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【中国科学报】丈量20年“中国强度”
文章来源:中国科学报 袁一雪     发布时间:2017-12-01

  每一项科研成果背后都凝聚着无数科研人员不舍昼夜忘我的工作,《中华人民共和国土地覆被地图集》成功出版的背后更是凝聚了数百人6年的心血:111356个全国土地覆被地面实测样点数据的校验;13轮大规模交叉自检;3万余个独立地面样点的精度验证;全国31个省(区、市)环保主管部门用户的对接与反馈……辛勤、严谨的工作,让这部地图集完整、系统记录了中国经济发展最快20年的变化,对研究我国土地覆被变化及其对生态环境安全的影响具有重要的参考价值。

  深绿色标注的是常绿针叶灌丛,翠绿色则是常绿阔叶林,淡黄色是湿性草原,淡黄绿色的是高寒草原,淡橘红色是水田,黄色则是旱地……在《中华人民共和国土地覆被地图集》(1:1000 000)(以下简称地图集)中,我国广袤的领土被40种色块覆盖,每一种颜色代表一种覆被类型。

  “土地覆被是地球表面遥感能监测到的地物类型。”地图集主编、中国科学院遥感与数字地球研究所研究员吴炳方告诉《中国科学报》记者。在地图集中,我国土地覆被类型被归纳为6个一级类,即林地、草地、耕地、湿地、人工表面和其他,每个一级类下再细分二级类。

  “土地覆被不同于土地利用、植被等概念,它从生态功能解释我国土地分类,为区域发展提供服务。”吴炳方解释说,“土地覆被地图集更像是给国土拍了一张X光片,然后提供给各行业的‘医生’们进行‘诊断’。”

  一句话引出地图集 

  吴炳方一直从事遥感工作,但他从未想到要将这些数据集结成册,因为对于业内人士来说,在数字化如此发达的今天,需要的数据都能直接从电脑中提取,既简单又方便。2013年,中科院副院长丁仲礼院士在看到吴炳方承担的中科院A类先导碳专项获得的三期土地覆被数据集后,提出出版地图集,让遥感数据实现更广泛的应用。

  一句话,引出了这本200余页的地图集。当吴炳方将地图集捧在手中时,他突然明白了这本地图集的意义,“因为数据不可能像打印出的地图一样给人如此直观的感受”。

  1990年、2000年、2010年,20年的土地覆被变化,被客观翔实地记录在地图集中。而这20年,正是我国经济发展最快的时代。从地图集上,人们可以很快了解到我国哪些地方发生了引人瞩目的问题、生态系统发生了什么变化、是否影响到生态功能、人类活动与生态环境的相互影响等具有重大意义的科学问题。

  相比之下,世界上其他主要国家都没有人类经济高速发展时期的土地覆被改变的完整记录,如美国,20世纪前半段是其发展最快的时期,欧洲发展最快的时期则是在19世纪,但在这些时期,遥感技术尚未出现,所以他们无法记录该时期的变化过程。这是研究全球变化、区域发展的巨大缺憾。

  他们,“用脚丈量”国土 

  因为研究人员挖掘的是30米分辨率遥感数据的光谱信息,“所以,仅靠光谱数据,是无法辨别出所有类别的,所以工作人员要到实地去确认核实当地的情况。”吴炳方说。

  也因此,在地图集项目开启的一刻,工作人员踏上了“用脚丈量”国土的征途。

  在我国西北部的新疆维吾尔自治区,既有海拔8000多米的高山,也有海拔-150多米的盆地。负责这一片区的中国科学院新疆生态与地理研究所副研究员常存,是土生土长的新疆人。从2011年到2013年,他带着学生们跑遍了南疆和北疆。他们的脚步遍布沙漠区、狂风区、极热区甚至无人区,野外露营的帐篷是每次野外考察时随车携带的必要物资,“我们有时赶不回城市,只能露宿。”常存回忆说。但他并不觉得这些工作艰苦,反而充满乐趣,“这是我的家乡,每一次去野外,都是对文献中描述情形的实践。我对新疆了解越多,就越热爱我的大美家乡”。

  当常存感受着新疆地广人稀时,中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所研究员李爱农正带领团队在青藏高原、横断山区,抵抗着高海拔带来的寒冷和高原反应,有时甚至要翻越海拔5000米以上的高山,在短时间内就能够经历“一年四季”温度的快速轮换,只为将土地覆被数据与基础地理信息完美结合在一起。“记得从阿里狮泉河返回日喀则的途中,由于山洪冲毁了必经之路的一座桥梁,我们不得不原地等待临时简易桥的搭建。当车辆顺利通过时已是凌晨两点钟,疲惫不堪的我们不得不冒险在漆黑陌生的山路上又行驶一个多小时,才找到夜宿之地。”对抗凶猛的藏獒、进入沼泽、在悬崖边徒步而行……对于曾经的历险,李爱农仿佛历历在目。

  而此时,在与西南遥遥相望的辽阔东北平原,中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员王宗明则遇到了覆被的复杂情况,需要利用多时相的遥感数据区分容易混淆的土地覆被二级类型的问题。区分二级类型,也是区分具体植被的方法,王宗明根据东北地区实际情况,选择使用不同月份的多期遥感影像。比如,在东北的平原区,水田和旱地主要采用6月份的影像进行分类,此时期水田已经灌水,在影像上与旱地差异显著;常绿针叶林和其他森林类型的区分则采用了11月份的影像,此时期落叶林类型树叶凋落枯萎,与常绿针叶林形成鲜明对比。山谷低平处多分布有湿地、灌木或草地,林地常与这几类地物混淆。“因此,除了采用6~8月的影像提取林地类型外,我们在部分山区补充使用了4~5月份的影像,以便能够较好地区分出草地、林地和湿地类型。山区的分类多数采用了2~3期影像,时间跨度为2~6个月。”王宗明补充道。

