国家测绘地理信息局联合国内有关部门和单位共同完成，项目研建了地表覆盖数据生产的质量控制技术体系，成功生产出世界首套全球2000年度和2010年度两个基准年的30米分辨率全球地表覆盖数据，项目荣获“2015年世界地理信息技术创新奖”。
摘 要 如何突破全球地表覆盖遥感制图关键技术，研制高分辨率、高质量、多时项全球地表覆盖数据产品，是近几年来国际对地观测和测绘地理信息领域面临的一个重大技术挑战，我国2010年正式启动的863重点项目“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究” 围绕产出30米分辨率全球地表覆盖产品这一目标，以产品工程为主线，实现研究型地表覆盖遥感制图与产品工程的有机结合，完成了全球30米分辨率地表覆盖遥感制图的总体技术研究，构建包括生产技术规范、30米多源光谱影像重建、基于POK的分层分类和全过程质量控制在内的工程化的产品研制方法与生产技术体系，研制出世界上首套全球两期(2000/2010)30米地表覆盖产品 GlobeLand30。该成果已经向全球共享，在土地利用与变化、植被、农业、冰川、气候环境、城镇化、灾害研究等方面得到广泛应用，有力地推动了相关领域研究和全球对地观测数据共享。
地表覆盖及其变化(LUCC)数据是环境变化研究和可持续发展治理的重要科学数据，其遥感制图与应用一直是国内外科学研究的热点之一。全球地表覆盖遥感制图是其中一个主要难点，面临着全球尺度带来的诸多困难，如遥感影像的全球高质量完整覆盖、面向全球复杂地理景观的地表覆盖分布与变化信息的高精度提取等。早期美国地质调查局(USGS)、波士顿大学(BU)、马里兰大学(UMD)等研究机构或大学开展了粗分辨率全球地表覆盖制图(英文简称GLC)，研制出了6套300-1000米分辨率的数据产品， 但存在着空间细节不够、分类精度不高，不同产品间时间一致性差异大等缺陷，不能满足广大用户应用需求。如何突破全球地表覆盖遥感制图关键技术，研制高分辨率、高质量、多时项全球地表覆盖数据产品，成为近几年来国际对地观测和测绘地理信息领域面临的一个重大技术挑战。
一般说来，大范围地表覆盖遥感制图研究可分为研究实验型和工程操作型两类。前者注重方法创新与测试，不特别关注数据产品及相关的质量控制问题;而后者重在产出高质量数据产品，以产品工程为主线，开展面向产品研制的工程技术研究和构建产品生产体系。我国2010年正式启动的863重点项目“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究”属于后者，围绕产出30米分辨率全球地表覆盖产品这一目标，研究全球30米分辨率地表覆盖遥感制图关键技术，实现研究型地表覆盖遥感制图与产品工程的有机结合。为此，包括国家基础地理信息中心、北京师范大学、清华大学、中科院遥感所等在内18家单位参加的科研与工程团队，完成了全球30米分辨率地表覆盖遥感制图的总体技术研究，研发出POK分类方法等关键技术和工程化的产品研制方法与生产技术体系，研制出世界上首套全球两期(2000/2010)30米地表覆盖产品 GlobeLand30。
本文主要从产品工程的角度出发，介绍全球30米地表覆盖遥感制图工程的总体思路、工程技术体系、规模化产品研制情况和主要成果及应用。
全球30米地表覆盖遥感制图涉及地表景观复杂多样、混合像元普遍存在、影像质量不一、多种参考资料庞杂、数据海量、工程庞大、参与人员众多、工程周期固定等，是一个影响因素众多、技术过程复杂的遥感科技工程。从工程的角度来说，其核心问题是如何合理地制定产品标准、科学地开展分类制图、有效地控制产品质量。以往地表覆盖遥感制图的文献主要集中在分类方法和最终产品结果精度评价等方面，对大范围产品研制、过程质量控制讨论极少。为了研制出高质量、标准化的全球30米地表覆盖数据产品，需要建立科学的产品标准和生产技术规范、适应30米地表覆盖特点的遥感制图技术方法和严密的质量控制手段及生产技术规范，以保障最终的地表覆盖分类数据产品精度可靠、指标一致、集成规范，达到产品总体要求。
