城市遥感信息提取需求应用:原理与方法

近年来，世界各国越来越重视卫星遥感的发展，越来越多的国家开始建立自主可控的对地观测系统，与此同时商业卫星市场不断发展壮大，遥感卫星的观测形式越来越多元化，观测对象越来越丰富(李德仁等，2017)。

目前与城市遥感信息提取相关的专项计划开展了很多项，已经制作并发布了多套全球土地利用/覆盖数据产品。中国启动了全球测图工程，并每年都在开展全国土地调查或变更调查、地理市情普查和监测、城市不透水面普查和海绵城市遥感监测等项目。

1.全球地表覆盖数据

地表覆盖及其变化是环境变化研究、地理国情监测、可持续发展规划等研究中不可或缺的重要基础信息和关键参量，已经成为国家基础性和战略性资源，发挥着不可或缺的作用。全球对地观测已具备大气、海洋和陆地高精度、高时空分辨率的数据获取能力，基于重大应用需求，目前多国已经开放共享了多套不同分辨率的全球地表覆盖数据产品，推动了全球尺度的科学和环境监测产品的研究与发展(何国金等，2018)。

现已发布的全球土地利用/覆盖数据共有6套(见表11-1)，其中美国和欧洲制作完成4套1km和1套300m的产品，中国于2013年底也发布了1套30m的产品，数据全部免费提供给全球科学界使用。其中，3套1km产品分别是由美国地质勘探局、马里兰大学和波士顿大学等美国机构开发，所使用的分类方案是国际地圈生物圈计划的17类覆盖类型分类系统。第4套1km产品是由欧洲开发的GLC2000，此后欧洲航空局(ESA)通过全球合作完成了300m分辨率的全球地表覆盖制图GlobCover，二者均采用联合国粮农组织(FAO)和联合国环境规划署(UNEP)联合开发的地表覆盖分类系统LCCS(22类)。中国的30m全球地表覆盖遥感制图数据产品GlobeLand 30是中国科技部研制，推出了2000年和2010年30m分辨率的全球地表覆盖数据产品(图11-1)，涵盖全球陆域范围，包括水体、耕地和林地等十大类地表覆盖信息(杜国明等，2017)。

表11-1　全球现有土地覆盖数据集(杜国明等，2017)

2.全国土地调查

图11-1　30m土地覆盖产品与Landsat 8影像对比(2015年)

全国土地调查作为一项重大的国情国力调查，目的是全面查清全国土地利用状况，掌握真实的土地基础数据，并对调查成果实行信息化、网络化管理，建立和完善土地调查、统计制度和登记制度，实现土地资源信息的社会化服务，满足经济社会发展、土地宏观调控及国土资源管理的需要，对于贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会，促进经济社会可持续发展和加强国土资源管理具有十分重要的意义。

目前我国已经开展了三次全国土地调查，第一次全国土地调查于1984年5月开始，一直到1997年年底结束；第二次全国土地调查于2007年7月1日全面启动，于2009年完成；2017年10月16日，根据《中华人民共和国土地管理法》《土地调查条例》有关规定，国务院决定自2017年起开展第三次全国土地调查。作为一项关系到国计民生的重大地理普查项目，近年来，先进的地理信息技术被不断应用于全国土地调查中，遥感技术成为其中最重要的手段之一。遥感影像能够全面真实地记录地表事物的时空分布特征和分布规律，并为地物资源的空间定位、趋势研究、动态监测提供全面的、直接的信息。从遥感影像的大规模获取，到遥感应用的不断拓展，遥感技术的参与使快速实现信息采集、进行大规模的数据分析研究成为可能，大大加快了调查工作的整体进程。

3.“山、水、林、田、湖、草”地理市情普查和监测

长期以来，受持续增长的人口压力、高强度的国土开发建设活动、自然资源大范围开发利用等因素影响，我国部分地区生态系统退化严重。针对这些生态退化区域，国家相继组织开展了一系列生态保护与建设重大工程，在提高林草植被、森林覆盖率等方面取得了积极成效，强化从生态文明建设的宏观视野提出“山、水、林、田、湖、草是一个生命共同体”的理念，实施普查和监测。

坚持山水林田湖草系统治理理念，需要全面系统地掌握森林、草原、湿地、沙化土地等各类林草资源的综合状况。依托光学、高光谱、雷达等在轨陆地卫星协同组网观测，我国遥感调查监测能力大幅度提升。从建设用地拓展为山水林田湖草全要素，由数量转变为数量、质量、生态三位一体，卫星遥感服务于自然资源调查监测、确权登记、所有者权益、开发利用、国土空间规划、用途管制、生态修复和督察执法等自然资源主责主业，同时支撑国家重大专项工程建设。

4.中国高分辨率对地观测重大专项

中国从“十一五”末开始实施高分辨率对地观测系统重大专项(以下简称“高分专项”)，全面建设具备高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测能力的自主、先进的对地观测体系(童旭东，2016)。高分专项的主要使命是加快我国空间信息与应用技术发展，提升自主创新能力，建设高分辨率先进对地观测系统，满足国民经济建设、社会发展和国家安全的需要。

卫星应用是高分重大专项的出发点和落脚点，是其经济效益和社会效益的综合体现。开展区域应用是实现卫星应用由试验应用型向业务服务型转变、推进高分遥感产业化发展的最优途径。高分专项的实施，结合“一带一路”“京津冀一体化”“长江经济带”等国家重大战略布局，以及区域区位特点，采取市场化手段、以企业为主体，开展高分区域应用，培育和带动地方卫星应用企业群体，带动区域应用创新，扩大高分卫星应用规模，推动区域高分应用产业化发展。

