一、引 言

地表覆盖数据对预测减灾减少损失、监测生态系统、人类健康与服务、保持生物多样性等至关重要。我国于2010年正式启动“863”重点项目“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究”，项目目标之一就是研究覆盖全球的30 m地表覆盖数据。由中国首次研制全球两期30 m地表覆盖数据，是我国在相关领域首次独立开展全球尺度研究，与国际同类研究相比处于领先地位。

项目以“多源影像最优化处理、参考资料服务化整合、覆盖类型精细化提取、产品质量多元检核”为主线开展总体研究，实现了包括国产卫星资料在内的多源遥感资料的最佳覆盖、地表覆盖各种参考资料的最大限度整合、计算机自动分类与专家知识的有机结合和产品质量的有效检核等关键技术。在此基础上，依托生产技术规范体系、全过程质量控制手段和支持环境，通过30 m地表覆盖产品和技术设计、多源影像资料收集整合处理、分区按类型地表覆盖数据提取组织实施及数据产品集成与优化，构建了工程化的30 m全球地表覆盖遥感制图生产体系，实现了预期的产品指标，完成了2000和2010两个基准年的30 m地表覆盖数据产品研制。通过精度评价，该套数据产品分类精度达到80%以上^[1]。该生产体系的构建为开展较高分辨率全球地表覆盖数据产品研制、细化、更新奠定了基础，为开展大规模遥感影像信息提取、表达和应用起到了示范作用。本文将介绍相关工作开展情况。

国际社会高度重视全球高分辨率地表覆盖遥感制图，并将其列入议事日程，但一直停留在概念讨论、技术研究及小范围试验阶段，尚无国家或组织开展全球30 m地表覆盖全类型遥感制图。究其原因，主要是其涉及因素多、技术难度大、人员投入高。全球两期30 m地表覆盖遥感数据产品研制工作量巨大，为保障数据精度需要投入大量人力和较长研制时间。为保障全球地表覆盖遥感产品的研制精度，按照工程化产品生产的方法建立工艺流程体系，实现“方法可操作、精度有保障、效率可承受”，保障产品研制工作能够顺利实施。

(1) 细化分类方法规范数据研制

如何实现相关的分类方法能够在每类型、每景影像上正确实施，需要对分类方法与流程进行细化，使之能够可操作、精度有基本保障。因此研究制定每个单类型提取的可操作的分类方法与流程，是支撑规模化产品研制的前提。在每个单类型提取前，需要根据影像、参考资料特点，开展单类型分景提取试验，细化方法、流程、技术指标与质量控制参数，制定技术规定等规范性文件，保障众多产品研制人员能按照统一、规范的要求开展规模化产品研制工作。

(2) 建立过程质量控制保障分类结果精度

全球地表覆盖产品研制的成败在于数据成果的质量。任何一种分类方法，如果不进行人机交互编辑处理，其分类结果的精度会非常有限，高精度结果只能在影像特别好的情况下取得。因此，要提高地表覆盖的分类质量，需要在选择合适分类方法的基础上进行人机交互处理，利用人的知识和经验改正分类方法带来的错误，需要通过构建全过程质量控制保障分类结果的质量。

(3) 构建支撑环境提高产品研制效率

提高生产效率，更好地发挥人机交互的优势，以减轻作业人员的劳动强度，才有可能真正实现分类结果质量的提高，确保数据研制的周期与进度。本文将整个产品研制技术流程进行了细化分解，充分发挥计算机的优势，通过构建全球地表覆盖集成化的信息服务平台，开发有效的工具，以解决数据研制影像资料处理、类型精细化提取、开展知识化检核及产品集成等过程中没有可用的软件工具问题。

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3项总体技术规范包括《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 m分辨率遥感影像几何纠正技术规定》《30 m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》；7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；3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》。