(一)科学制定数据产品及技术规范，支撑标准化产品研制
数据产品和技术规范是开展产品标准化研制和产品一致性和精度的保障，主要包括类型分类体系、最小制图单元、产品规格及元数据、数据处理方法等。
1、地表覆盖分类体系
表1给出了GlobeLand30所表达的地表覆盖类型。其首先是考虑了全球变化研究对地表覆盖分类的要求，其次是顾及了从30米遥感影像提取地表覆盖类型信息的可行性与精度，再者是考虑了在较短时间内完成两期全球地表覆盖数据产品的工作量。
表1 GlobeLand30包含的10大地表覆盖类型
2、最小制图单元
最小图斑是指分类时进行严格精度约束的最小图斑尺寸。根据30m分辨率遥感制图表达与制图综合的要求，在参考对应标准比例尺地物要素指标基础上，全面分析30m空间尺度特征和各地表覆盖类型的全球地域特征，设计产品各类型的最小制图单元(见表2)，较好顾及了各地类在30m影像上的表现能力、在不同地形上的分布差异以及各地类的重要性差异等特性，保障了地表覆盖成果能有效地反映当地的景观格局。
表2 各类型最小制图单元
3 数据处理方法
针对全球30米遥感制图需要，研究制定了生态地理分区划分和样本采集方案。根据影像、参考资料的收集情况，在开展产品中试的基础上，明确了各类型的主要提取方法与技术流程，明确在各类型提取中的主要质量控制参数，对整个地表覆盖类型提取工作的实施进行规范，保障组织实施时能按照统一、要求开展规模化产品研制工作。面向数据发布与服务，设计产品分幅规格、数据格式、文件内容和组织形式，确保形成标准化数据产品。
(二)将全要素复杂制图分解为单要素提取与集成，实现产品的高精度研制
为克服同物异谱和异物同谱带来的全球地表覆盖遥感制图难题，我们研究提出了基于“像元-对象-知识”的POK分类方法，实现像元光谱自动分类、纹理结构的对象化分割和生态地理知识的有机结合，为降低了误判率和漏判率提供了先进思路与方法[4]。但地球陆地表面范围广袤，景观复杂多样，从海量30米遥感影像中提取全要素地表覆盖信息的过程极端复杂。为了降低产品研制的难度，将全要素地表覆盖遥感制图分解为单要素提取与集成，形成分要素的POK技术方法，以充分适应每一地表覆盖类型和每景遥感影像的特殊性。同时，根据POK各技术环节的需要，最大限度地挖掘和利用各种可资利用的参考信息。
1、分层分类提取：由于全球范围内各个地表覆盖类型的光谱、纹理、季相等特征十分复杂，为简化分类问题，将地表覆盖全要素分类处理分解为按类型逐一要素分别提取。针对各要素自身的光谱、纹理、季相等特征，及其所在生态地理区域的地表覆盖特征，通过分类器组合进行像元级分类，以尽可能减轻同物异谱和异物同谱问题对分类精度的影响。
2、对象知识精细化分类：基于单一影像光谱纹理信息开展分类很难实现类型的高精度提取。以对象化图像处理技术为基础，对影像上反映出的光谱与形状异质性进行多尺度分割，确定出地表覆盖斑块，很好地解决分类中常见的椒盐误差。根据各种参考资料(高分辨率影像、GIS数据、已有分类产品等开展数据挖掘，提取数据检核知识规则进行结果检核，开展知识级的分类数据优化完善，实现30米遥感影像地表覆盖光谱、纹理及生态地理特性的有效综合利用，大幅提升全球尺度下遥感分类的准确性，达到精细化制图的效果[33,37]。
3 、影像光谱纹理信息重建：为解决因受传感器时空分辨率的制约、数据源自身缺陷(Landsat7 ETM+ SLC-off)以及云污染的影响导致的全球30m遥感影像覆盖存在空间和时间两个尺度的数据缺失问题，通过发展30米多光谱影像高精度几何、辐射与时空缺失数据重建等影像处理方法[4]，实现对全球海量多光谱影像在时空谱维度上的统一化处理和影像光谱信息最优化利用，为像素级各种分类方法提供了全球分类影像的最佳覆盖和有效的光谱纹理信息。
