【中國科學(xué)報】《中華人民共和國土地覆被地圖集》出版背后
每一項科研成果背后都凝聚著無數(shù)科研人員不舍晝夜忘我的工作，《中華人民共和國土地覆被地圖集》成功出版的背后更是凝聚了數(shù)百人6年的心血：111356個全國土地覆被地面實測樣點數(shù)據(jù)的校驗；13輪大規(guī)模交叉自檢；3萬余個獨立地面樣點的精度驗證；全國31個省（區(qū)、市）環(huán)保主管部門用戶的對接與反饋……辛勤、嚴謹?shù)墓ぷ鳎屵@部地圖集完整、系統(tǒng)記錄了中國經(jīng)濟發(fā)展最快20年的變化，對研究我國土地覆被變化及其對生態(tài)環(huán)境安全的影響具有重要的參考價值。
■本報記者 袁一雪
深綠色標注的是常綠針葉灌叢，翠綠色則是常綠闊葉林，淡黃色是濕性草原，淡黃綠色的是高寒草原，淡橘紅色是水田，黃色則是旱地……在《中華人民共和國土地覆被地圖集》（1：1000 000）（以下簡稱地圖集）中，我國廣袤的領(lǐng)土被40種色塊覆蓋，每一種顏色代表一種覆被類型。
“土地覆被是地球表面遙感能監(jiān)測到的地物類型。”地圖集主編、中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所研究員吳炳方告訴《中國科學(xué)報》記者。在地圖集中，我國土地覆被類型被歸納為6個一級類，即林地、草地、耕地、濕地、人工表面和其他，每個一級類下再細分二級類。
“土地覆被不同于土地利用、植被等概念，它從生態(tài)功能解釋我國土地分類，為區(qū)域發(fā)展提供服務(wù)。”吳炳方解釋說，“土地覆被地圖集更像是給國土拍了一張X光片，然后提供給各行業(yè)的‘醫(yī)生’們進行‘診斷’。”
一句話引出地圖集
吳炳方一直從事遙感工作，但他從未想到要將這些數(shù)據(jù)集結(jié)成冊，因為對于業(yè)內(nèi)人士來說，在數(shù)字化如此發(fā)達的今天，需要的數(shù)據(jù)都能直接從電腦中提取，既簡單又方便。2013年，中科院副院長丁仲禮院士在看到吳炳方承擔的中科院A類先導(dǎo)碳專項獲得的三期土地覆被數(shù)據(jù)集后，提出出版地圖集，讓遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
一句話，引出了這本200余頁的地圖集。當吳炳方將地圖集捧在手中時，他突然明白了這本地圖集的意義，“因為數(shù)據(jù)不可能像打印出的地圖一樣給人如此直觀的感受”。
1990年、2000年、2010年，20年的土地覆被變化，被客觀翔實地記錄在地圖集中。而這20年，正是我國經(jīng)濟發(fā)展最快的時代。從地圖集上，人們可以很快了解到我國哪些地方發(fā)生了引人矚目的問題、生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了什么變化、是否影響到生態(tài)功能、人類活動與生態(tài)環(huán)境的相互影響等具有重大意義的科學(xué)問題。
相比之下，世界上其他主要國家都沒有人類經(jīng)濟高速發(fā)展時期的土地覆被改變的完整記錄，如美國，20世紀前半段是其發(fā)展最快的時期，歐洲發(fā)展最快的時期則是在19世紀，但在這些時期，遙感技術(shù)尚未出現(xiàn)，所以他們無法記錄該時期的變化過程。這是研究全球變化、區(qū)域發(fā)展的巨大缺憾。
他們，“用腳丈量”國土
因為研究人員挖掘的是30米分辨率遙感數(shù)據(jù)的光譜信息，“所以，僅靠光譜數(shù)據(jù)，是無法辨別出所有類別的，所以工作人員要到實地去確認核實當?shù)氐那闆r。”吳炳方說。
也因此，在地圖集項目開啟的一刻，工作人員踏上了“用腳丈量”國土的征途。
在我國西北部的新疆維吾爾自治區(qū)，既有海拔8000多米的高山，也有海拔-150多米的盆地。負責這一片區(qū)的中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所副研究員常存，是土生土長的新疆人。從2011年到2013年，他帶著學(xué)生們跑遍了南疆和北疆。他們的腳步遍布沙漠區(qū)、狂風區(qū)、極熱區(qū)甚至無人區(qū)，野外露營的帳篷是每次野外考察時隨車攜帶的必要物資，“我們有時趕不回城市，只能露宿。”常存回憶說。但他并不覺得這些工作艱苦，反而充滿樂趣，“這是我的家鄉(xiāng)，每一次去野外，都是對文獻中描述情形的實踐。我對新疆了解越多，就越熱愛我的大美家鄉(xiāng)”。
