清華地學(xué)系宮鵬教授等成功繪制世界首幅10米分辨率全球地表覆蓋圖

清華新聞網(wǎng)3月12日電 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系宮鵬教授研究組與國(guó)內(nèi)外多家單位合作以《有限全球樣本穩(wěn)定地表覆蓋分類：遷移2015年的30米分辨率樣本完成2017年的10米分辨率全球地表覆蓋制圖》（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）為題撰文介紹了世界首幅10米分辨率全球地表覆蓋制圖方法與結(jié)果。該成果3月8日在線發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）期刊上。 

基于10米分辨率的Sentinel-2數(shù)據(jù)的2017年全球地表覆蓋圖（FROM-GLC10)

當(dāng)前世界發(fā)展面臨一系列挑戰(zhàn)，如人口增長(zhǎng)、城市化、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及氣候變化對(duì)糧食安全的影響、能源和水資源短缺、資源過度開采、生物多樣性喪失和環(huán)境污染等。為維護(hù)人類健康和實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，需要及時(shí)和高分辨率的全球地表覆蓋信息，從而能夠更好地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。然而，直到2012年才由清華大學(xué)完成并共享了首套30米分辨率的全球地表覆蓋圖。

隨著應(yīng)用需求的提升，當(dāng)前迫切需要更高空間分辨率的全球地表覆蓋產(chǎn)品。而開發(fā)這樣的產(chǎn)品，需要依賴大量的人力和很強(qiáng)的計(jì)算能力。

宮鵬等基于研究組2011年以來在全球30米地表覆蓋制圖中獲得的經(jīng)驗(yàn)和在樣本庫(kù)建設(shè)方面的積累，結(jié)合10米分辨率Sentinel-2全球影像的完整存儲(chǔ)和免費(fèi)獲取，以及Google Earth Engine平臺(tái)強(qiáng)大的云計(jì)算能力，開發(fā)出了世界首套10米分辨率的全球地表覆蓋產(chǎn)品——FROM-GLC10（清華大學(xué)的全球首套30米分辨率地表覆蓋圖稱為Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover (FROM-GLC)）。 

減少樣本量和增加錯(cuò)誤樣本時(shí)的穩(wěn)定性。左圖，當(dāng)樣本量增加時(shí)，精度迅速上升到相對(duì)穩(wěn)定的高度。右圖，隨機(jī)錯(cuò)誤的樣本百分比上升，精度下降。兩種情況都是分別隨機(jī)取樣1000次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整體分類精度非常穩(wěn)定，最大標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于0.5%。

該產(chǎn)品基于2017年在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表的全球首套多季節(jié)樣本庫(kù)，涵蓋從2014年和2015年Landsat 8影像、由專家解譯得到的均勻覆蓋全球的多季節(jié)樣本。其中，訓(xùn)練集包含大約340,000個(gè)不同大小的樣本（從30m×30m到500m×500m），覆蓋全球約93,000個(gè)樣本點(diǎn)位；驗(yàn)證集包含大約140,000個(gè)不同季節(jié)的樣本，覆蓋超過38,000個(gè)樣本點(diǎn)位。將該樣本庫(kù)應(yīng)用于2017年獲取的Sentinel-2影像，并基于隨機(jī)森林分類器得到全球10米地表覆蓋圖。

該研究提出“有限全球樣本穩(wěn)定地表覆蓋分類”理論，指出了全球訓(xùn)練樣本遷移到其他年份或不同傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)對(duì)最少樣本數(shù)量和誤差限度的要求。為了驗(yàn)證該理論在全球尺度的正確性，研究組設(shè)計(jì)了一系列嚴(yán)密的隨機(jī)試驗(yàn)，分別測(cè)試了分類器對(duì)樣本數(shù)量的敏感性，以及對(duì)因每年地表實(shí)際發(fā)生的土地覆蓋變化或解譯誤差導(dǎo)致的樣本錯(cuò)誤的容忍度。結(jié)果顯示，在納入實(shí)驗(yàn)的樣本量?jī)H占整體的40%，或訓(xùn)練樣本的誤差比例達(dá)到20%時(shí)，分類精度的損失在1%之內(nèi)，說明穩(wěn)定分類仍能得以實(shí)現(xiàn)，即“有限全球樣本穩(wěn)定地表覆蓋分類”的理論是成立的。這一理論保證了對(duì)樣本進(jìn)行遷移的有效性。

該文對(duì)2017年10米分辨率的FROM-GLC10產(chǎn)品進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，并將其與2017年30米分辨率的FROM-GLC30產(chǎn)品進(jìn)行了比較。檢驗(yàn)和比較結(jié)果顯示，F(xiàn)ROM-GLC10總體精度為72.76%，與FROM-GLC30精度相當(dāng)，但FROM-GLC10的結(jié)果提供了更多的空間細(xì)節(jié)。

本文的第一作者和通訊作者是宮鵬教授，地學(xué)系博士生劉涵、張美男等是論文合作者，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華海峽院人工智能地球?qū)嶒?yàn)室總工程師王杰，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員黃華兵，谷歌尼古拉斯·克林頓是論文共同通訊作者。

FROM-GLC10產(chǎn)品目前已正式面向全球公開，可以通過http://data.ess.tsinghua.edu.cn進(jìn)行免費(fèi)下載。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319301380

供稿：地學(xué)系 編輯：李華山 審核：周襄楠