全球耕地遥感制图与分析

全球耕地遥感制图与分析国2018年7月28日，北京2018汇报提纲一、引言二、GlobeLand30耕地制图三、全球耕地变化分析四、结束语2018民以食为天耕地是粮食生产的重要前提与保障保护国内耕地-生命线准确地掌握全球耕地分布、质量及变化态势，服务国家决策与管理掌握境外耕地资源-后备生命线北美-玉米南美-大豆东南亚-水稻2018大范围耕地遥感面临的难题水田种植与收割农田交错黄土高原梯田茶园咖啡大棚用地干旱区灌溉耕地1.平原区-大规模机械农业区-耕地/村镇交错区-水田-人工牧草地-圆形灌溉耕地2.山区/丘陵地带-梯田-水田-山区坡耕地-峡谷河流两侧耕地-黄土高原塬梁峁区域的耕地3.干旱/半干旱区-农牧交错区-非洲沙漠边缘耕地-绿洲耕地-圆形灌溉耕地4.其它耕地-茶园、咖啡园等经济作物-休耕地/弃耕地-大棚-森林中开垦的耕地耕地与村镇交错(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)耕地自身类型复杂，光谱、纹理及物候特征差异很大传统遥感分类方法缺乏特征自适应能力2018大范围耕地遥感面临的难题“同物异谱/异物同谱”现象突出传统遥感分类方法缺乏特征自适应能力，难以保障大范围地表覆盖信息提取的单期高精度、多期一致性湿地耕地草地异物同谱以农作物的植被光谱裸露田快的土壤光谱2010.6同物异谱2015.32018全球地表覆盖遥感制图Grekousisetal.,2015，InternationalJournalofRemoteSensing,36(21):5309-5335耕地是其中主要类型之一2018GlobalFoodSecurity-supportAnalysisData30-m(GFSAD30)中国澳大利亚新西兰蒙古NASA研制的GFSAD产品-提供中国、澳大利亚、新西兰和蒙古2015年30米分辨率的的耕地分布数据。2018GlobeLand30全要素（十大类）+两期（2000/2010)陈军等.全球30m地表覆盖遥感数据产品-GlobeLand30[J].地理信息世界,2017,24(1):1-8在国家863重点项目支出下，研制出世界上首套30米分辨率全球地表覆盖数据产品2018智慧农业论坛GlobeLand30制图POK方法：将像元分类(P)、对象化处理(O)和知识化检核(K)有机结合光谱特征物候特征遥感影像参考资料专家知识纹理特征多尺度分割规则凝练特征自适应分类对象化过滤协同检核保留空间细节消除椒盐误差降低分类误差空间结构制图单元自然知识人文知识时空分布异常发现像素级分类对象化处理知识化检核SVMMLCDTCPOK分类特征算法模型处理效果……Chenet.al.,2015.GlobalLandCoverMappingat30mResolution:aPOK-basedOperationalApproach，ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing,103(2015):7-272018智慧农业论坛GlobeLand30制图分层提取：产品集成数据检核与完善单类型分幅集成分景单类型提取过程质量控制生产技术规范样本信息分类影像已有产品DEM参考资料多源全球30米影像数据集陈军等2014，,测绘学报，43（6）：551-5572018智慧农业论坛汇报提纲一、引言二、GlobeLand30耕地制图三、全球耕地变化分析四、结束语20182.1GlobeLand30耕地提取纹理特征•不同斑块大小的地块•不同形状的地块光谱特征•生长季的耕地（植被）•休耕地（裸地）•水田（水体）30米影像（Landsat、HJ-1）准确提取耕地地块光谱特征提取耕地光谱、纹理和时相特征差异大有效提取不同特征的耕地自适应窗口纹理特征30mNDVI时序数据重建多时相特征•一年一季•一年两季或多季250mNDVI时间序列数据（2）基于对象的自动判别（3）基于先验知识的交互式处理（1）像元尺度多特征优化的耕地分类提取对象分割基于耕地比例和坡度的自动判别对象化的耕地提取结果优化的耕地提取结果先验知识梳理信息服务平台资料整合分类结果交互式编辑提高耕地识别精度耕地地块小、破碎化程度高先验知识应用难曹鑫等2016，全球30m耕地遥感制图研究.中国科学:地球科学,46:1426–14352018智慧农业论坛像素级-多特征优化的分类提取根据特定地表覆盖类型的光谱/纹理/物候特点，优选最佳特征与分类器，有效提取地类的空间细节30米NDVI时序Landsat影像以耕地为例POK多分类器集成SVMMLCDTC特征自适应分类……50%分类精度P像素级分类结果2018智慧农业论坛对象级处理像素级分类结果Landsat影像POK50%分类精度P对象化识别结果顾及空间结构特性的对象化处理耕地过滤规则：面积：S斑块9像元比例：F比例20%地形：Slope30度,,1(,)(,)ln((,))mllclccEijPijPij(,)argmin(,)llLijEij信息熵集成对象化过滤70%O以耕地为例曹鑫等.SCIENTIASINICATerrae,2016,46(11)基于多尺度对象分割和信息熵集成，进行尺度转换与空间过滤，消除“椒盐”误差2018智慧农业论坛知识化检核参考资料Landsat影像分类精度P检核优化结果70%OK80%基于多类型约束性规则的知识化检核耕地异常检核规则：-统计差异：|A提取-A统计|20%*A统计-人造地表耕地交错：∂P耕地∩∂P人造=0-坡耕地漏提：Slopeϵ[15,30]-…错漏分判定错误标注发布订阅推送数据优化异常发现在线检核知识规则凝练张委伟,陈军等.