全球耕地遥感制图与分析

农
User acc.
业
2010
论
坛
Area % 0.1619 0.0174 0.2910 0.0869 0.0340 0.0264 0.0100 0.1830 0.0203
Total accur.
83.06% 89.00% 76.88% 72.52% 79.63% 92.09% 86.97% 77.33% 75.86%
大范围耕地遥感面临的难题
“同物异谱/异物同谱”现象突出
同物异谱 异物同谱
湿地
草地
2010.6
0 2
以农作物的植被光谱
Βιβλιοθήκη Baidu
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
8 1
耕地
2015.3
裸露田快的土壤光谱
全球地表覆盖遥感制图
耕地是其中主要类型之一
0 2
智 8 1
规则 凝练
多尺度 分割
慧
异常 发现
农
协同 检核
业
保留空间 细节 消除椒盐 误差 降低分类 误差
处理效果
论
像素级 分类 对象化 处理 知识化 检核
坛
P
对象化过滤
O
K
GlobeLand30制图
分层提取：
多源全球30米影像数据集
已有 产品
参考 资料 分类 影像 DEM 样本 信息
生 产 技 术 规 范
局部分类结果
0 2
8 1
·俄罗斯奥伦堡州2010年
局部分类结果
0 2
8 1
·意大利蒂罗尔州2010年分类成果
局部分类结果
0 2
智 8 1
慧
农
业
论
坛
埃及新河谷省2010期
2.3 精度评价- GlobeLand30总体精度
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%
Class
Region
Asia Europe Africa America Oceanic Total
0 2
智 8 1
图幅数
26 6 18 25 5 80
样本量
60165 12792 25656 45822 9635 154070
慧
croplands
forest grass shrub wetland water artificial bareland Ice
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
分类特征
遥感 影像
光谱特征 物候特征 纹理特征 SVM MLC DTC ……
算法模型
特征自适应分类
专家 知识 参考 资料
空间结构 制图单元 自然知识 人文知识 时空分布
0 2
Chen et.al., 2015. Global Land Cover Mapping at 30m Resolution: a POK-based Operational Approach， ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing , 103 (2015): 7-27
8 1
掌握境外耕地资源-后备生命线
大范围耕地遥感面临的难题
耕地自身类型复杂，光谱、纹理及物候特征差异很大
(a) (b) (c)
1. 平原区
种植与收割农田交错
(d)
耕地与村镇交错
(e) (f)
水田
2. 山区/丘陵地带
- 梯田 - 水田 - 山区坡耕地 - 峡谷河流两侧耕地
- 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
19.70
21.33
21.66
21.11
28.97
22.22
20.79
29.31
13.68
49.86
陆苗 等 2016，Science China Earth Sciences, 59(12): 2307-2317
各大洲耕地精度对比
GlobeLand30
北美洲 南美洲 欧洲 非洲 大洋洲 亚洲 全球 92.1 90.1 87.1 89.9 95.4 86.0 89.3
全球耕地遥感制图与分析
0 2
8 1
国
2018年7月28日，北京
汇报提纲 一、引言
二、GlobeLand30耕地制图 三、全球耕地变化分析
0 2
四、结束语
8 1
民以食为天
耕地是粮食生产的重要前提与保障
北美-玉 米 东南亚水稻 南美-大 豆
保护国内耕地-生命线
0 2
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
P O K
以 耕 地 为 例
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：Slope ϵ [15,30] - …
检核优化结果
知识规则凝练
错漏分 判定
0 2
智 8 1
错误 标注 发布订 阅推送
提高耕地 识别精度
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
P O K
以 耕 地 为 例
特征自适应分类
多分类器集成 SVM MLC DTC
像素级分类结果
0 2
智 8 1
慧
……
农
业
论
P
坛
分类 精度
50%
30米NDVI时序
Landsat影像
对象级处理
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
P O
顾及空间结构特性的对象化处理 对象化过滤
对象化识别结果
信息熵集成
m
K
以 耕 地 为 例
El (i, j ) Pl ,c (i, j ) ln( Pl ,c (i, j ))
L(i, j ) arg min El (i, j )
83.50% ±0.18%
精度评价
Scale Subcontinental Region Central Asia East Africa China Iran Classes for Evaluation 10 classes Cropland 10 classes 10 classes Accuracy 46.0% 83.1% 82.4% 77.9% References
异常发现
在线检核
慧
数据 优化
农
业
论
坛
分类 精度
80% 70%
P O K
参考资料
Landsat影像
张委伟, 陈军等. 中国科学: 地球科学, 2016 46（9）
局部分类结果
