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        全球30 米分辨率火燒跡地產(chǎn)品

        2021-01-20 10:46:18張兆明唐朝何國(guó)金龍騰飛魏明月
        關(guān)鍵詞:利用產(chǎn)品

        張兆明,唐朝,何國(guó)金*,龍騰飛,魏明月

        1. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094

        2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049

        3. 海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南三亞 572029

        引 言

        火燒跡地是全球及區(qū)域碳循環(huán)和氣候變化等研究所需的重要參量之一。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)、歐洲空間局(ESA)和國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)等都曾發(fā)布過(guò)各種基于不同衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取的全球尺度火燒跡地信息產(chǎn)品,空間分辨率從250 米至0.25 度不等。美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat 系列數(shù)據(jù)是目前存檔時(shí)間最長(zhǎng)、使用最廣泛的中高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),為全球火燒跡地信息高精度提取提供了理想的數(shù)據(jù)源。利用Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)研發(fā)高空間分辨率和精度的大尺度火燒跡地信息產(chǎn)品具有迫切的應(yīng)用需求,也是國(guó)際上的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2017 年發(fā)布了覆蓋美國(guó)本土的Landsat 30 米分辨率火燒跡地產(chǎn)品[1],也制定出研發(fā)全球30 米分辨率火燒跡地產(chǎn)品的科學(xué)計(jì)劃。然而,相比MODIS 等中低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有較少的光譜波段和更長(zhǎng)的重返周期,現(xiàn)有的中低分辨率火燒跡地信息提取方法無(wú)法直接應(yīng)用。因此,基于Landsat 數(shù)據(jù)的全球尺度火燒跡地信息的高精度自動(dòng)提取是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究方向。

        近年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)方法在遙感大數(shù)據(jù)分析和智能信息提取領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。通過(guò)利用全球火燒跡地樣本庫(kù)和基于生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,實(shí)現(xiàn)了基于Landsat 數(shù)據(jù)的全球火燒跡地信息高精度自動(dòng)化提取[1],生產(chǎn)了全球30 米空間分辨率火燒跡地遙感產(chǎn)品。

        1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

        1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

        主要利用Landsat 8 衛(wèi)星OLI 傳感器數(shù)據(jù)。按照該衛(wèi)星的運(yùn)行計(jì)劃,可以覆蓋60°S-80°N 的所有陸地區(qū)域。制作年度全球火燒跡地產(chǎn)品,需要利用當(dāng)年獲取的全部Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù),以盡可能減少漏分現(xiàn)象,同時(shí)需要利用前一年獲取的全部Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù),去除前一年發(fā)生且未恢復(fù)的火燒跡地,制作一期全球火燒跡地產(chǎn)品需要利用約40 萬(wàn)景Landsat 8 OLI 影像,數(shù)據(jù)量超過(guò)300TB,在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)利用了Google Earth Engine(簡(jiǎn)稱(chēng)GEE)云平臺(tái)上的Landsat 8 OLI 地表反射率[2]。

        1.2 數(shù)據(jù)處理方法

        利用Landsat 8 地表反射率數(shù)據(jù)的質(zhì)量標(biāo)識(shí)建立云和云陰影掩膜,去除云和云陰影影響。在全球高精度樣本庫(kù)基礎(chǔ)上,基于Landsat 8 時(shí)序衛(wèi)星數(shù)據(jù)和火燒跡地敏感光譜參量〔波段反射率、歸一化燃燒指數(shù)(Normalized Burned Ratio,NBR)[3],歸一化差值植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)[4],全球環(huán)境監(jiān)測(cè)指數(shù)(Global Environmental Monitoring Index,GEMI)[5],中紅外燃燒指數(shù)(Mid-Infrared Burn Index,MIRBI)[6],火燒跡地指數(shù)(Burned Area Index,BAI)[7],修正的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(Soil-Adjusted Vegetation Index,SAVI)[8]和歸一化差值濕度指數(shù)(Normalized Difference Moisture Index,NDMI)[9]等〕,利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法(隨機(jī)森林模型)進(jìn)行樣本訓(xùn)練和學(xué)習(xí),得到火燒跡地識(shí)別規(guī)則和疑似火燒跡地種子點(diǎn)。對(duì)疑似火燒跡地種子點(diǎn)進(jìn)行一系列過(guò)濾和優(yōu)化,得到確定的火燒跡地種子點(diǎn)。具體的過(guò)濾和優(yōu)化參量及判別式包括:(1)兩年(2014、2015 年)間最大的NDVI 值大于0.2;(2)兩年(2014、2015 年)間最大的NDVI 值(NDVI2)與當(dāng)年(2015 年)火燒概率最大時(shí)的NDVI 值(NDVI1)的差值大于0.2,即NDVI2?NDVI1>0.2;(3)上一年(2014)最小NBR 值(NBR2)與當(dāng)年(2015 年)火燒概率最大時(shí)的NBR 值(NBR1)的差值大于0.1,即NBR2?NBR1>0.1;(4)當(dāng)年(2015 年)火燒概率最大的日期(t1,儒略日)大于兩年(2014、2015年)間NDVI 最大的日期(t2,儒略日),即t1> t2,或者t2?t1>100。從種子點(diǎn)開(kāi)始按8 連通原則進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng),吸收周?chē)馃怕蚀笥?0%的候選點(diǎn),得到火燒跡地。更詳細(xì)的解釋和說(shuō)明參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。總體技術(shù)流程如圖1 所示。