當常存感受著新疆地廣人稀時，中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所研究員李愛農(nóng)正帶領(lǐng)團隊在青藏高原、橫斷山區(qū)，抵抗著高海拔帶來的寒冷和高原反應(yīng)，有時甚至要翻越海拔5000米以上的高山，在短時間內(nèi)就能夠經(jīng)歷“一年四季”溫度的快速輪換，只為將土地覆被數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息完美結(jié)合在一起。“記得從阿里獅泉河返回日喀則的途中，由于山洪沖毀了必經(jīng)之路的一座橋梁，我們不得不原地等待臨時簡易橋的搭建。當車輛順利通過時已是凌晨兩點鐘，疲憊不堪的我們不得不冒險在漆黑陌生的山路上又行駛一個多小時，才找到夜宿之地。”對抗兇猛的藏獒、進入沼澤、在懸崖邊徒步而行……對于曾經(jīng)的歷險，李愛農(nóng)仿佛歷歷在目。
而此時，在與西南遙遙相望的遼闊東北平原，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員王宗明則遇到了覆被的復(fù)雜情況，需要利用多時相的遙感數(shù)據(jù)區(qū)分容易混淆的土地覆被二級類型的問題。區(qū)分二級類型，也是區(qū)分具體植被的方法，王宗明根據(jù)東北地區(qū)實際情況，選擇使用不同月份的多期遙感影像。比如，在東北的平原區(qū)，水田和旱地主要采用6月份的影像進行分類，此時期水田已經(jīng)灌水，在影像上與旱地差異顯著；常綠針葉林和其他森林類型的區(qū)分則采用了11月份的影像，此時期落葉林類型樹葉凋落枯萎，與常綠針葉林形成鮮明對比。山谷低平處多分布有濕地、灌木或草地，林地常與這幾類地物混淆。“因此，除了采用6~8月的影像提取林地類型外，我們在部分山區(qū)補充使用了4~5月份的影像，以便能夠較好地區(qū)分出草地、林地和濕地類型。山區(qū)的分類多數(shù)采用了2~3期影像，時間跨度為2~6個月。”王宗明補充道。
工作量大，時間緊，技術(shù)復(fù)雜，這些詞語在各片區(qū)負責人口中被反復(fù)提起。西南片區(qū)團隊核心骨干雷光斌博士就因為監(jiān)測工作而一再推遲婚期，直到今年年初才結(jié)婚，甚至他在2011至2013年連續(xù)三個春節(jié)值守加班。
2013年對負責華東片區(qū)的中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所研究員馬榮華而言，也是難忘的一年。那年4月，他積勞成疾，因腦溢血病倒在工作崗位。經(jīng)過手術(shù)治療后，馬榮華逐漸恢復(fù)了意識：“我十分恐慌，覺得對不起大家，因我一個人，拖累了全國土地覆被數(shù)據(jù)生產(chǎn)的進度。”于是不顧醫(yī)生休息一年的建議，他只休息了7個月就回到了工作崗位。說起工作，馬榮華向《中國科學(xué)報》記者介紹：“華東地區(qū)是近年來我國經(jīng)濟最發(fā)達、人類活動最劇烈的區(qū)域，土地覆蓋破碎度最大，生產(chǎn)難度極大。經(jīng)多方驗證，我們生產(chǎn)的華東區(qū)土地覆被數(shù)據(jù)，是目前空間分辨率最高、時間序列最長、精度最高的土地覆被產(chǎn)品集。”
監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴要求
在各地科研人員“用腳丈量”國土的同時，為了保障地圖集的科學(xué)性和實用性，吳炳方組織所有參與數(shù)據(jù)監(jiān)測工作的院所召開大規(guī)模交叉自檢碰頭會議共13次。每一次，他都一絲不茍地跟進各片區(qū)數(shù)據(jù)，和大家反復(fù)討論。“這次土地覆被監(jiān)測，我要求采用新的方法，即以半自動化分類為主，盡可能地極致發(fā)揮當今遙感的監(jiān)測能力和技術(shù)優(yōu)勢。以前從數(shù)據(jù)獲取到處理技術(shù)，制約了監(jiān)測方法的改進，而現(xiàn)在，半自動化的工作方法不僅提高了分類的精細程度，同時降低了工作強度，以往三四年才能完成的監(jiān)測工作，現(xiàn)在只需要半年就完成了。”吳炳方打趣說，“或許下一次，我們會使用人工智能全自動地完成工作。”
對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的嚴格要求，同樣體現(xiàn)在與用戶對接的環(huán)節(jié)。因為地圖集中的數(shù)據(jù)要真正服務(wù)于多行業(yè)部門，所以工作組要走出去與各行業(yè)對接，提升數(shù)據(jù)的價值。但對接工作并不順利，遙感數(shù)據(jù)與很多行業(yè)的需求有偏差，比如林業(yè)部門要求分辨出自然林和人工林，但實際上遙感只能區(qū)分針葉林和闊葉林等植被類型；甚至一些部門對于監(jiān)測結(jié)果不滿意，要求按照他們的意見修改。“我的原則就是堅持、解釋、修改。堅持科學(xué)的立場，在與各行業(yè)部門對接時進行耐心解釋；對于出現(xiàn)的分類錯誤，進行數(shù)據(jù)補充、方法改進與結(jié)果修正。”吳炳方說，“我們是做科學(xué)研究的，所以數(shù)據(jù)要站得住腳，要過硬，要經(jīng)得起檢驗。”