0 2
智 8 1
慧
农
业
论
坛
• 中国内蒙古鄂尔多斯（2000）
局部分类结果
0 2
智 8 1
慧
农
业
论
坛
·伊拉克2010年分类成果
坛
92.3 89.7 88.6 86.1 95.4 84.9 88.1
汇报提纲
一、引言
二、GlobeLand30耕地制图
三、全球耕地变化分析
0 2
四、结束语
智 8 1
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
l
0 2
智 8 1
c 1
面积：S斑块 > 9像元 比例：F比例 > 20% 地形：Slope<30度
耕地过滤规则：
慧
农
业
论
P O
坛
分类 精度
50% 70%
像素级分类结果
Landsat影像
曹鑫 等. SCIENTIA SINICA Terrae, 2016, 46(11)
知识化检核
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
分景单类型提取
0 2
陈军 等 2014，,测绘学报，43（6）：551-557
智 8 1
数据检核与完善 产品集成
单类型分幅集成
慧
过 程 质 量 控 制
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
0 2
四、结束语
8 1
2.1 GlobeLand30耕地提取
30米影像 （Landsat、HJ-1） 耕地光谱、 纹理和时 相特征 差异大 250m NDVI 时间序列数据
0 2
8 1
• “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
3.1 全球耕地空间格局
0 2

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。
National
0 2
Regional
智 8 1
Italy 10 classes Nepal 10 classes Portugal 10 classes China Cropland China Forest Siberia, Russia 10 classes Kyiv Oblast, 10 classes Ukraine Henan, China 10 classes Thessaly, Greece Water Shaanxi, China Cropland
0 2
智 8 1
对象分割 先验知识梳理
（2）基于对象的自动判别
基于耕地比例和坡度 的自动判别 对象化的耕地提取结 果
慧
农
• 一年一季 • 一年两季或多季
多时相特征
业
论
坛
有效提取 不同特征 的耕地
30mNDVI时序数据 重建
准确提取 耕地地块
（3）基于先验知识的交互式处理
信息服务平台 资料整合 分类结果交互 式编辑 优化的耕地提取 结果
慧
农
80.0% 80.1% 77.0% 79.6% 87.0% 86.9% 89.7% 81.5% 91.9% 80.6%
业
Sun et al., 2016 Jacobson, 2015 Yang et al., 2017 Arsanjani et al., 2016b Brovelli et al., 2015 Cao et al., 2016 Mozak, 2016 Lu et al., 2016 Wang et al., 2015 Zhang et al., 2015a Kussul et al., 2015 Ma et al., 2016 Manakos et al., 2015 Chen et al., 2017
（1） 像元尺度多特征优化的耕地分类提取
• 生长季的耕地（植被） • 休耕地（裸地） • 水田（水体）
光谱特征
• 不同斑块大小的地块 • 不同形状的地块
纹理特征
光谱特征提取
自适应窗口纹理特征
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: 1426–1435
8 1
Grekousis et al., 2015，International Journal of Remote Sensing, 36 (21) :5309-5335
Global Food Security-support Analysis Data 30-m (GFSAD30)
中国 澳大利亚
论
坛
精度评价-中国区域
总体精度(%) Kappa系数
耕地错分率(%)
耕地漏分率(%)
0 2
智 8 1
GlobeLand30 79.61 0.58 76.23 0.52
慧
70.13 0.39
农
业
0.47
论
坛
FROM-GLC GlobCover
MODIS Collection 5 73.49
MODIS Cropland 67.99 0.38
3. 干旱/半干旱区
黄土高原
(g)
- 黄土高原塬梁峁区域的耕地
- 农牧交错区 - 非洲沙漠边缘耕地 - 绿洲耕地 - 圆形灌溉耕地
梯田
(h) (i)
大棚用地
0 2
干旱区灌溉耕地
8 1
4. 其它耕地
茶园
咖啡
- 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
传统遥感分类方法缺乏特征自适应能力
新西兰
蒙古
0 2
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。
8 1
GlobeLand30
辨率全球地表覆盖数据产品
在国家863重点项目支出下，研制出世界上首套30米分
0 2
全要素（十大类）+ 两期（2000/2010)
智 8 1
慧
农
业
论
坛
陈军等. 全球30 m地表覆盖遥感数据产品-GlobeLand30[J]. 地理信息世界,2017,24(1):1-8
CCI
90.4 78.8
Globcover MODIS C5 unified-cropland
87.4 78.9
0 2
智 8 1
89.7 79.1 93.9 82.6 84.5
慧
87.5 83.1 88.3 77.5 83.0
农
业
90.0 87.5 89.4 88.7 95.0 86.7 88.8
论