(三)开展全过程质量控制，确保数据成果质量
资料、经验、人员等均影响着全球地表覆盖数据产品质量。为了确保GlobeLand30的产品质量，在其分景提取、多类型集成、产品优化完善等核心环节进行质量控制，明确每个过程阶段的质量控制重点，以符合地表覆盖规模化生产的需要。
1、分景提取质量控制：主要是控制在组织单类型分景提取时的结果质量。主要依据是类型定义和类型错漏图斑大小的约束条件(见表3)进行检查，确保分景提取的基本精度。
表3 各类型最小漏提、错提图斑数
2、成果集成质量控制：主要是对形成的单类型成果在集成前开展的质量控制。主要依据数据产品规格，在顾及时相和完整性的基础上，协调图斑地物接边等尺度一致性问题，确保了分幅集成数据满足规范要求。
3、产品优化质量控制：主要是为对地表覆盖产品优化完善过程中的质量控制。依据类型间易混分的介定判断，通过知识化检核信息交互，处理产品优化的结果是否与实际相符和分类不确定性的趋同性问题。
以产品工程为主线，构建面向全球地表覆盖产品研制的工程体系(见图1)。其主要包括个主要组成部分：1)生产技术规范;2)30米多源光谱影像重建;3)基于POK的分层分类;4)全过程质量控制等。
图 1 全球30米地表覆盖遥感制图产品工程技术体系
(一)生产技术标准与规范
构建了包括总体技术、影像资料处理、类型提取、质量控制与评价在内的工程化技术标准规范。其中，总体技术规范包括《全球地表覆盖遥感制图总体技术方案》、《全球地表覆盖数据产品规定》、《全球地表覆盖分类体系需求分析与研制报告》3项;影像资料处理技术规范包括《全球30米分辨率遥感影像几何纠正技术规定》、《30米分辨率全球遥感影像辐射处理技术规定》、《全球地理生态分区技术方案》3项;类型提取技术规范包括《全球地表覆盖遥感分类样本抽样方案》、《全球地表覆盖遥感制图水体提取与集成技术规定》、《全球地表覆盖遥感制图湿地提取与集成技术规定》等共7项;质量控制与精度评价技术规范包括《全球地表覆盖分类产品质量评价方案》、《全球地表覆盖遥感制图过程质量控制方案》和《全球地表覆盖遥感制图质量管理办法》3项。
(二)30米多光谱影像重建
构建了对30m多光谱全球尺度数据集自动化高精度预处理的技术方法体系和软件系统，形成了批量数据自动辐射校正/几何校正和缺失数据修补及多时相重建的能力。针对宽视场角卫星影像内部畸变复杂的问题，研发了宽视场角遥感影像高精度快速几何处理技术和软件工具，解决了全球环境减灾卫星-1CCD影像与Landsat TM影像高精度配准难题，从而扩大了可用影像资料来源。提出了适合不同传感器自动化辐射校正的技术路线并通过预置全球基础数据指导辐射校正过程中相关参数的自适应选取，使辐射校正的软件系统在自动化和批量处理能力满足了覆盖全球的大范围影像处理。针对30m遥感影像全球最优覆盖面临的数据缺失、缺乏多时相数据等方面存在的难题， 提出邻近相似像元插补(NSPI)算法，对全球大范围的Landsat7 ETM+条带数据和遥感影像云污染进行插补修复处理;构建了非均质地表反射率尺度转换模型(ESTARFM)，实现了30m影像多时相、多光谱数据重建;发展了NDVI线型混合增长模型(NDVI-LMGM)，实现了多时相30mNDVI数据重建。这一系列时空缺失数据重建方法保证了30m遥感影像全球覆盖的时空连续性，最大程度挖掘了影像的光谱信息。
(三)基于POK的分层分类
采取了单要素分层分类的策略，对水体、湿地、冰雪、人造覆盖、耕地、林灌草等单一类型进行逐一分类提取，利用10大类型自身的特点和相应的光谱指数、纹理特征及多时相特征，选择分离度较好的分类特征和分类器，组合进行像元级分类，以尽可能减轻同物异谱和异物同谱问题对分类精度的影响。
针对像元级分类容易产生“椒盐效应”的误差，将像元级分类成果与对象化分割技术相结合，提出对象化过滤方法，即利用多尺度分割技术确定地表覆盖斑块边界，依据像元级分类结果的比例，判定斑块所代表的地表覆盖类型。对象化过滤方法有效改善了像元级分类结果，提高了地表覆盖制图的空间连续性。
