地球信息科学学报 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (1): 91-100.doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00091
• 新时期中国土地利用/覆被变化时空特征与生态环境效应专栏 • 上一篇 下一篇
杜国明1,2(), 刘美1, 孟凡浩3,4,**(
), 匡文慧2, 春香1, 冯悦1
收稿日期:
2016-07-01
修回日期:
2016-09-23
出版日期:
2017-01-20
发布日期:
2017-01-13
通讯作者:
孟凡浩
E-mail:nmgdgm@126.com;mfh320@163.com
作者简介:
作者简介:杜国明(1978-),男,博士,教授,研究方向为土地资源优化配置。E-mail:
基金资助:
DU Guoming1,2(), LIU Mei1, MENG Fanhao3,4,*(
), CHUN Xiang1, FENG Yue1
Received:
2016-07-01
Revised:
2016-09-23
Online:
2017-01-20
Published:
2017-01-13
Contact:
MENG Fanhao
E-mail:nmgdgm@126.com;mfh320@163.com
摘要:
人类活动对生态环境具有显著影响,大尺度土地利用/覆盖变化(Land Use/Cover Change,LUCC)作为人类活动最直接的表征,能够很好地反映这一过程,因此进行精确而迅速的大尺度土地利用/覆盖分类与提取方法研究尤为关键。全球覆盖产品GlobCover(2005/2006)数据已经具有良好的空间精度和数据准确度,但仍然存在一些分类误差。为提高地表覆被分类精度,本文以GlobCover(2005/2006)的巴西数据为例,以2005年Landsat TM/ETM影像为主要信息源,结合相应地学知识与辅助数据,利用人机交互逐栅格修改方法得到2005年土地利用数据产品。结果表明:通过对GlobCover数据和本次成果数据进行精度评价与对比分析,GlobCover数据巴西地区的总体精度为67.17%,Kappa系数为0.58,改进后产品总体精度为93.39%,Kappa系数为0.91。此外,改进后数据显示巴西常绿阔叶林面积最大,面积比例达45.67%;农地/自然植被镶嵌面积次之,比例为19.19%;封闭灌丛面积最小,比例为12.34%。农地/自然植被镶嵌和灌丛与草地2种地类的修改比例最大,其中混合像元地类比例减少3.54%,灌丛与草地比例增加3.81%。综上,改进方法可以有效地提高土地利用/覆盖分类的效率和精度,为后续大尺度LUCC产品的制作和以LUCC产品为基础的相关研究提供参考。
杜国明, 刘美, 孟凡浩, 匡文慧, 春香, 冯悦. 基于地学知识的大尺度土地利用/土地覆盖精细化分类方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(1): 91-100.DOI:10.3724/SP.J.1047.2017.00091
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表1
全球现有土地覆盖数据集"
数据集名称 | 作者 | 数据源与分辨率 | 分类方法 | 分类系统 | 数据精度 |
---|---|---|---|---|---|
DISCover | U.S. Geological Survey | 1992-1993年AVHRR数据合成的NDVI、1 km | 基于聚类和人工解译、编辑 | IGBP 17类分类系统 | 基于少数样点进行精度评价,总体精度为66.9% |
UMD | University of Maryland | 同上、1 km | 不同的分类树算法 | Simplified IGBP (14 classes) | 同上 |
MODIS 1km | Boston University | 2000-2001年的MODIS 数据、1 km | 监督分类 | IGBP 17类分类系统 | 基于少数样点进行精度评价,总体精度为78.3% |
GLC2000 | European Commission Joint Research Center | 1999年11月-2000年12月的VEGETATION数据、1 km | 由19个区域人员用不同类型算法制作完成 | FAO 的地表覆盖22类分类系统(LCCS) | 总体精度为68.6% |
GlobCover 2 套产品 | European Commission Joint Research Center | 2004年12月-2006月6日的ENVISAT/ MERIS数据2009年数据产品、300 m | 全球分为22个生态气候区,各区采用不同多维迭代聚类方法进行分类 | 同上 | 16位专家在全球3000个点进行了验证,总体精度为73% |
