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清华大学地学系提出智慧遥感制图概念框架
2021-03-16 09:16
清华大学
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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,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。

  3月11日,地学系研究团队在《环境遥感》(Remote Sensing of Environment)上发表题为“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Landsat、MODIS和AVHRR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,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。

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