國家土地覆蓋數據的生產與建庫

摘要：土地覆蓋變化的研究和分析，能夠揭示自然與人文過程交叉最密切的一些問題，為此世界上主要的發達國家均開展了本國的國家級土地覆蓋數據的生產。本文在參考國內外土地覆蓋數據生產相關經驗的基礎上，結合我國國情，基于陸地衛星影像，按照所研制的30米土地覆蓋分類系統，論述了采用非監督分類、監督分類與人工解譯相結合的方法生產我國國家級土地覆蓋數據和基于ORACLE數據庫建立國家土地覆蓋數據庫的過程。
 關鍵詞：基礎地理數據   土地覆蓋數據   土地覆蓋數據庫

1. 前言
 土地資源是一個國家或地區賴以生產和發展的重要物質基礎，隨著人口的增長和經濟建設的迅速發展，土地資源的合理開發利用和保護日益成為人們探索的重大問題。同時，土地覆蓋數據對全球變化、環境監測、糧食估產、碳循環計算與評估等研究和應用具有重要的指導意義。因此，基于遙感對地觀測技術實施土地覆蓋數據的生產受到越來越多的重視。
 美國采用地球資源觀測衛星（LANDSAT）影像，使用計算機自動分類方法，生產了覆蓋全國的土地覆蓋數據（如MRLC1990和美國的MRLC2001項目），并用ArcSDE對該數據進行了管理[9]。
 聯合國糧農組織（FAO）和聯合國環境保護署（UNEP），采用地球資源觀測衛星影像，使用人工分類的方法，已生產了10個非洲國家約850萬平方公里面積的土地覆蓋數據。目前，正在開展全球土地覆蓋網（GLCN）項目，并計劃完成基于LCCS（土地覆蓋分類系統）的全球約1390萬平方公里土地覆蓋數據的生產任務[8]。
 中國科學院于1992年設立了“國家資源環境遙感宏觀調查與動態研究”項目，使用地球資源觀測衛星影像及相關輔助數據，生產了我國的土地覆蓋數據。隨后，中國科學院先后幾次又對該數據進行了更新[1]。
 結合1999年國家環境保護總局開展的“中國西部地區生態環境現狀遙感調查”項目和國家測繪局1：5萬數據建庫項目，國家測繪局設立了科技攻關項目對土地覆蓋數據生產中的有關技術難題進行攻關，并訂購了覆蓋全國的遙感衛星影像。同時，針對土地、測繪、農業、林業、水利、規劃、環保等部門對土地覆蓋數據的迫切需求，依托遙感對地觀測技術和數字圖像處理領域的最新成果，利用國家基礎地理信息系統1:5萬數據庫相關產品（數字影像、矢量數據等），歷時3年生產了國家級別意義上的30米土地覆蓋數據（見圖1）。2003年完成了該土地覆蓋數據的建庫任務。30米國家土地覆蓋數據庫是我國1:5萬國家基礎地理信息數據庫中唯一的專題數據庫，也是我國地理空間數據框架的重要組成部分。它是構建數字地球、數字中國和數字省區不可或缺的信息源。
2. 數據生產
 2.1. 分類系統
 國際上對土地覆蓋數據研究的焦點主要集中在基于遙感衛星影像的土地覆蓋分類系統、土地覆蓋數據的獲取手段、質量評價系統等方面。通過收集國內外主要的14種分類體系[6~9]，進行比較后發現，這些分類體系主要可以分成兩種類型：一種是以土地利用為主的分類體系，
 多從土地被利用的程度以及人為對它的影響出發進行分類；另一種是以了解土地現狀及其自然屬性為主的分類體系，著重考慮土地覆蓋的自然屬性[4]。
 為此，采用列表統計的方法對這14種分類體系的分類要素進行了研究。首先，研究這些分類體系采用了哪些分類要素；其次，研究分類要素與類別的關系；最后，根據分類要素的選取原則，選取統計分析中出現頻率較高的分類要素；選取多數用戶迫切需要的分類要素；選取在LANDSAT7多光譜衛星影像上具有色彩、紋理、亮度和密度等特征明顯的分類要素。通過上述方法，明確了基于LANDSAT7多光譜30米空間分辨力衛星影像的一級分類要素（6類）和二級分類要素（24類）（見表1）。
 由于該分類系統是在國內外比較有代表性的分類體系的基礎上產生的，因此，具有一定的通用性，用戶還可根據自己的特殊需求，進行擴展和細分。
 表1.30米土地覆蓋數據分類系統
 Table1. Landcover Classification System of NLCD
編碼 名稱 編碼 名稱
1 耕地 43 水庫、坑塘
11 水田 44 冰川和永久積雪
12 旱地 45 海涂
2 林地 46 灘涂
21 有林地 5 建成區
22 灌木林地 51 城鎮
23 疏林地 52 農村居民點
24 其它林地 6 未利用地
3 草地 61 沙地
31 高覆蓋度草地 62 戈壁
32 中覆蓋度草地 63 鹽堿地
33 低覆蓋度草地 64 沼澤地
4 水域 65 裸土地
41 河渠 66 裸巖、石礫地
42 湖泊 67 其它