中国科学:地球科学,201646（9）凝练多类型知识规则，实现异常区域的自动发现与错漏分修正以耕地为例POK2018智慧农业论坛局部分类结果•中国内蒙古鄂尔多斯（2000）2018智慧农业论坛局部分类结果·伊拉克2010年分类成果2018智慧农业论坛局部分类结果·俄罗斯奥伦堡州2010年2018局部分类结果·意大利蒂罗尔州2010年分类成果2018局部分类结果埃及新河谷省2010期2018智慧农业论坛2.3精度评价-GlobeLand30总体精度2010ClassUseracc.Area%Totalaccur.croplands83.06%0.161983.50%±0.18%forest89.00%0.0174grass76.88%0.2910shrub72.52%0.0869wetland79.63%0.0340water92.09%0.0264artificial86.97%0.0100bareland77.33%0.1830Ice75.86%0.0203采用图幅抽样和空间相关性要素抽样，从全球选择154,000个样本点，总体精度达到83%Region图幅数样本量Asia2660165Europe612792Africa1825656America2545822Oceanic59635Total801540702018智慧农业论坛精度评价ScaleRegionClassesforEvaluationAccuracyReferencesSub-continentalCentralAsia10classes46.0%Sunetal.,2016EastAfricaCropland83.1%Jacobson,2015NationalChina10classes82.4%Yangetal.,2017Iran10classes77.9%Arsanjanietal.,2016bItaly10classes80.0%Brovellietal.,2015Nepal10classes80.1%Caoetal.,2016Portugal10classes77.0%Mozak,2016ChinaCropland79.6%Luetal.,2016ChinaForest87.0%Wangetal.,2015RegionalSiberia,Russia10classes86.9%Zhangetal.,2015aKyivOblast,Ukraine10classes89.7%Kussuletal.,2015Henan,China10classes81.5%Maetal.,2016Thessaly,GreeceWater91.9%Manakosetal.,2015Shaanxi,ChinaCropland80.6%Chenetal.,20172018智慧农业论坛精度评价-中国区域GlobeLand30FROM-GLCGlobCoverMODISCollection5MODISCropland总体精度(%)79.6176.2370.1373.4967.99Kappa系数0.580.520.390.470.38耕地错分率(%)19.7021.6628.9720.7913.68耕地漏分率(%)21.3321.1122.2229.3149.86陆苗等2016，ScienceChinaEarthSciences,59(12):2307-23172018智慧农业论坛各大洲耕地精度对比GlobeLand30CCIGlobcoverMODISC5unified-cropland北美洲92.190.487.490.092.3南美洲90.178.878.987.589.7欧洲87.189.787.589.488.6非洲89.979.183.188.786.1大洋洲95.493.988.395.095.4亚洲86.082.677.586.784.9全球89.384.583.088.888.12018智慧农业论坛汇报提纲一、引言二、GlobeLand30耕地制图三、全球耕地变化分析四、结束语2018智慧农业论坛基于GlobeLand30的全球耕地分析基于面积、集约化、景观指数等指标，进行格局、十年变化及归因分析格局及变化•2010年全球耕地总面积1938.9万km2，占陆表面积的14.30%•10年全球耕地增加41.73万km²，增幅约2.19%•增加的耕地多从林草地转入•城市化是耕地减少的重要原因耕地利用程度•10年间耕地利用程度持续提升•非洲和南美洲垦殖指数增加•亚洲、非洲和南美洲耕地复种指数提升重点国家/地区•“一带一路”沿线国家耕地变化总体稳定•亚马逊耕地扩张明显•中国耕地面积减少并同时伴随着破碎化20183.1全球耕地空间格局2010年全球耕地总面积为1938.92万平方千米，约占陆表面积的14.30%北半球耕地面积远多于南半球，东半球耕地面积多于西半球。2018智慧农业论坛各国耕地面积2010年各国耕地面积占比前十名的依次为：中国、美国、印度、俄罗斯、巴西、阿根廷、澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦、乌克兰。胡琼，吴文斌等2018，中国农业科学，51(6)：1091-11052018智慧农业论坛各国人均耕地面积2010年全球人均耕地占有量为0.28公顷/人，各大洲人均耕地面积从大到小依次是大洋洲、欧洲、美洲、非洲和亚洲。人均耕地占有量前十名国家依次为俄罗斯、白俄罗斯、乌拉圭、巴拉圭、立陶宛、拉托维亚、加拿大、阿根廷、澳大利亚和哈萨克斯坦。2018智慧农业论坛3.2耕地变化(2000-2010)2000年至2010年全球耕地面积增加了41.73万平方千米，增幅2.19%。非洲是耕地变化最明显的大洲。巴西耕地面积增加最多，占全球耕地增加面积的27.3%；在耕地面积最多的前十名国家中，中国是唯一一个耕地面积减少的国家。2018智慧农业论坛巴西-耕地面积增长最大增长面积达1121.2万公顷，增长幅度为9.51%。新增耕地主要来自森林砍伐和草地占用。龙禹桥，吴文斌等，2018，中国农业科学,51(6):1134-11432018智慧农业论坛亚马逊流域-森林砍伐20002010森林迹地森林迹地2018智慧农业论坛中国（上海）新增建设用地（2000-2010）2018智慧农业论坛中国（苏锡常）新增建设用地（2000-2010）2018智慧农业论坛新增城乡建设