幸運的是，他們在與各省市環(huán)保主管部門對接時，得到了環(huán)保部生態(tài)司原副司長侯代軍的大力支持。“正因為有他的耐心和鼎力支持，才使得逐省市的數(shù)據(jù)對接成為可能。數(shù)據(jù)用戶的確認既提高了數(shù)據(jù)的精度，又加深了用戶對數(shù)據(jù)的理解，實現(xiàn)了雙贏格局。”吳炳方表示。
科學(xué)也可以很藝術(shù)
6年野外勘察與室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，數(shù)百名工作人員的艱苦工作，讓地圖集上的每一處數(shù)據(jù)都有了精確定位。使用什么顏色將40種二級類可以清楚又美觀的呈現(xiàn)，成為吳炳方的新課題。
一般地圖都采用兩種主色調(diào)，一種是俄羅斯常用的暖色，另一種則是歐美國家偏愛的冷色。“而我們以前的遙感圖并不過多考慮顏色問題，只需要將不同類型用色塊區(qū)分即可。”吳炳方介紹道。
為此，他們特別聘請了中科院地理資源所研究員錢金凱作為該地圖集顏色的總體設(shè)計師，經(jīng)過反復(fù)商討，最終選擇了綠色作為地圖集的主色調(diào)，接下來再細分顏色以區(qū)別針葉林、闊葉林、針闊交混林、常綠闊葉灌叢、落葉闊葉灌叢……
深綠、淺綠、黃綠、藍綠，各種顏色的變化，讓地圖集上的植被清晰可辨。對比翻閱每一張分幅的三期土地覆被圖，使得隱藏在復(fù)雜格局背后的土地覆被主導(dǎo)類型和變化驅(qū)動因子躍然紙上。
期望數(shù)據(jù)可以雙向交流
如今，地圖集中的數(shù)據(jù)已經(jīng)在國家環(huán)境保護部、中國科學(xué)院、國家林業(yè)局和省級（市、區(qū)）國土、環(huán)保、水利、林業(yè)、科教等部門與行業(yè)的100多家單位廣泛應(yīng)用，共享數(shù)據(jù)超過750GB。
看著6年的研究開花結(jié)果，為更多部門提供便利，吳炳方的心情卻是有些復(fù)雜：一方面是高興，因為數(shù)據(jù)被認可，數(shù)據(jù)的價值得到最大的體現(xiàn)與發(fā)揮；同時也有些許失落，特別是當部分使用者將數(shù)據(jù)拷走使用既不感謝，又不注明出處時，他倍感失望。
“數(shù)據(jù)共享應(yīng)該是雙向的，單方面的數(shù)據(jù)共享是一把雙刃劍，既不利于數(shù)據(jù)產(chǎn)品的可持續(xù)生產(chǎn)，也會造成誰都不想生產(chǎn)數(shù)據(jù)，只想共享他人數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致無數(shù)據(jù)可用的局面，同時也不利于年輕人的成長，養(yǎng)成坐享其成的不良習慣。”吳炳方強調(diào)。
為此，中科院遙感地球所正在著手建立云平臺基礎(chǔ)上的共享機制，不是單向的數(shù)據(jù)分發(fā)共享模式，而是雙向的、交互式的、共同工作的模式，數(shù)據(jù)用戶可以參與到已有數(shù)據(jù)的驗證，也可以提出新的需求，或者提供更多的地面調(diào)查數(shù)據(jù)，共同完成所需數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。
隨著遙感技術(shù)的不斷進步和我們對土地覆被認知的不斷深入，數(shù)據(jù)還將會源源不斷地補充和修改。“目前，我們30米空間分辨率數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2015年，基于2015年數(shù)據(jù)，我們還對2010年、2000年和1990年數(shù)據(jù)集開展了進一步的修正。未來，我們計劃在2018年完成2017年全國10米分辨率土地覆被數(shù)據(jù)集，通過分辨率的提升，展示我國土地覆被更豐富的細節(jié)信息。目前我們的計劃是每5年監(jiān)測一次，但是終極目標是每年都能開展監(jiān)測，及時把握變化。”對未來，吳炳方充滿憧憬。
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