陈军:全球地表覆盖遥感制图的发展动向

2013/12/12 16:25:17

      近些年来极端性天气频繁出现,给世界各国带来了巨大的危害,全球变化及其影响逐渐成为全人类关注的焦点。据全球语言监测机构报道,“全球变暖”和“911”是2000年至今全世界使用频率最高的词语。而2009年末在丹麦哥本哈根召开的世界气候变化会议,更是充分反映出世界各国政治家、科学家和社会公众高度关注全球变化带来的负面影响。
      为了有效地应对全球变化及其影响,国际社会和世界上有关国家正致力于研究解决全球变化所带来的一系列科学问题,主要集中在:客观分析全球变化的基本事实和客观规律,科学预测全球环境变化的未来趋势及其影响。美国国家科学基金会(NSF)最近公布了新“地球科学远景”,将对地球系统复杂变化行为的理解与预测列为三大挑战之一。国际科学联合会(ICSU)正在组织认定全球可持续发展的优先研究领域,呼吁切实加强未来环境条件及其对人类影响的科学预测、全球与区域环境变化管理观测系统研制等,为应对全球环境变化提供有效的知识和信息支持。
      我国政府高度重视全球变化研究。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》环境领域把“全球环境变化监测与对策”作为优先主题;国家科技部将全球变化研究列为“十二五”期间重大研究计划,并在“十一五”期间先期启动了全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究、全球地表参数遥感提取方法研究等四个863重点项目,加大了我国在人类活动和全球变化的相互影响机制、地球系统模式、全球变化研究中的地球观测数据同化与应用等方面的研究力度。
      地表覆盖(Land Cover)是指地球表面各种物质类型及其自然属性与特征的综合体。其空间分布反映着人类社会经济活动过程,决定着地表的水热和物质平衡,其变化直接影响到生物地球化学循环,改变着陆地-大气的水分、能量和碳循环,以至引起气候变化。科学准确地测定全球地表覆盖的空间分布与动态变化,对于研究地球系统的能量平衡、碳循环及其它生物地球化学循环、气候变化等有着十分重要的意义。
      国际社会十分重视全球地表覆盖及其变化研究。国际地圈生物圈计划(IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)开展了土地利用/覆盖变化核心项目,联合国粮农组织(UN/ FAO) 开展了土地利用分类项目,国际卫星对地观测委员会(CEOS)提出了全球森林和地表覆盖动态监测项目;美国启动了NASA土地利用/ 覆盖变化研究项目、部门间气候变化科学项目中的地表覆盖项目等。其中遥感是大范围地表覆盖测定及动态变化监测的主要有效手段,发挥着不可替代的作用。
      就全球尺度而言,其地表覆盖测定与变化监测是一项复杂的遥感系统工程,涉及到覆盖全球的遥感数据获取,多类型、多时相海量遥感数据的几何校正与辐射处理,地表覆盖类型的信息提取、数据产品精度的验证等诸多技术环节。经过十多年的不懈努力,美国和欧盟等相继研制了5套全球地表覆盖数据产品,其中4套空间分辨率为1km,1套空间分辨率为300m。 4套1km产品分别由美国地质调查局(USGS)(Loveland et al., 2000)、马里兰大学(UMD)(Hansen et al., 2000)、波士顿大学(BU)(Friedl et al., 2002)和欧洲(Fritz et al., 2003)开发,300m分辨率的GLOBCOVER由欧洲空间局研制。这些产品已在全球变化研究与地球模式模拟中广泛应用。
       我国在地表覆盖遥感方面开展了一系列研究与应用工作,如中国科学院利用TM 资料完成了多期全国地表覆盖与土地利用制图、完成了基于Landsat TM和中巴资源卫星(CBERS) 数据的中国湿地遥感制图,实施了全南极洲地表覆盖制图项目;国土资源部组织开展全国土地资源大调查和动态监测等。此外,国家测绘局参与完成了全球测图中国境内地表覆盖制图,与澳大利亚合作开展了碳计量的遥感动态监测;中国林业科学院和中科院地理所等单位在东南亚开展土地覆盖变化监测项目;中国农业科学院等单位与西亚国家联合开展荒漠化监测项目等。但就总体而言,以往我国这方面的研究工作主要限于境内,对全球尺度的地表覆盖遥感研究甚少。
    随着全球变化研究的不断深入,原有全球地表覆盖数据产品的局限性与不足逐渐显现,主要表现为以下三个方面:
    1.分类体系不能满足地球系统模式需求。
    美国三套全球地表覆盖数据产品采用的是国际地圈生物圈计划(IGBP)的17类覆盖类型分类系统,而欧洲两套数据产品GLC2000和GLOBCOVER采用的是粮农组织22类的分类方案 (FAO LCCS)。这些分类体系与地球系统模式需求有一定差异,往往需要结合其它资料(如温度)进行处理转换,方可生成模式所需参数化所需的植被功能分类(Bonan et al., 2002)。
    2. 第三方精度评价较低。
