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实现可持续发展,加强对地球系统的理解、模拟和管理,都离不开全球地表覆盖数据。为实现上述目标,迫切需要更长时间序列、更高分辨率、更高频率,一致且更详细的全球地表覆盖数据。然而,由于技术限制,难以同时提供高空间分辨率、高时间频率的高质量观测数据。现有的制图方案受传统的遥感数据限制,通常只有较短的观测周期、较差的时空一致性和可比性。若要大幅改变上述状况,则需建立一种新的制图范式。

2021年311日,宫鹏课题组在《环境遥感》(Remote Sensing of Environment,影响因子9.085)发表题为“全球逐日无缝数据立方体制作及1985-2020年全球地表覆盖变化趋势确定,iMap World 1.0”(Production of global daily seamless data cubes and quantification of global land cover change from 1985 to 2020-iMap World 1.0)的研究论文,提出了新一代地球观测数据与制图解决方案,研制了世界上首套1985~2020年全球30米逐日无缝数据立方体(SDC),完成了首套1985~2020年全球逐年逐季节地表覆盖制图,填补了大规模高频率、无缝遥感及制图的空白。

该研究基于云计算、人工智能、虚拟星座以及时空重建与融合等最新技术,建立了智慧遥感制图(iMap)框架(中文发表于《遥感学报》2021年第1期和第2期)。在此框架下,基于亚马逊网络服务平台,构建了一个自动化的端到端的数据生产链和并行制图系统,提供高效传输、处理PB级并且近500万幅遥感影像的能力和算力,能够为逐日SDC和全球地表覆盖制图的研制提供有效支持。

无缝数据立方体开发和全球土地覆盖制图技术框架


该研究所生产的SDC,由LandsatMODISAVHRR虚拟星座的多源时空数据融合重建产生,无云无缝,提高了遥感观测质量,可重现完整无缝的时空序列轨迹。独立验证表明,SDC的平均相对误差低于2.14%。该SDC以高效先进的数据立方体(Data Cube)形式组织,符合最新的“即得即用”数据(Analysis Ready Data, ARD)范式,可直接应用于各类分析。

基于SDC,结合样本迁移,机器学习和时空后处理等多种算法,该研究进而生成了长达36年,分辨率为30米的长时序、高分辨率、高一致性的全球地表覆盖数据集。年度地表覆盖图多期平均总体准确度,对于1级类为80%,对于2级类(29类和33类)则超过73%。基于由FLUXNET站点组成的客观验证样本验证,该研究所得制图精度比现有全球地表覆盖数据集的总体精度高10%以上。

2020年全球土地覆盖地图

根据1985~2020年间全球地表覆盖面积的统计结果表明,全球平均地表覆盖变化率为0.36%/年。在此年间,全球森林覆盖面积从3844万平方公里减少至3697万平方公里,减少了147万平方公里;耕地覆盖面积从1249万平方公里增加至1333平方公里,增长了84万平方公里;不透水面覆盖面积从57万平方公里增加至105万平方公里,增长了48万平方公里。


1985~2020年全球和地区地表覆盖变化趋势

从研究价值上来看,该研究不仅实现了长时间序列逐日无缝、近实时的遥感制图产品的高效生产,高精度统一标准“即得即用”遥感数据集的提供,同时也开辟了卫星遥感数据处理和信息提取的新范式,有利于大幅推进遥感的应用发展。此外,这套SDC和制图成果为高精度定量遥感打下了基础,也为土地资源管理提供了决策支持。结合联合国可持续发展目标,该数据作为全球环境变化研究的基础数据,能够为有关地球系统动态模拟和预测的相关研究提供支持,也能为农业集约化、粮食安全、环境变化与健康、灾害评估、气候模拟、碳储备等国民经济的诸多方面研究提供服务。


清华大学地学系博士生刘涵为论文的第一作者,香港大学宫鹏教授为论文通讯作者,清华大学地学系徐冰教授为合作者。合作者还包括清华海峡研究院人工智能地球实验室总工程师王杰、清华海峡研究院助理院长王熙、光环云有限公司宁琪。该研究得到了国家自然科学基金的支持。


全文链接:

https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112364

相关文章引用:

刘涵, 宫鹏. 2021. 21世纪逐日无缝数据立方体构建方法及逐年逐季节土地覆盖和土地利用动态制图—中国智慧遥感制图iMap(China)1.0. 遥感学报, 25(1): 126-147

原文链接:

http://www.jors.cn/jrs/article/html/202101009

宫鹏. 2021. 智慧遥感制图(iMap). 遥感学报, 25(2): 527-529

原文链接:

http://www.jors.cn/jrs/article/html/202102001


供稿:刘涵

编辑:王佳音

审核:武海平








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