【中國科學報】《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百人6年的心血：111356個全國土地覆被地面實測樣點數據的校驗；13輪大規模交叉自檢；3萬余個獨立地面樣點的精度驗證；全國31個省（區、市）環保主管部門用戶的對接與反饋……辛勤、嚴謹的工作，讓這部地圖集完整、系統記錄了中國經濟發展最快20年的變化，對研究我國土地覆被變化及其對生態環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測到的地物類型。”地圖集主編、中國科學院遙感與數字地球研究所研究員吳炳方告訴《中國科學報》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，它從生態功能解釋我國土地分類，為區域發展提供服務。”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，然后提供給各行業的‘醫生’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據集結成冊，因為對于業內人士來說，在數字化如此發達的今天，需要的數據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類先導碳專項獲得的三期土地覆被數據集后，提出出版地圖集，讓遙感數據實現更廣泛的應用。
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，“因為數據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，正是我國經濟發展最快的時代。從地圖集上，人們可以很快了解到我國哪些地方發生了引人矚目的問題、生態系統發生了什么變化、是否影響到生態功能、人類活動與生態環境的相互影響等具有重大意義的科學問題。
相比之下，世界上其他主要國家都沒有人類經濟高速發展時期的土地覆被改變的完整記錄，如美國，20世紀前半段是其發展最快的時期，歐洲發展最快的時期則是在19世紀，但在這些時期，遙感技術尚未出現，所以他們無法記錄該時期的變化過程。這是研究全球變化、區域發展的巨大缺憾。
他們，“用腳丈量”國土
因為研究人員挖掘的是30米分辨率遙感數據的光譜信息，“所以，僅靠光譜數據，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地的情況。”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，既有海拔8000多米的高山，也有海拔-150多米的盆地。負責這一片區的中國科學院新疆生態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，他帶著學生們跑遍了南疆和北疆。他們的腳步遍布沙漠區、狂風區、極熱區甚至無人區，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，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”。
當常存感受著新疆地廣人稀時，中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所研究員李愛農正帶領團隊在青藏高原、橫斷山區，抵抗著高海拔帶來的寒冷和高原反應，有時甚至要翻越海拔5000米以上的高山，在短時間內就能夠經歷“一年四季”溫度的快速輪換，只為將土地覆被數據與基礎地理信息完美結合在一起。“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……對于曾經的歷險，李愛農仿佛歷歷在目。
而此時，在與西南遙遙相望的遼闊東北平原，中國科學院東北地理與農業生態研究所研究員王宗明則遇到了覆被的復雜情況，需要利用多時相的遙感數據區分容易混淆的土地覆被二級類型的問題。區分二級類型，也是區分具體植被的方法，王宗明根據東北地區實際情況，選擇使用不同月份的多期遙感影像。比如，在東北的平原區，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，我們在部分山區補充使用了4~5月份的影像，以便能夠較好地區分出草地、林地和濕地類型。山區的分類多數采用了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，技術復雜，這些詞語在各片區負責人口中被反復提起。西南片區團隊核心骨干雷光斌博士就因為監測工作而一再推遲婚期，直到今年年初才結婚，甚至他在2011至2013年連續三個春節值守加班。
2013年對負責華東片區的中國科學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。經過手術治療后，馬榮華逐漸恢復了意識：“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據生產的進度。”于是不顧醫生休息一年的建議，他只休息了7個月就回到了工作崗位。說起工作，馬榮華向《中國科學報》記者介紹：“華東地區是近年來我國經濟最發達、人類活動最劇烈的區域，土地覆蓋破碎度最大，生產難度極大。經多方驗證，我們生產的華東區土地覆被數據，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品集。”
監測數據嚴要求
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性和實用性，吳炳方組織所有參與數據監測工作的院所召開大規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數據，和大家反復討論。“這次土地覆被監測，我要求采用新的方法，即以半自動化分類為主，盡可能地極致發揮當今遙感的監測能力和技術優勢。以前從數據獲取到處理技術，制約了監測方法的改進，而現在，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測工作，現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。”
對于監測數據的嚴格要求，同樣體現在與用戶對接的環節。因為地圖集中的數據要真正服務于多行業部門，所以工作組要走出去與各行業對接，提升數據的價值。但對接工作并不順利，遙感數據與很多行業的需求有偏差，比如林業部門要求分辨出自然林和人工林，但實際上遙感只能區分針葉林和闊葉林等植被類型；甚至一些部門對于監測結果不滿意，要求按照他們的意見修改。“我的原則就是堅持、解釋、修改。堅持科學的立場，在與各行業部門對接時進行耐心解釋；對于出現的分類錯誤，進行數據補充、方法改進與結果修正。”吳炳方說，“我們是做科學研究的，所以數據要站得住腳，要過硬，要經得起檢驗。”
幸運的是，他們在與各省市環保主管部門對接時，得到了環保部生態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，才使得逐省市的數據對接成為可能。數據用戶的確認既提高了數據的精度，又加深了用戶對數據的理解，實現了雙贏格局。”吳炳方表示。
科學也可以很藝術
6年野外勘察與室內數據處理，數百名工作人員的艱苦工作，讓地圖集上的每一處數據都有了精確定位。使用什么顏色將40種二級類可以清楚又美觀的呈現，成為吳炳方的新課題。
一般地圖都采用兩種主色調，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計師，經過反復商討，最終選擇了綠色作為地圖集的主色調，接下來再細分顏色以區別針葉林、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，使得隱藏在復雜格局背后的土地覆被主導類型和變化驅動因子躍然紙上。
期望數據可以雙向交流
如今，地圖集中的數據已經在國家環境保護部、中國科學院、國家林業局和省級（市、區）國土、環保、水利、林業、科教等部門與行業的100多家單位廣泛應用，共享數據超過750GB。
看著6年的研究開花結果，為更多部門提供便利，吳炳方的心情卻是有些復雜：一方面是高興，因為數據被認可，數據的價值得到最大的體現與發揮；同時也有些許失落，特別是當部分使用者將數據拷走使用既不感謝，又不注明出處時，他倍感失望。
“數據共享應該是雙向的，單方面的數據共享是一把雙刃劍，既不利于數據產品的可持續生產，也會造成誰都不想生產數據，只想共享他人數據，最終導致無數據可用的局面，同時也不利于年輕人的成長，養成坐享其成的不良習慣。”吳炳方強調。
為此，中科院遙感地球所正在著手建立云平臺基礎上的共享機制，不是單向的數據分發共享模式，而是雙向的、交互式的、共同工作的模式，數據用戶可以參與到已有數據的驗證，也可以提出新的需求，或者提供更多的地面調查數據，共同完成所需數據的生產。
隨著遙感技術的不斷進步和我們對土地覆被認知的不斷深入，數據還將會源源不斷地補充和修改。“目前，我們30米空間分辨率數據已經更新到2015年，基于2015年數據，我們還對2010年、2000年和1990年數據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據集，通過分辨率的提升，展示我國土地覆被更豐富的細節信息。目前我們的計劃是每5年監測一次，但是終極目標是每年都能開展監測，及時把握變化。”對未來，吳炳方充滿憧憬。
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