GlobeLand 30-2010 | 国家基础地理信息中心等7个部门的18家单位 | HJ-1星CCD影像数据2000年和2010年数据产品、30 m | 逐类型层次提取方法 | 9大类分类系统 | 选取9类超过15万个样本进行精度评估,总体精度为83.51%,Kappa系数为0.78 |
表2
土地利用/覆盖分类体系转换表"
一级类 | 代码 | 本研究土地覆盖 分类系统 | IGBP土地覆盖 分类系统 | 代码 | GlobCover土地覆盖 分类系统 | 定义 |
---|---|---|---|---|---|---|
农地 | 11 | 农地(简单或多种作物 系统) | 农地(简单或多种作 物系统) | 11 | 水淹或灌溉农地 | 雨养农地与耕作农地,简单或多种作物系统 |
14 | 雨养农地 | |||||
12 | 农地/自然植被镶嵌(农地、森林、灌丛、草地;单一覆盖不超过60%) | 农地/自然植被镶嵌(农地、森林、灌丛、草地;单一覆盖不超过60%) | 20 | 耕作(50%~70%)/其他自然植被(20%~50%)镶嵌 | 农、草、林、灌混合镶嵌,其中单一覆盖度应小于60% | |
30 | 耕作(20%~50%)/其他自然植物(50%~70%)镶嵌 | |||||
林地 | 21 | 常绿阔叶林 | 常绿阔叶林 | 40 | 郁闭或敞开(>15%)常绿阔叶或半落叶阔叶林(>5 m) | 是热带至温带之间的过渡性质的森林类型。其群落外貌终年常绿,一般呈暗绿色而略闪烁反光,林相整齐,由于树冠浑圆,林冠呈微波状起伏 |
50 | 郁闭(>40%)常绿阔叶林 (>5 m) | |||||
22 | 落叶阔叶林 | 落叶阔叶林 | 60 | 敞开(15%~40%)落叶阔叶林 (>5 m) | 温带、暖温带地区地带性的森林类型。因其冬季落叶、夏季葱绿,又称夏绿林 | |
23 | 常绿针叶林 | 常绿针叶林 | 70 | 郁闭(>40%)常绿针叶林 (>5 m) | 1.暖温性常绿针叶林,乔木植被类型。树种以油松和华山松为主。多生于海拔1700-2100 m之间的地带2.寒温带常绿针叶林,由常绿的云杉、冷杉、松和圆柏所组成。云杉、冷杉林具有较强的耐阴性,林冠稠密、郁闭,林下光照很弱,又称“暗针叶林” | |
24 | 落叶针叶林 | 落叶针叶林 | 90 | 敞开(15%~40%)常绿针叶或落叶针叶林(>5 m) | 由落叶松柏类为主的针叶树所构成的森林。寒温带的地带性植被类型,并常由落叶松组成,林下有灌木层、草本层和地面苔藓层,落叶松林呈鲜绿色,树冠尖塔形,较喜阳,林下明亮成明亮针叶林 | |
25 | 混交林(没有主导类型超过60%覆盖) | 混交林(没有主导类型超过60%覆盖) | 100 | 郁闭或敞开(>15%)针阔混交林(>5 m) | 上述四种林地镶嵌,并且没有主导类型超过60%覆盖 | |
灌丛和草地 | 31 | 有(森林)林草原(树林冠层覆盖30%~60%,高度超过2 m) | 有(森林)林草原(树林冠层覆盖30%~60%,高度超过2 m) | 110 | 草地(20%~50%)/森林/灌丛(50%~70%)镶嵌 | 树林冠层覆盖30%~60%,高度超过2 m的草原 |
32 | 稀树草原(树林冠层覆盖10%~30%,高度超过2 m) | 稀树草原(树林冠层覆盖10%~30%,高度超过2 m) | 120 | 草地(50%~70%)/森林/灌丛(20%~50%)镶嵌 | 树林冠层覆盖10%~30%,高度超过2 m的草原 | |
33 | 封闭灌丛(灌丛覆盖度高于60%;高度低于 2 m,常绿或落叶) | 封闭灌丛(灌丛覆盖度高于60%;高度低于 2 m,常绿或落叶) | 130 | 冠层敞开或封闭(>15%)灌丛(<5 m) | 灌丛覆盖度高于60%,高度低于2 m,常绿或落叶均可 | |
34 | 敞开灌丛(灌丛覆盖率10%~60%高度低于2 m,常绿或落叶) | 敞开灌丛(灌丛覆盖率10%~60%高度低于 2 m,常绿或落叶) | 灌丛覆盖率10%~60%,高度低于2 m,常绿或落叶均可 | |||
35 | 草地或禾本植物(树冠密度低于10%) | 草地或禾本植物(树冠密度低于10%) | 140 | 冠层敞开或封闭(>15%) 草地 | 树冠密度低于10%的草地,或禾本科 植物 | |
水域 | 41 | 水体 | 水体 | 210 | 水体 | 所有湖泊、河流、滨海、人工水体等水 体的集合 |
42 | 森林湿地 | 永久湿地(水/禾本植物/有林地) | 160 | 郁闭或敞开(>15%)各种有规律水淹或长期水浸阔叶森林 | 其是泛滥平原森林,季节性的洪水一 般会和森林湿地一起出现 | |
170 | 郁闭(>40%)永久盐水水淹阔叶林或灌丛 | |||||
43 | 沼泽湿地 | 180 | 郁闭或敞开(>15%)各种有规律水淹或长期水浸草地 | 地表过湿或有薄层积水,土壤水分几达饱和,并有泥炭堆积,生长着喜湿性和喜水性沼生植物的地段 | ||