 2.2. 生產流程
 在確定的土地覆蓋分類要素基礎上，結合試驗結果，基于LANDSAT基礎分類影像和目視解譯影像[3]，參考土地利用圖、地形圖、解譯樣片和其他一些輔助判讀資料和數據，使用ERDAS Imagine 8.4.1遙感處理軟件，采用計算機非監督分類、監督分類與人工解譯相結合的方法，生產了30米的土地覆蓋分類數據。其生產流程見圖2。
 

 首先，對影像進行非監督分類，對分類屬性表進行人工解譯，確定其類別屬性；其后經人工解譯后的非監督分類的分類屬性表轉化成適用于監督分類的分類模板文件，再執行監督分類。試驗表明該方法可以節省作業人員的解譯工作量，把作業人員在大面積的影像中尋找分類要素的工作方法，革新為作業人員只對計算機所選取分類要素進行解譯，判斷其歸屬類別屬性的過程。試驗證明該方法可提高5%左右的分類精度[2]。
 由于受種種條件的限制，采用計算機自動分類生產的土地利用覆蓋圖的分類精度不高，如地球衛星公司（Earth Satellite Corporation）使用TM影像（約7300景），制作的全球第一個土地覆蓋數據庫（GeoCover_LC 1.0），對12種地物的分類精度平均為75%[7]。主要是計算機自動分類無法解譯 “同物異譜”、“同譜異物”的分類要素。為此，在流程的最后階段使用人工目視解譯的方法解決該問題以提高土地覆蓋數據的分類精度。
 2.3. 生產質量控制
 全國土地覆蓋生產的質量控制實行兩級檢查、一級驗收。檢查的內容及圖幅比例為100%；驗收則抽取大于10%比例的圖幅進行全部內容詳查，對100%圖幅的重點內容進行概查。
 2.4. 精度評定
 精度評定工作包括：1）分析可能的誤差原因，如Landsat 數據的質量和制圖誤差，影像數據源和參照數據的時間差異，空間不確定性因素等，建立適合于應用目的，且在實踐中可行的抽樣方案；2）利用高分辨率衛星遙感影像或航空影像，對現有的土地覆蓋分類數據進行多維空間的復合分析，對大面積土地覆蓋數據的精度進行檢驗；3）選擇和建立統計上可靠的，并與抽樣相適應的統計量，對精度評價的結果進行分析。結果顯示，30米土地覆蓋數據的一級分類要素精度在75%~90%，二級分類要素的精度為60~70%，其中，水域分類要素的精度較高達到90%，草地的分類精度較差為50%~60%。從地域上看東北、華北的土地覆蓋分類精度高于華南和西北地區的分類精度。圖斑邊界定位誤差均小于2個像素。
3. 數據建庫與系統功能
 3.1. 入庫前的處理
 按照地域特征，用于建庫的土地覆蓋數據可以分成兩部分，一是中國測繪科學研究院組織生產的土地覆蓋西部數據（12個省）；二是四川省測繪局組織生產的中東部數據（21個省）。由于西部和中東部土地覆蓋數據所使用的原始影像，存在幾何精糾正方面的問題，致使西部與中東部土地覆蓋數據在接邊時，存在平移和旋轉兩方面的誤差，考慮到西部與中東部數據在分類體系、作業方法、數學基準和數據組織形式等方面的差異，在入庫前，對土地覆蓋數據進行了規則化處理：即在不改變原土地覆蓋數據分類精度的基礎上，使西部和中東部數據具有統一的分類標準。這包括兩方面的工作，一是分類代碼一致但分類內容不一致，需要調整已分類數據的分類代碼，使相同的分類代碼具有相同的分類內容；二是將分類過細區域的分類要素進行合并，使兩期的分類數據采用相同的分類體系。