对征集的遥感、地理和生态等方面专家意见，收集已有地表覆盖数据、DEM、地表覆盖统计数据等参考资料，按照宏观分布、区域过渡和地表覆盖变化三个方面，归纳了基于自然地理的地表覆盖分布知识、基于人文的地表覆盖分布知识和地表覆盖变化知识，提炼出描述全球地表覆盖数据的空间一致性、时间连续性和关系协调性等的知识规则，作为知识化检核的依据，进行网络化交互式协同检核，借助服务平台发现并定位分类异常区域，对判定的错分/漏分问题进行优化。
(四)过程质量控制
对分景提取质量控制参照测绘产品的质量控制流程，加强分景提取过程中各工序的质检，依据质量检查方案的具体规定，采用质量检查记录进行质量控制。对产品生产过程中的每个环节形成记录，实行研制过程成果数据100%自检、100%互检和10%专检的三级检查制度，质量控制的内容监督分类训练样本质量检查、地物类型提取结果的质量检查、分景接边的质量检查。
多类型集成质量控制检查通过集成算法使生成的分幅单类型产品满足其在数学基础、定位、编码、命名等方面的标准化规范化要求，包括一般项检查和各类型一致性检查。一般项检查包括数据完整性检查、坐标系统检查、详细程度一致性检查、错漏提率和数据接边情况检查。各类型一致性根据各类型不同特点分别开展，如湿地检查项包括水田的错分、重要湿地的遗漏、沙滩(河漫滩、海滩)与湿地的错分、沿海湿地的准确性等问题。
产品优化完善质量控制依托基于全球地表覆盖信息服务模型30m地表覆盖信息服务平台开展。平台采用面向服务契约的自适应集成技术，实现了从服务(语义层面)、功能(功能实现)和参数(输入输出等)三个层级的异质异构地表覆盖资源的服务化整合与集成，将天地图、Geo-Wiki、OpenStreetMap等多种异构服务构建为统一的地表覆盖数据服务环境。借助服务平台发现并定位分类异常区域，将基于地表覆盖分布及变化的知识规则在线化，通过数据统计分析、空间分析和人机交互目视对比等手段，发现、定位、标注分类异常区域，进行网络化交互式协同检核。
为了保障全球地表覆盖数据产品研制的有序稳定推进，将地表覆盖产品的研制工作按照影像资料收集处理、单类型分景分层提取、多类型分类成果集成和数据产品优化完善步骤进行组织实施。
(一)影像资料收集处理
全面、丰富、详实的影像及参考资料是保障本数据产品研制的基础。为完成两期地表覆盖信息提取与数据研制工作，共完成2000基准年10270景TM影像、2010基准年9907景TM影像和2640景HJ-1影像的数据收集以及几何辐射处理(示例见图2)。对2010期影像中1354景条带缺失影像完成了条带插补处理，实现了全球30米影像的最佳覆盖，并按照分类方法的需求对数据进行了处理。
a.2000基准年
b.2010基准年
图2 Landsat影像覆盖及时相情况
针对各类型、各区域和国家的局部参考资料的收集与分析，作为分类提取、数据完善等环节的重要参考。生成了全球生态地理分区数据，结合全球地形、土壤、气候、植被等情况将全球划分为816个生态分区。收集处理了MODIS、NDVI数据，形成了包含23个波段、250米空间分辨率的NDVI时间序列数据。收集了两套全球DEM数据、6套已有全球地表覆盖数据、区域地表覆盖数据，对数据精度、类型转换进行了评价，制定参考利用方案;收集了全球1：100万基础地理信息数据、世界数据海图(Vmap)全球湖泊湿地数据、拉姆萨尔湿地名录、全球冰川名录和其它区域性参考资料。
(二)单类型提取规模化生产
将全球划分为欧洲、大洋洲及南极洲、美洲、亚洲和非洲5个工作区，各工作区按照各项生产技术规范要求，并结合各区域的地表覆盖特征、已有数据资源情况和总体技术路线，组织开展数据研制工作。各区按照水体、湿地、人造地表、耕地、冰川与永久冰雪、裸地林灌草、苔原为各类型的提取顺序，对单类型地表覆盖信息进行提取。一个类型提取完成后，进行影像的掩膜处理，利用掩膜后的影像进行后续类的提取，直至完成分景影像的全部类型提取。