城市和建成区 | 51 | 城市和建成区 | 城市和建成区 | 190 | 人工地表或附属区域 | 城镇居民点与工矿等建设用地 |
裸地和冰雪 | 61 | 裸地或稀疏植被(植被覆盖低于10%) | 裸地或稀疏植被(植被覆盖低于10%) | 150 | 稀疏植被(<15%) | 植被覆盖低于10%或裸地 |
200 | 裸地 | |||||
62 | 雪/冰 | 雪/冰 | 220 | 永久雪/冰 | 覆盖永久冰、雪 |
表3
样本点分配表"
地类代码 | GlobCover数据 | 本研究数据 | |||
---|---|---|---|---|---|
A | B | 面积比/% | 样本数 | 面积比/% | 样本数 |
14 | 11 | 8.33 | 250 | 9.07 | 300 |
20 | 12 | 10.73 | 320 | 19.30 | 580 |
30 | 11.61 | 340 | |||
40 | 21 | 43.90 | 1300 | 45.81 | 1300 |
50 | 3.11 | 90 | |||
60 | 22 | 0.86 | 30 | 0.82 | 30 |
100 | 25 | 0.0005 | 30 | 0.001 | 30 |
110 | 31 | 1.13 | 33 | 0.90 | 30 |
130 | 33 | 15.37 | 450 | 12.33 | 350 |
34 | 6.19 | 200 | |||
120 | 32 | 0.10 | 30 | 0.11 | 30 |
140 | 35 | 0.19 | 30 | 1.05 | 30 |
160 | 42 | 1.88 | 50 | 1.95 | 50 |
170 | 0.08 | 30 | |||
180 | 43 | 1.21 | 36 | 0.74 | 30 |
190 | 51 | 0.05 | 30 | 0.24 | 30 |
150 | 61 | 0.02 | 30 | 0.07 | 30 |
200 | 0.05 | 30 | |||
210 | 41 | 1.38 | 41 | 1.43 | 36 |
220 | 62 | 0.006 | 30 | 0 | 0 |
表4
精度评价矩阵表"
参考数据 | 产品数据 | ||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
14 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 | 160 | 170 | 180 | 190 | 200 | 210 | 220 | 总计 | 生产者 精度/% | |
14 | 156 | 18 | 14 | 5 | 29 | 1 | 4 | 1 | 10 | 238 | 65.55 | ||||||||||
20 | 19 | 162 | 90 | 15 | 53 | 339 | 47.79 | ||||||||||||||
30 | 33 | 42 | 170 | 16 | 10 | 1 | 1 | 24 | 1 | 298 | 57.05 | ||||||||||
40 | 14 | 29 | 14 | 1142 | 2 | 4 | 1 | 47 | 9 | 2 | 27 | 12 | 1303 | 87.64 | |||||||
50 | 8 | 3 | 53 | 7 | 17 | 88 | 60.23 | ||||||||||||||
60 | 8 | 1 | 1 | 17 | 21 | 2 | 7 | 57 | 36.84 | ||||||||||||
100 | 1 | 14 | 1 | 16 | 87.50 | ||||||||||||||||
110 | 5 | 2 | 5 | 18 | 7 | 11 | 2 | 50 | 36.00 | ||||||||||||
120 | 2 | 4 | 5 | 17 | 1 | 2 | 31 | 54.84 | |||||||||||||
130 | 13 | 58 | 49 | 95 | 10 | 2 | 244 | 4 | 1 | 5 | 2 | 4 | 1 | 12 | 20 | 520 | 46.92 | ||||
140 | 2 | 8 | 11 | 5 | 3 | 29 | 37.93 | ||||||||||||||
150 | 1 | 3 | 4 | 75.00 | |||||||||||||||||
160 | 4 | 1 | 15 | 2 | 22 | 68.18 | |||||||||||||||
170 | 2 | 14 | 7 | 23 | 60.87 | ||||||||||||||||
180 | 10 | 2 | 3 | 1 | 14 | 30 | 46.67 | ||||||||||||||
190 | 1 | 2 | 1 | 2 | 5 | 2 | 30 | 2 | 45 | 66.67 | |||||||||||
200 | 1 | 1 | 3 | 1 | 2 | 24 | 4 | 36 | 66.67 | ||||||||||||