 西部數據采用的投影系統為雙標準緯線等面積圓錐投影（ALBERS  EQUAL AREA CONIC），而中東部數據采用的是6度帶高斯投影。為此，將西部數據處理成6°分帶的高斯—克呂格投影。坐標系統采用了1980西安坐標系和1985國家高程基準。
 然后，對所有的數據進行了接邊處理、數據鑲嵌和裁切等處理工作。確保土地覆蓋數據庫中的所有數據，具有相同的分類標準、數學基準和分幅范圍。經處理后的30米土地覆蓋數據的柵格數據量為2104MB，矢量數據量為3640MB，元數據文件為752個。
 3.2. 數據建庫
 土地覆蓋數據按照柵格和矢量兩種類型的數據集進行組織。主要包括11個數據塊，這11個柵格數據塊分別與高斯－克呂格投影6度分帶的投影帶相對應，在每一個帶內，從南到北組成一個連續無縫的土地覆蓋數據塊，每個數據塊內的數據具有相同的特征和空間參考。
 元數據按照1：25萬的標準圖幅進行采集，一個圖幅對應一個文件，共包括48個元數據項。
 建庫流程詳見圖3。
 3.3. 系統功能
 基于Client/Server體系結構，土地覆蓋數據庫系統建立在ORCLE8i、ArcSDE和ArcGIS的基礎之上，界面由ArcGIS提供的控件定制，利用ArcGIS提供的VBA開發環境進行了二次開發，具有數據顯示瀏覽、查詢檢索、統計制表、數據分發等功能。
 3.3.1. 查詢瀏覽
 按照新舊標準圖號（1：25萬、1：5萬等），1：25萬的省級、地級、縣級等境界范圍系統計算相應的坐標范圍，顯示該范圍內的數據。同時，可任意放大或縮小視圖范圍，還可通過預先定義的書簽來快速定位數據的顯示范圍，并支持多種數據的疊加顯示和漫游。
 3.3.2. 數據統計
 根據1：25萬的省級、地級、縣級等境界范圍、標準圖幅范圍（1：25萬、1：5萬等）、任意的矩形范圍統計覆蓋區域內的分類要素的面積、百分比等特性，并生成統計表格（見圖4）。
 3.3.3. 數據輸出
 支持根據1：25萬的省級、地級、縣級等境界范圍、標準圖幅范圍（1：25萬、1：5萬等）、任意的矩形范圍確定的數據輸出。數據輸出的類型為矢量數據（ARCINFO Coverage）、柵格數據（ERDAS IMAGINE,GEOTIFF,GRID）和元數據（.txt），見圖5。
4. 應用
 全國土地覆蓋數據庫是在國家測繪局系統內建成的第一個專題數據庫，生產了基于統一分類標準、統一的數學基礎、統一的數據組織形式的全國30米土地覆蓋柵格數據、矢量數據和元數據。作為國家地理空間基礎框架的重要組成部分，為國家經濟和社會信息化的公共基礎數據平臺，增添了新的重要內容。它的建成，對于拓寬基礎地理數據的應用領域，提高應用層次，促進各行業及國家信息化建設與發展進程，國家信息資源的有效利用等，具有積極的推動作用。
 到目前為止，已經廣泛應用于防災減災、生態保護、環境規劃和監測、國土和水資源調查、林業資源調查管理、退耕還林還草工程設計、數字省區建設等方面，并在地理空間基礎框架工程，基礎地理信息在現代農業管理應用科技示范項目、國家地理單元與地理實體數據集建設工程、全國環境監測等項目中取得了良好的應用，產生了明顯的社會效益和經濟效益。

參考文獻
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gkoeln@earthsat.com
http//:www.fao.org
http://www.epa.gov/mrlc/