高质量的地表覆盖数据产品离不开严格的质量控制，受资料、经验、人员等诸多因素的影响，研制出高质量的地表覆盖数据产品难度非常大。通过借鉴测绘产品生产质量控制体系建立起的过程质量控制措施主要包括：单类型提取的过程质量控制，数据集成中的一致性处理及基于知识与规则的数据完善。过程质量控制由各生产区分别开展，借鉴测绘产品的过程质量控制体系，分3级检查。尺度一致性处理确保了分幅集成数据满足数据产品规范要求。设计实现了基于知识的全球地表覆盖产品一体化检核方法，通过对两期数据进行修改完善，大幅改善了数据产品精度。

研制了大量软件工具以支撑规模化生产。影像数据处理软件包括宽视场角遥感影像高精度几何纠正软件、自动批量处理能力的多光谱遥感图像辐射处理软件系统、NDVI分辨率内插软件等。类型提取软件包括基于ENVI二次开发的分类、人工编辑与集成模块，分类提取软件GLC_Info等。产品集成软件包括单类型数据转换与集成软件、元数据采集软件、降尺度转换软件等。质量控制软件包括图像几何精度检验软件、图像辐射质量检查软件、分类产品质量检查软件等。

以WMS、WMTS等OGC服务标准为基础，建成了首个全球30 m地表覆盖信息服务平台。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)3个层级的异质异构地表覆盖资源的服务化整合与集成，建立高度集成共享的参考数据信息服务平台，通过网络在线发布和在线服务集成的方式建立充分的信息共享环境，为GlobeLand30数据研制提供了先进的服务技术手段。

在解决上述生产体系关键技术的基础上，以产品工程为主线，通过开展技术设计、影像资料处理、产品中试、规模化生产、产品质量优化及精度评价，完成30 m全球地表覆盖数据的研制。

按照各项生产技术规范要求及提取的类型，对数据资料处理、提取技术方法、数据集成要求进行具体设计，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，结合各分区的地表覆盖特征，结合已有数据资源情况和总体技术路线，设计提出任务区的地表覆盖类型工程化采集方案与流程，作为数据研制的技术指导文件，以保障提取的尺度、质量及处理的一致性，保障产品的质量达到要求。

完成了2000基准年10 270景TM影像、2010基准年9907景TM影像和2640景HJ-1影像的数据收集及几何辐射处理。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 m影像的最佳覆盖。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个波段的、250 m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，制定了参考利用方案；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、全球冰川名录和其他区域性参考资料。

从各大洲选取8个区域开展产品中试，独立完成中试试验区的全部地表覆盖类型的两期提取工作，以验证分类策略的有效性、分类方法的可操作性、分类精度的可控制性。针对全球地物类型与表现形式的复杂性和多样性，提出技术方法与设计的完善意见，对湿地、灌草、裸地、苔原等单类型地物提取方法进行了优化和完善，为全面展开规模化生产做好了准备。

按照水体、湿地、冰川与永久冰雪、人造地表、耕地、裸地林灌草、苔原的提取顺序，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。

鉴于单一分类提取算法很难具有全球通用性，通过分析分区影像单元的地表覆盖类型特征，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，在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。

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 m分辨率地表覆盖分幅数据(GlobeLand30)，同时建立相关坐标信息、元数据等文件，一个完整的分幅30 m分辨率地表覆盖产品数据包括分类成果文件、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。

数据质量优化重点解决一类多态引起的错提和区域、时间上的协调一致性问题。利用整合的高分辨率影像数据、LC数据等参考资料并综合地学、生物、环境等的分布、势态等信息，从大洲、区域、分幅3个尺度形成宏观分布、区域过渡、分幅细部变化和细节的先验知识，通过两期数据的对比、分析进行完善，检查单景分类成果内部的类型错漏、单景影像之间、两期影像之间的类型协调过渡问题；通过网络化的质量检核系统，对发现的问题按对象进行标注，采用发布订阅模式，实现了数据检核与数据精化工作之间的信息交互和多用户协同，有效地实现了两期数据的检核优化。