    现有四套1km 全球地表覆盖数据是依据较低分辨率(1km)的AVHRR、MODIS和SPOT/VEGETATION资料,美国地质调查局利用计算机分类和人工编辑生成,马里兰大学和波士顿大学用不同分类树算法完成,欧洲GLC2000由来自世界上19个地区的工作人员采用不同分类算法制作完成。欧洲300 m 分辨率的全球地表覆盖产品2008年8月刚刚面世,其是将全球分为22个生态气候区,在每一生态气候区采用不同多维迭代聚类方法进行分类。这些产品相互之间的一致性较差,且第三方精度评价不高。
    3. 时相局限性较大。
    前述第一、二种产品主要是根据NOAA/AVHRR数据合成的1992-1993年每旬的归一化植被指数(NDVI)生成的;第三种产品是利用2000-2001年MODIS数据生成的;第四种产品是利用上世纪九十年代SPOT/  VEGETATION数据生成的;第五种产品利用的是2000-2005年的ENVISAT/ MERIS数据。它们所代表的年代具有较大局限性,无法反映最新全球地表覆盖状况,难以用于地表覆盖变化效应的研究。
    目前全球变化研究与地球模式发展对全球地表覆盖数据产品提出了新的需求,需要具有较高时空分辨率、更加符合全球变化需要、精度较好的全球地表覆盖数据产品。
   1.贴近地球系统模式分类需求。
   针对目前地表覆盖分类系统不适合地球系统模式需求这一问题,美国科学院有关院士曾建议关注全球植被生态类型、木本植被季相、叶类型(常绿、落叶)、草本植被的光合作用途径(C3、C4植物类型)以及植物受干扰的类型和强度(DeFries et al., 1995),使用少量的地表覆盖类型-植被功能类型(PFT),尽量准确地刻画PFT的空间分布和比例(DeFries et al., 1999; Hansen et al., 2002)。顾及季节性地表覆盖单元的分类策略、以植被功能划分为核心的分类体系等是这方面的代表性研究工作。
    2.提高地表覆盖数据产品的时空分辨率。 
   在过去的十多年里,全球地表覆盖数据产品的空间分辨率从最初的1度提高到8km、1km、300m。随着新一代地球系统模式的发展,全球地表覆盖数据产品的空间分辨率还将进一步向250米、100米和30米发展,局部地区甚至需要更高的空间分辨率。此外,不仅要提供地表覆盖类型,还需要提供亚像元尺度的比例信息,以满足未来地球系统模式高精度参数化的需要。另一方面,时间上则从特定单一年份向逐年、季节产品发展,向动态监测和持续更新发展。
    3.改善地表覆盖分类精度。
    过去主要是采用传统的数理统计方法,结合人工解译,对单传感器、单时相遥感数据进行分类处理,在综合运用多源知识和多类型算法方面尚有较大提升空间。此外,全球尺度范围的生态分区细分、样本训练和检验样本合理布局、分类产品质量控制等仍需改进和完善。
     为了有效地支撑我国全球变化研究和地球系统模式发展,我国最近正式批准设立了863重点项目“全球地表覆盖遥感制图及关键技术研究”。该项目的总体目标是,设计和研制出填补我国空白、具有国际先进水平的新一代全球地表覆盖数据系列产品,为全球变化和地球系统模式研究等提供可靠的基础数据支撑。同时,研究发展全球地表覆盖产品遥感生成与更新的关键技术,研建实用的成套生产技术系统,形成全球地表覆盖遥感产品的规模化生产、更新与服务能力;通过应用示范研究,对新一代地表覆盖产品进行定量评价。
    该项目的主要研究任务包括:全球地表覆盖遥感制图总体技术研究、全球遥感影像处理与数据集成研究、全球地表覆盖遥感数据产品研制、全球地表覆盖变化检测与数据更新技术研究、地表覆盖遥感数据在地表过程模拟中的应用示范。其总体实施思路是:
 1)通过多学科交叉合作与集中攻关,研究解决全球地表覆盖遥感制图的关键技术;
 2)最大限度地利用国产遥感数据源,通过多源数据集成处理,实现全球范围高质量遥感数据完整覆盖;
 3)以规模化产品批量生产为核心,精心组织技术试验、产品中试、分区产品生产及质量检验,有效地实施全球地表覆        盖制图工程;
 4)开展前瞻性研究,为全球地表覆盖遥感数据产品的持续更新及其与地球模式对接提供技术储备;5)以国内力量为主体,充分利用国际人才与数据资源,实现产品的国际化。
     该项目的实施将有力地提升中国全球变化与地球系统科学研究水平,促进我国全球遥感应用研究水平的全面提升。新一代高分辨率全球地表覆盖数据产品将有助于我国科学家精确估算中国和世界主要地区陆地生态系统碳收支,评估不同地区人类活动对全球气候变化的影响,为我国政府参加全球气候变化谈判提供科学参考依据。
 
作者简介:
陈军,教授,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秘书长(2008-2012),中国地理信息系统协会会长(1999-2011)。 
 
陈晋,北京师范大学资源学院教授,中国灾害防御协会风险分析专业委员会理事兼副秘书长,国家自然科学基金委员会、国家863计划同行评议专家。 
 
宫鹏,美国伯克利加州大学环境科学、政策与管理教授,中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室主任、南京大学国际地球系统科学研究所所长。