5.30m分辨率、两期全球地表覆盖信息产品GlobeLand 30

全球地表覆盖分布及变化反映人类与自然相互作用、地表水热和物质平衡、生物地球化学循环等，是生态环境监测、气候变化研究、可持续发展规划等重要参量和科学依据。以往欧美研制多套全球地表覆盖信息产品，但分辨率粗(300m～1km)、精度不高、时效性差，难以有效反映大尺度地表覆盖的时空格局及转换规律。而全球30m地表覆盖全要素制图涉及精细化提取、产品质量控制以及海量影像最佳覆盖与有效处理等诸多困难，是一项因素众多、难度极大的遥感测绘科技工程(陈军等，2017、2018)。(www.xing528.com)

国家基础地理信息中心陈军院士主持完成的“全球30m地表覆盖遥感制图关键技术与产品研发”项目，攻克了高分辨率、高质量全球地表覆盖遥感制图的系列核心关键技术，研制出世界上首套30m分辨率、两期全球地表覆盖信息产品GlobeLand 30(图11-2)。项目首创了POK遥感制图技术，将大范围地表覆盖制图精度从50%～60%提高到80%以上，其系列算法解决了约占全球陆表30%缺陷影像的高精度插补和再利用难题，建成的世界上首个全球30m地表覆盖综合性信息服务平台，为信息共享、分析应用及验证更新提供了高效服务手段(陈军等，2017、2018)(该项研究成果获国家科技进步二等奖，2018)。

图11-2　GlobeLand 30产品(2010年期)

GlobeLand 30是世界上首套全要素高分辨率地表覆盖信息产品，质量优良，填补了国际空白，成为中国政府赠送给联合国的首个全球性地理信息公共产品，实现了在该领域的跨越式发展，使我国成为世界领先国家之一，取得了重大社会效益和应用效益。目前，该数据已在122个国家的用户中广泛使用，在生态环境监测、气候变化研究、联合国维和行动、“一带一路”建设等方面发挥着重要作用(Jun et al.，2017)。

6.全球城市建成区信息——城市树

2014年起，吴志强院士团队开始研发“城市树”全球影像智能识别技术，通过30m×30m精度的网格，将40年时间跨度内的全世界所有城市的卫星遥感图片进行智能动态识别并叠加，因得到的城市时空演进可视化轨迹呈树状，所以命名为“城市树”(图11-3)。在此基础上，建立了世界城市演进数据库，运用人工智能图像识别技术，寻找城市建成区范围，总结世界城市发展规律，为研究整个世界的人类城市问题作支撑(吴志强，2018)。

通过机器识别技术，不断地挖掘，建成区面积在100km2以上的城市有937个，50km2以上的城市有2036个，30km2以上的城市有3520个，并挖掘到10km2以上的城市有9000多个，一直到2018年1月，挖掘了1km2以上的13810个城市的城市树。以此归纳出7大类城市发展类型:萌芽型435个、佝偻型3601个、成长型2365个、发育型831个、成熟型1900个、区域型143个、衰退型201个。除城市增长类型和城市增长趋势，在城市研究中运用人工智能的技术可更快速、准确地观察城镇群汇聚的规律(吴志强，2018)。

图11-3　1950—1955年全球城市树分布图

7.全球时间序列产品30m和10m产品

当前世界发展面临一系列挑战，如人口增长、城市化、农业发展和气候变化对粮食安全的影响、能源和水资源短缺、资源过度开采、生物多样性丧失和环境污染等。为维护人类健康和实现联合国可持续发展目标，需要及时获得高分辨率的全球地表覆盖信息，从而能够更好地进行环境监测，而开发这样的产品，需要依赖大量的人力和很强的计算能力。

清华大学宫鹏教授团队基于研究组2011年以来在全球30m地表覆盖制图中获得的经验和在样本库建设方面的积累，结合10m分辨率Sentinel-2全球影像的完整存储和免费获取，以及Google Earth Engine平台强大的云计算能力，开发出了世界首套10m分辨率的全球地表覆盖产品——FROM-GLC10(Gong et al.，2019)，如图11-4所示。

图11-4　FROM-GLC10全球土地覆盖图(基于2017年获得的10m分辨率Sentinel-2数据)

作为当前最精细的全球地表覆盖数据，FROM-GLC10使我国在全球地表覆盖制图方面继续走在前列，具备随时对世界任何地方农业、森林、水面等状况的快速制图和监测能力。产品目前已正式面向全球公开，可以通过http://data.ess.tsinghua.edu.cn免费下载。

8.城市不透水面遥感普查和海绵城市遥感监测

不透水面作为城市的重要组成部分，被定义为地表水不能渗透的人工材料硬质表面，是衡量城市生态环境状况的重要指标，是海绵城市和生态城市建设的重要支撑。当前全球范围内仅有1km和30m分辨率尺度的不透水面专题信息，无法满足城市尺度水文模型建模、海绵城市规划和建设需求(邵振峰等，2018a、2018b)。

目前国内很多学者已对不透水面遥感普查开展研究。2014年国家基础地理信息中心陈军教授推出全球首套30m分辨率地表覆盖数据产品，并开始在全球范围得到应用(Chen et al.，2015)。2018年武汉大学邵振峰团队以中国大陆31个省(直辖市、自治区)为研究区域，基于资源三号、高分一号和高分二号等遥感影像数据，在应用随机森林、SVM、深度学习等多种分类方法的基础上，构建了融合多特征的针对高分辨率遥感影像的不透水面提取模型，并成功应用在各省高分辨率遥感影像不透水面提取的工作中，完成了全球首张2m分辨率不透水面专题信息产品，并广泛服务于中国自然资源监测、海绵城市规划和建设、城市水文和水环境监测中，已经产生了显著的经济效益和社会效益(邵振峰等，2018)。