为了科学客观地评价该套数据质量，确保数据产品达到设计要求，分别组织水体、湿地、人造覆盖、耕地的单类型数据精度评价和全类型数据精度评价。采用“背靠背”方式组织第三方单位参与。针对GlobeLand30产品的精度评估如何将定性的不确定性转化为定量描述技术难点，结合数据的分幅特点和分类体系，提出了基于空间数据二级抽样检验模型的精度评估方法，很好地顾及了地物全球分布景观格局的复杂性及局部样本分布的合理性，保障了精度评估结果的全面和科学。按二级抽样方法，抽取80幅数据、采集水体单类型检验样本(10 237/9597)个(两期，后同)、湿地单类型检验样本(12 617/13 346)个、人造地表单类型检验样本(29 687/31 155)个、耕地单类型检验样本(19 892/20 634)个和全类型精度评估检验样本(157 465/159 234)个完成精度评价工作。以2010期数据分类精度评价为例，GlobeLand30数据产品精度为83.5%±0.19%。

经过4年的努力，项目完成了覆盖全球两期GlobeLand30数据的研制，这是世界上首套30 m分辨率全球地表覆盖产品。数据采用WGS-84坐标系统、UTM投影、6°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60°区域内，按照5°(纬度)×6(经度)°的大小进行分幅；在南北纬60°~80°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。如图 1所示。

图 1 地表覆盖分幅示意图

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该数据产品提高了全球地表覆盖数据产品的时空分辨率，更贴近地球系统模式分类，主要特点包括：

1) 更高空间分辨率：GlobeLand30数据涵盖全球陆域范围，包括水体、耕地和林地等10大类地表覆盖信息。相比欧美国家1000 m和300 m分辨率产品而言，这一成果的取得将覆盖全球的地表覆盖产品空间分辨率整体提升了1~2个数量级。如图 2所示。

图 2 GlobeLand30示意图

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2) 两个时相：GlobeLand30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，可支持地表覆盖变化的监测和分析。如图 3所示。

图 3 GlobeLand30两期数据示意图

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3) 较高精度：GlobeLand30分类精度为83.5%。除此之外，还邀请了国内外13家机构(专家)开展精度评估工作，从已完成的评估结果来看，GlobeLand30数据质量是有保障的。有国内学者利用高分影像对中国东北水体进行了精度评估，漏判率为6.38%；瑞典学者通过对瑞典水体进行比较，认为GlobeLand30与欧洲Corine数据精度相当；文献[2]对希腊水体精度评估精度为87%；文献[3]评价Globeland30在意大利区域的精度高于80%。

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与联合国,供联合国系统、各成员国和国际社会使用，www.globeland30.org正式上线为全球用户提供数据服务。截至2015年7月，已有来自美国、加拿大、意大利等近90个国家的5000多名用户通过该平台下载了GlobeLand30数据，下载总图幅数超过10万多幅。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，以及试验教学等诸多领域，见表 1。

目前，基于GlobeLand30的研究应用已经全面展开，用户普遍认为该数据不仅可以满足国土资源管理、环境、农业、城市化等科学研究的应用需求，还可为全球变化和地球系统模式研究提供基础地理数据支撑。联合国认为该成果对全球可持续发展的科学决策、评估和监督十分重要，将用于制定以可持续性发展目标为核心的2015年后发展议程及其他事务。应用成果包括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年和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；中国环境科学研究院利用GlobeLand30数据开展了中国生物多样性保护方面的研究工作；联合国环境规划署(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等。随着该数据的持续服务与应用，其在支撑全球变化研究、地球系统模拟和可持续发展研究等各领域的作用将更加突显。后续也将开展地表覆盖更新等技术研究，持续推动GlobeLand30生产体系从研制到更新的升级，设计研制由时序数据、细化类型数据、专题数据为一体的全球地表覆盖数据体系，打造GlobeLand30数据品牌，进一步激发起新一轮生态、资源、环境等领域全球变化监测的研究与应用，为国际社会、各国政府相关专业机构提供可靠的决策支持。