通过分析分区影像单元的地表覆盖类型特征分析，结合生态地理分区和参考资料，着重分析该区域单类型特点与难点、影像资料特点的基础上，开展了分区提取技术设计。根据提取难易程度、提取效率和分类精度等情况，选取最优的分景单类型分类提取方法，组合形成区域的规模化提取技术流程，再参考已有高分辨率地表覆盖数据和高分辨率影像进行人机交互编辑处理，形成单类型单景分类成果，以保证每个分区采用的方法能够适应该区域地表覆盖类型分布特征，提高分类提取的精度。
(三)多类型分类成果集成
将单类型分景结果进行单类型地表覆盖产品集成和全类型地表覆盖产品集成，完成从单景分类数据到标准分幅的拼接与裁切，检查数据的完整性和类型代码的正确性，研制出全球2000年度和2010年度两个基准年的30米分辨率地表覆盖分幅数据。数据采用WGS84坐标系统、UTM投影、6度分带。为了便于数据存储与共享，数据的分幅方式按照所处纬度进行两种分幅：在南北纬60º区域内，按照5°(纬度)×6(经度)°的大小进行分幅;在南北纬60º至80º区域内，按照5°(纬度)×12(经度)°的大小进行分幅，按照奇数6°带的中央经线进行投影。共形成覆盖全球(除南极洲之外)的分幅数据总数为853幅。在多类型分类成果阶段的主要质量控制手段是进行尺度一致性处理，目的是确保分幅集成数据满足数据产品规范要求，并针对各个类型的不同特点，开展针对性的检查。GlobeLand30分幅如图3所示。同时建立相关坐标信息、元数据等文件，一个完整的分幅30米分辨率地表覆盖产品数据包括了分类成果文件、坐标信息文件、分类影像接图表文件、元数据文件和说明性文件等5部分。
图3 GlobeLand30分幅示意
(四)数据产品优化完善
在服务平台的支撑下，基于地表覆盖分布及变化的知识规则，通过数据统计分析、空间分析和人机交互目视对比等手段，发现并定位分类异常区域，判别发现数据成果中存在的错提、漏提等质量问题，并允许检核人员以点、线、面的方式标绘出现错误区域，自动记录下错误类型、空间位置、错误描述等信息，并发布在网络平台，通过在线汇聚，并有序的传递，最终形成需要修改的错分/漏分信息。按照标报的修改信息对数据进行改正，并将修改结果在线汇聚。数据产品的优化表现在图幅整体性趋势错误的改善，有地类判别错误的校正，有细节上的修改。采用发布订阅模式，实现了数据检核与数据优化工作之间的信息交互和多用户协同，从而有效地实现了两期数据的检核与优化。数据检核优化流程如图4所示。
图4 顾及多元知识的检核优化流程
(一)数据成果与服务平台
经过全国18家单位上百名科技人员的四年努力，世界上首套30米分辨率全球地表覆盖产品GlobeLand30成功完成研制。其涵盖全球陆域范围，包括水体、耕地和林地等十大类地表覆盖信息，具有三个主要特点：
1、更高空间分辨率：与欧美国家1000米和300米分辨率产品而言，GlobeLand30将覆盖全球的地表覆盖产品空间分辨率整体提升了1个数量级。
2、两个时相：GlobeLand30不仅能提供直观的地表覆盖空间分布，由同一个研究团队利用相同的分类方法研制2000年和2010年两期数据，具有较好的一致性，可更好地支持地表覆盖变化的监测和分析。图5显示了2010年的数据成果。
3、较高精度：第三方单位采用基于空间数据二级抽样检验模型，从全球选取了15万多个检验样点，对GlobeLand30进行了精度评估，得出GlobeLand30的总体分类精度为83.5%。
图5 GlobeLand30数据成果(2010期)
为了更好地提供GlobeLand30数据服务，建成了首个全球30米地表覆盖信息服务平台(www.globeland30.org)(见图6)，目前已提供以下服务：
