遥感“天眼”巡天下：全球首套10米地表覆盖制图
图 世界首套也是唯一一套10米分辨率全球地表
覆盖制图产品：FROM-GLC10
来源：https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.03.002
导读
地表覆盖数据是认识全球变化格局和机理的基础，也是地球系统模型的关键参数，但获得高分辨率高精度全球地表覆盖数据是一个世界难题。一方面，高精度分类缺乏理论指导，分类算法、样本影响全球分类精度的机制尚不明确；另一方面全球样本采集困难，人工采集效率低，同时已有样本缺乏充分的全球代表性。国际主流地表覆盖制图产品均来自国外，我国在该领域起步、发展较晚。
本文总字数2363，阅读约8分钟。
作者简介
刘涵，清华大学地学系18级直博生，师从宫鹏教授，主要研究方向为：全球地表覆盖制图，2020年清华大学特等奖学金候选人。
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环境监测对地表覆盖信息精度
提出更高要求
地表覆盖数据是在地球观测系统领域带来九大社会效益所需的重要变量之一，可服务于生态和资源环境的评估、管理和决策，促进可持续发展。地表覆盖制图也是气候变化研究、生物多样性保护、能量平衡、碳氮水等要素循环过程的基本变量，是定量遥感高精度反演能量平衡、碳循环、水循环参数的重要基础数据和地球系统模式的关键输入参数之一，对于环境变化及模拟研究具有重要价值和意义。此外，地表覆盖数据为国民经济和社会发展提供了重要的基础数据。
当前世界发展面临一系列挑战，如人口增长、城市化、农业扩张以及气候变化对粮食安全的影响、能源和水资源短缺、资源过度开采、生物多样性丧失和环境污染等。随着社会经济持续快速发展，工业化、城市化进程的加快，全球耕地正遭受巨大威胁，这将直接影响粮食安全；同时一系列的生境破坏、森林退化问题，也极大地破坏着全球自然生态系统的可持续性。为了保护耕地和生态环境，需要高精度的土地覆盖、土地利用数据来监控土地变化。同时，城市的快速扩张引起的森林退化、生境破坏等问题，城市规划的制定与效果评估亦需要在较高的分辨率上对土地覆盖、土地利用进行识别。
此外，洪涝及林火等自然灾害可能造成的影响与城市、森林及其他类型土地的空间分布密切相关。最后，退耕还林、保护耕地等土地政策和生态保护工程的目标制定与实施效果评估，均需要土地覆盖、土地利用数据作为定量化的依据。综上，为维护人类健康和实现联合国可持续发展目标，需要及时的更高分辨率的地表覆盖信息，从而能够更好地进行环境监测。
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清华宫鹏教授团队攻克世界难题,率先研发FROM-GLC10
遥感卫星影像由于具备长时间监测能力、较高空间分辨率等特点，已成为土地覆盖、土地利用变化监测的重要数据源之一。为了满足各种应用需求，人们基于遥感数据开展了土地覆盖、土地利用制图的不懈努力。然而，国际主流产品空间分辨率最高为300米，远远难以满足应用需求。为此，2011年，宫鹏教授团队，率先利用Landsat卫星影像研发出世界首套30米精细分辨率的全球地表覆盖图（FROM-GLC）[1]，首次开启地表覆盖高分辨率制图时代。然而，随着日益旺盛的地表覆盖信息的应用需求，我们仍需要更高空间分辨率，更高精度的全球地表覆盖产品。而开发这样的产品，需要依赖大量的人力和很强的计算能力。
对此，宫鹏教授团队刘涵等基于2011年以来在全球30米地表覆盖制图获得的经验和在样本库建设方面的积累、10米分辨率Sentinel-2全球影像的完整存储和免费获取，以及Google Earth Engine平台强大的云计算能力，开发出了世界首套也是唯一一套10米分辨率的全球地表覆盖自动制图产品——FROM-GLC10 [2]，实现了全球地表覆盖变化高分辨率、高精度快速监测。该产品填补了同类产品的空白，使我国处于世界领先地位，将国外同类制图产品空间分辨率从 300 米提高到10米，总体精度提高了15%~20%，攻克了高分辨率全球尺度地表覆盖制图这一世界性难题。
图1. 世界首套也是唯一一套10米分辨率全球地表覆盖制图产品——FROM-GLC10
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FROMGLC10制图理论
及有效性保证
FROM-GLC10产品基于宫鹏教授团队构建的全球首套多季节样本库，其中训练集包含大约340,000个不同大小的样本，覆盖全球约93,000个样本点位；验证集包含大约140,000个不同季节的样本，覆盖超过38000个样本点位。将该基于Landsat卫星影像构建的2015年30米样本库应用于Sentinel-2卫星2017年10米影像，得到全球10米地表覆盖图。通过对样本数量和误差的深入分析和模拟，提出“有限样本稳定分类”理论，保证了样本迁移的有效性。该理论指出了全球训练样本迁移到其他年份或不同传感器获取的遥感数据对最少样本数量和误差限度的要求，找到了分类算法随全球样本数量和质量变化的收敛条件，揭示了跨年度、跨区域、跨卫星数据类型样本迁移的有效性，具有普遍借鉴和指导意义[3]。
图2. 分类器对样本数量的敏感性及样本错误的容忍度的测试结果
全球地表覆盖制图与监测已成为世界可持续发展和全球环境变化的关注热点[4]。宫鹏教授团队提出的研究样本普适性、算法收敛性和计算复杂性的新理论、模型和方法，显著提升了全球地表覆盖遥感识别的精度和效率。作为当前最精细的全球地表覆盖数据，FROM-GLC10使我国在全球地表覆盖制图方面继续走在前列，具备随时对世界任何地方农业、森林、水面等状况的快速制图和监测能力。相关数据已免费面向全球公开发布，这大大提升了我国遥感数据处理和地表覆盖制图的技术水平，显著提升了卫星遥感数据的使用效率，扩大了我国卫星遥感应用的国际影响力和领导力。
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结语
作为重要的地球观测手段，遥感在自然资源管理、全球变化研究中具有不可替代的意义和价值。为适应日益增长的应用需求，未来遥感技术的应用走向现代化和精细化时代。地表覆盖制图与监测将不断向高分类精度、高空间分辨率、高时间频率和精细化类别方向发展，为支撑政府监管决策、推动全球可持续发展目标的实现、构建人类命运共同体做出新的贡献。
参考文献
[1] Gong P, Wang J, Yu L, et al. 2013. Finer resolution observation and monitoring of global land cover: First mapping results with Landsat TM and ETM+ data. International journal of Remote sensing [J], 34: 2607-2654..
[2] Gong P, Liu H, Zhang M, et al. 2019. Stable classification with limited sample: transferring a 30-m resolution sample set collected in 2015 to mapping 10-m resolution global land cover in 2017 [J]. Science Bulletin, 64(6): 370-373.
[3] Huang H, Wang J, Liu C, et al. 2020. The migration of training samples towards dynamic global land cover mapping. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 161: 27-36.
[4] Liu H, Gong P, Wang J, et al. 2020. Annual dynamics of global land cover and its long-term changes from 1982 to 2015. Earth System. Science Data, 12, 1217–1243.
文稿｜刘 涵
编辑｜陈旭佳 高松龄 李惠乾
李艳文 邱雨浩 周圣钧
审核｜赵 鑫 张可人