        圖1 火燒跡地提取技術(shù)流程

        2 數(shù)據(jù)樣本描述

        火燒跡地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品利用經(jīng)緯度投影,分辨率為0.00025°(約30 米),以10°×10°分塊,GeoTiff 格式存儲(chǔ),以分塊圖像左上角像素的經(jīng)緯度作為文件名,像素值中以1 代表火燒跡地像元,空值代表非火燒跡地像元。例如文件名為S10E020.TIF 的分塊文件代表左上角像素坐標(biāo)為南緯10 度、東經(jīng)20度的火燒跡地?cái)?shù)據(jù)文件(圖2)。

        圖2 S10E020 火燒跡地塊示例

        3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

        利用隨機(jī)分層抽樣的方式對(duì)全球火燒跡地產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證和評(píng)估。為確保精度驗(yàn)證的全面性和代表性,精度驗(yàn)證樣區(qū)的選擇兼顧不同地表覆蓋類(lèi)型和火行為特征。依據(jù)MODIS 地表覆蓋類(lèi)型產(chǎn)品將全球概括為7 個(gè)地表類(lèi)型:Broadleaved Evergreen(常綠闊葉林),Broadleaved Deciduous(落葉闊葉林),Coniferous(針葉林),Mixed Forest(混交林),Shrub(灌叢),Rangeland(草地),和Agriculture(農(nóng)田)。同時(shí)根據(jù)GFED 4(Global Fire Emission Database 4,第四版本的全球火燒排放數(shù)據(jù)庫(kù))2015年的火燒跡地密度數(shù)據(jù)將全球均勻劃分為5 個(gè)密度級(jí),最終在全球范圍內(nèi)選擇了80 個(gè)驗(yàn)證樣區(qū),這些樣區(qū)覆蓋了全部的地表類(lèi)型。

        精度驗(yàn)證利用的數(shù)據(jù)源主要包括Landsat 8、GF 1、CBERS 4 和美國(guó)MTBS(Monitoring Trends in Burn Severity,火燒強(qiáng)度趨勢(shì)監(jiān)測(cè))火燒跡地產(chǎn)品。其中中國(guó)境內(nèi)的驗(yàn)證樣區(qū)使用GF 1 數(shù)據(jù),南美區(qū)域使用CBERS 4,美國(guó)區(qū)域使用MTBS 和Landsat 8,全球其他區(qū)域使用Landsat 8。對(duì)于Landsat 8 數(shù)據(jù),驗(yàn)證樣區(qū)的大小為185 km×185 km;對(duì)于CBERS4 數(shù)據(jù),驗(yàn)證樣區(qū)的大小為120 km×120 km;對(duì)于GF1 數(shù)據(jù),驗(yàn)證樣區(qū)的大小為100 km×100 km。

        通過(guò)收集驗(yàn)證樣區(qū)2015 年整年的時(shí)序衛(wèi)星數(shù)據(jù),進(jìn)行正射校正等處理。然后目視尋找2015 年內(nèi)新增的火燒跡地,確定火燒前后的衛(wèi)星影像對(duì)?;谛l(wèi)星影像對(duì)手動(dòng)選擇火燒跡地和非火燒跡地樣本點(diǎn),利用支持向量機(jī)分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi),最終得到2015 年火燒跡地驗(yàn)證的參考數(shù)據(jù)。

        在每個(gè)驗(yàn)證樣區(qū)分別進(jìn)行驗(yàn)證,然后得到全球火燒跡地精度驗(yàn)證結(jié)果,選用誤分率(Commission Error)、漏分率(Omission Error)和整體精度(Overall Accuracy)3 個(gè)指標(biāo)來(lái)定量表征火燒跡地信息提取的精度,最終得到2015 年全球火燒跡地產(chǎn)品的誤分率、漏分率和整體精度分別為13.17%、30.13%和93.92%[10]。

        4 數(shù)據(jù)價(jià)值

        火燒跡地是資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、全球變化和碳循環(huán)研究等領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù),全球30 米分辨率火燒跡地產(chǎn)品能夠有效反映面積較小的燃燒斑塊,同時(shí)在火燒跡地位置確定和面積量算上具有優(yōu)勢(shì),可應(yīng)用于全球火災(zāi)監(jiān)測(cè)和評(píng)估、碳排放計(jì)算、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

        數(shù)據(jù)作者責(zé)任分工

        張兆明(1980—),男,河南省鄭州市人,博士,正高級(jí)工程師,研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作:研究思路與研究方案設(shè)計(jì)、算法研究、論文撰寫(xiě)。

        唐朝(1996—),男,浙江省湖州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作:產(chǎn)品生產(chǎn)、精度驗(yàn)證。

        何國(guó)金(1968—),男,福建省武平縣人,博士,研究員,研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作:總體指導(dǎo),研究思路與研究方案設(shè)計(jì)。

        龍騰飛(1986—),男,湖北省武漢市人,博士,副研究員,研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作:算法研究、程序編寫(xiě)。

        魏明月(1997—),女,河南省鄭州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)處理、精度驗(yàn)證。

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