1、数据浏览：实现了对原始影像、分类成果、参考数据等异质数据以及天地图、Google Map、Bing Map等异构服务的集成浏览与无缝切换，能够让用户快速定位到感兴趣的区域，并根据需要快速切换各种数据的叠加与对比显示;
2、数据下载：建立实现了用户注册、申请、审核、下载的共享服务流程;
3、在线标注：提供面向众包的地表覆盖信息在线标报功能，充分发挥用户的作用，收集现有地表覆盖数据存在的质量问题，为数据修改和更新提供参考依据;
4、在线统计分析：针对不同的地表覆盖类型，提供在线的统计功能，主要包括面积统计、密度统计、变化统计，以及结合人口、经济数据的专题统计等内容。其统计方式有两种：一是根据行政区划查询事先计算好的统计数据;二是根据用户勾选的空间范围进行在线计算。
图6 www.globeland30.org服务平台
(二)初步应用
2014年9月22日联合国气候峰会期间，张高丽副总理代表中国政府将该套数据捐赠于联合国，供联合国系统、各成员国和国际社会使用[5]。截止2015年9月，已经有来自美国、加拿大、意大利等102个国家的用户下载了GlobeLand30数据，下载总图幅数超过10万多幅，部分典型用户如表4所示。用户包括土地利用与变化研究;地表覆盖变化及分类研究;森林植被、农作物、冰川、地形研究;气候环境研究;城市扩张、城乡发展规划研究;生态及生物多样性研究;风险灾害研究以及实验教学等诸多领域。
表4 GlobeLand30的典型用户
联合国秘书长潘基文认为，这套数据将使我们更好地理解、监测和管理全球地表使用及变化。联合国环境署(UNEP)世界保护监测中心(WCMC)利用GlobeLand30开展全球21万个保护区的生物多样性保护评价方面的研究。科技部遥感中心利用GlobeLand30的水体和人造地表数据成果完成了“全球生态健康遥感监测”2012和2013年度报告的制定，对全球陆表水域和城乡建设用地的空间分布、时空变化、用地效率、用地转化等进行了较翔实的解读和分析;中国环科院利用GlobeLand30数据开展了中国生物多样性保护方面的研究工作。国家遥感中心评价称“是中国首次生产并向全球用户分发30米分辨率全球地表覆盖遥感数据产品，弥补了我国没有自己全球地表覆盖数据产品的空白，改写了中国只是他人产品使用者的历史，同时极大地促进了全球对地观测数据共享”。
在国家863计划支持下，项目以产品工程为主线，完成了全球地表覆盖遥感制图关键技术研究，构建了面向产品研制的工程化生产技术体系，完成了两期(2000/2010)全球30米地表覆盖产品 GlobeLand30的研制。以徐冠华院士为主任的评审专家委员会认为，该成果“填补了国际空白;在产品标准化、关键技术研究和工程化应用等方面取得了突破，总体上达到国际领先水平”。国际地理信息著名杂志GIM发表署名文章评价“GlobeLand30是对地观测和开放地理信息领域的里程碑”。
应该指出的是，这是万里长征走完了第一步，仅仅解决了“从无到有”的问题，尚需解决“从有到优”、“从数据到知识”、“从成果到服务”等一系列难题[6-7]。我们应该继续努力，构建集时序数据、细化类型数据、专题数据为一体的全球地表覆盖数据体系，开展以地理世情为目标的深层次应用，建成功能完备服务高效的全球地表覆盖信息服务平台，进一步巩固领先地位，扩大我国在该领域的国际影响力。这对于建设形成以我为主的国际合作网络，逐步掌控全球基础地理信息战略资源，提高我国政府应对全球变化和制定资源管理与环境保护政策的能力、增强我国在全球变化领域的发言权、提升我国软实力具有重要意义。
陈军：教授，博士生导师，国家基础地理信息中心总工程师，国际摄影测量 与遥感学会主席
廖安平、彭舒、陈利军、张宏伟：国家基础地理信息中心
何超英：国家测绘地理信息局科技与国际司
本文源自《测绘地理信息蓝皮书》
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