  工作量大,时间紧,技术复杂,这些词语在各片区负责人口中被反复提起。西南片区团队核心骨干雷光斌博士就因为监测工作而一再推迟婚期,直到今年年初才结婚,甚至他在2011至2013年连续三个春节值守加班。

  2013年对负责华东片区的中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员马荣华而言,也是难忘的一年。那年4月,他积劳成疾,因脑溢血病倒在工作岗位。经过手术治疗后,马荣华逐渐恢复了意识:“我十分恐慌,觉得对不起大家,因我一个人,拖累了全国土地覆被数据生产的进度。”于是不顾医生休息一年的建议,他只休息了7个月就回到了工作岗位。说起工作,马荣华向《中国科学报》记者介绍:“华东地区是近年来我国经济最发达、人类活动最剧烈的区域,土地覆盖破碎度最大,生产难度极大。经多方验证,我们生产的华东区土地覆被数据,是目前空间分辨率最高、时间序列最长、精度最高的土地覆被产品集。”

  监测数据严要求 

  在各地科研人员“用脚丈量”国土的同时,为了保障地图集的科学性和实用性,吴炳方组织所有参与数据监测工作的院所召开大规模交叉自检碰头会议共13次。每一次,他都一丝不苟地跟进各片区数据,和大家反复讨论。“这次土地覆被监测,我要求采用新的方法,即以半自动化分类为主,尽可能地极致发挥当今遥感的监测能力和技术优势。以前从数据获取到处理技术,制约了监测方法的改进,而现在,半自动化的工作方法不仅提高了分类的精细程度,同时降低了工作强度,以往三四年才能完成的监测工作,现在只需要半年就完成了。”吴炳方打趣说,“或许下一次,我们会使用人工智能全自动地完成工作。”

  对于监测数据的严格要求,同样体现在与用户对接的环节。因为地图集中的数据要真正服务于多行业部门,所以工作组要走出去与各行业对接,提升数据的价值。但对接工作并不顺利,遥感数据与很多行业的需求有偏差,比如林业部门要求分辨出自然林和人工林,但实际上遥感只能区分针叶林和阔叶林等植被类型;甚至一些部门对于监测结果不满意,要求按照他们的意见修改。“我的原则就是坚持、解释、修改。坚持科学的立场,在与各行业部门对接时进行耐心解释;对于出现的分类错误,进行数据补充、方法改进与结果修正。”吴炳方说,“我们是做科学研究的,所以数据要站得住脚,要过硬,要经得起检验。”

  幸运的是,他们在与各省市环保主管部门对接时,得到了环保部生态司原副司长侯代军的大力支持。“正因为有他的耐心和鼎力支持,才使得逐省市的数据对接成为可能。数据用户的确认既提高了数据的精度,又加深了用户对数据的理解,实现了双赢格局。”吴炳方表示。

  科学也可以很艺术 

  6年野外勘察与室内数据处理,数百名工作人员的艰苦工作,让地图集上的每一处数据都有了精确定位。使用什么颜色将40种二级类可以清楚又美观的呈现,成为吴炳方的新课题。

  一般地图都采用两种主色调,一种是俄罗斯常用的暖色,另一种则是欧美国家偏爱的冷色。“而我们以前的遥感图并不过多考虑颜色问题,只需要将不同类型用色块区分即可。”吴炳方介绍道。

  为此,他们特别聘请了中科院地理资源所研究员钱金凯作为该地图集颜色的总体设计师,经过反复商讨,最终选择了绿色作为地图集的主色调,接下来再细分颜色以区别针叶林、阔叶林、针阔交混林、常绿阔叶灌丛、落叶阔叶灌丛……

  深绿、浅绿、黄绿、蓝绿,各种颜色的变化,让地图集上的植被清晰可辨。对比翻阅每一张分幅的三期土地覆被图,使得隐藏在复杂格局背后的土地覆被主导类型和变化驱动因子跃然纸上。

  期望数据可以双向交流 

  如今,地图集中的数据已经在国家环境保护部、中国科学院、国家林业局和省级(市、区)国土、环保、水利、林业、科教等部门与行业的100多家单位广泛应用,共享数据超过750GB。

  看着6年的研究开花结果,为更多部门提供便利,吴炳方的心情却是有些复杂:一方面是高兴,因为数据被认可,数据的价值得到最大的体现与发挥;同时也有些许失落,特别是当部分使用者将数据拷走使用既不感谢,又不注明出处时,他倍感失望。

  “数据共享应该是双向的,单方面的数据共享是一把双刃剑,既不利于数据产品的可持续生产,也会造成谁都不想生产数据,只想共享他人数据,最终导致无数据可用的局面,同时也不利于年轻人的成长,养成坐享其成的不良习惯。”吴炳方强调。

  为此,中科院遥感地球所正在着手建立云平台基础上的共享机制,不是单向的数据分发共享模式,而是双向的、交互式的、共同工作的模式,数据用户可以参与到已有数据的验证,也可以提出新的需求,或者提供更多的地面调查数据,共同完成所需数据的生产。

  随着遥感技术的不断进步和我们对土地覆被认知的不断深入,数据还将会源源不断地补充和修改。“目前,我们30米空间分辨率数据已经更新到2015年,基于2015年数据,我们还对2010年、2000年和1990年数据集开展了进一步的修正。未来,我们计划在2018年完成2017年全国10米分辨率土地覆被数据集,通过分辨率的提升,展示我国土地覆被更丰富的细节信息。目前我们的计划是每5年监测一次,但是终极目标是每年都能开展监测,及时把握变化。”对未来,吴炳方充满憧憬。

(原载于《中国科学报》 2017-12-01 1版)

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