210 | 1 | 1 | 1 | 2 | 1 | 13 | 1 | 1 | 2 | 25 | 48 | 52.08 | |||||||||
220 | 3 | 3 | 100.00 | ||||||||||||||||||
总计 | 250 | 320 | 340 | 1300 | 90 | 30 | 30 | 33 | 30 | 450 | 30 | 30 | 50 | 30 | 36 | 30 | 30 | 41 | 30 | 3180 | |
用户精度/% | 62.40 | 50.63 | 50.00 | 87.85 | 58.89 | 70.00 | 46.67 | 54.55 | 56.67 | 54.22 | 36.67 | 10.00 | 30.00 | 46.67 | 38.89 | 100.0 | 80.00 | 60.98 | 10.00 | 67.17 |
表5
土地利用/覆盖数据修改统计表"
地类名称 | 地类代码 | 修改图斑数/块 | 修改比例/% |
---|---|---|---|
简单农地 | 11 | 2 497 095 | 21.52 |
农地/自然植被镶嵌 | 12 | 1 203 876 | 10.38 |
常绿阔叶林 | 21 | 199 895 | 1.72 |
落叶阔叶林 | 22 | 1897 | 0.02 |
混交林 | 25 | 1201 | 0.01 |
有(森林)林草原 | 31 | 6886 | 0.06 |
稀树草原 | 32 | 11252 | 0.10 |
封闭灌丛 | 33 | 3 318 585 | 28.60 |
敞开灌丛 | 34 | 3 250 248 | 28.02 |
草地或禾本植物 | 35 | 796 474 | 6.87 |
水体 | 41 | 98 869 | 0.85 |
森林湿地 | 42 | 16 075 | 0.14 |
沼泽湿地 | 43 | 10 227 | 0.09 |
城市和建成区 | 51 | 181 430 | 1.56 |
裸地或稀疏植被 | 61 | 7549 | 0.07 |
表6
精度验证评价表"
参考数据 | 产品数据 | ||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
11 | 12 | 21 | 22 | 25 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 41 | 42 | 43 | 51 | 61 | 总计 | 生产者精度/% | |
11 | 264 | 16 | 6 | 1 | 1 | 288 | 91.67 | ||||||||||
12 | 12 | 544 | 10 | 3 | 1 | 1 | 571 | 95.27 | |||||||||
21 | 2 | 4 | 1236 | 3 | 4 | 2 | 1 | 2 | 7 | 4 | 1265 | 97.71 | |||||
22 | 2 | 27 | 1 | 30 | 90.00 | ||||||||||||
25 | 23 | 23 | 100.00 | ||||||||||||||
31 | 3 | 26 | 1 | 1 | 31 | 83.87 | |||||||||||
32 | 25 | 25 | 100.00 | ||||||||||||||
33 | 4 | 8 | 24 | 3 | 1 | 1 | 344 | 10 | 1 | 5 | 401 | 85.79 | |||||
34 | 10 | 8 | 16 | 1 | 3 | 184 | 1 | 223 | 82.51 | ||||||||
35 | 5 | 1 | 1 | 1 | 27 | 35 | 77.14 | ||||||||||
41 | 1 | 36 | 1 | 35 | 94.74 | ||||||||||||
42 | 3 | 42 | 45 | 93.33 | |||||||||||||
43 | 1 | 3 | 1 | 25 | 30 | 83.33 | |||||||||||
51 | 30 | 30 | 100.00 | ||||||||||||||
61 | 21 | 21 | 100.00 | ||||||||||||||
总计 | 300 | 580 | 1300 | 30 | 30 | 30 | 3 | 350 | 200 | 30 | 36 | 50 | 30 | 30 | 30 | 3056 | |
用户精度/% | 88.00 | 93.79 | 95.08 | 90.00 | 76.67 | 86.67 | 83.33 | 98.29 | 92.00 | 90.00 | 100.0 | 84.00 | 83.33 | 100.0 | 70.00 | 93.39 |
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