陆地定量遥感产品的真实性检验关键技术与试验验证

遥感产品真实性检验是指通过和参考数据(相对真值)比较, 独立地评价从定标后的卫星遥感数据延伸出的遥感产品的精度和不确定性的过程。遥感产品的真实性检验是评价遥感产品质量、可靠性和适用性的唯一手段, 是提高遥感产品精度、改善遥感产品质量的主要依据, 更是推动遥感产品应用范围和应用水平的重要保障。

早在遥感技术发展的初期, 遥感产品真实性检验就受到国际上相关机构的密切关注和重视。美、英、法、加拿大和澳大利亚等国家在这方面积累了几十年的经验, 在每颗遥感卫星发射升空前后都花费了大量的时间和经费进行传感器定标, 开展算法研究以及遥感产品的真实性检验, 以保证数据产品的质量。例如, 国际地球观测卫星委员会(Committee on Earth Observation Satellites, CEOS)在1984年就成立了定标和真实性检验工作组(Working Group on Calibration and Validation, WGCV), 在全球范围开展相关工作和研究[1]。但是, 由于遥感产品的真实性检验涉及范围广、难度大, 既费力耗时又耗资, 因此, 以往的工作大多集中在传感器的外场定标及其验证上, 重点是对遥感数据本身的检验, 而较少涉及遥感产品的真实性检验。

地球观测系统计划自1990s实施以来, 以美国为首的几个遥感强国, 才逐步开始尝试在大范围开展遥感产品的真实性检验。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)于1999年启动了大足迹研究计划(BigFoot), 通过对站点周围5 km× 5 km范围的土地覆盖、叶面积指数、光合有效辐射、净初级生产力等参数的地面观测, 验证MODIS的相应产品并改进生产算法[2]。欧州空间局(European Space Agency, ESA)也于21世纪初启动了VALERI(Validation of Land European Remote Sensing Instruments)计划, 对MODIS, VEGETATION, MERIS和AVHRR等传感器制备的陆地遥感产品, 包括地表反照率、植被覆盖度、叶面积指数、fAPAR等进行全球范围的真实性检验[3]。2000年, 在上述两大真实性检验计划基础之上, CEOS WGCV专门成立了陆地产品真实性检验(Land Product Validation, LPV)工作小组。其任务是:协调包括两大真实性检验计划在内的国际陆地遥感产品真实性检验活动, 制定真实性检验的标准指南与规范, 促进相关数据和信息的共享和交换[4]。2005年, LPV在前期真实性检验工作的基础上, 提出了BELMANIP(Benchmark Land Multisite Analysis and Intercomparison of Products)计划, 强调除了利用地面观测进行直接检验外, 还可开展多传感器数据产品间的交叉检验[3]。

同时, 国际上针对一些特定遥感传感器或地表参数, 也组建了专门研究团队推进定量遥感算法研究与数据产品研制, 并组织开展了诸多综合观测试验和验证计划。如美国早在1992年和1994年就开展了著名的Little Washita水文观测试验, 用于验证L波段微波辐射计在监测土壤水分方面的潜力; 1997年和1999年, 该试验扩展到更大空间范围, 即著名的美国南部大平原水文试验(SGP’ 97, SGP’ 99), 试验手段也从以地面观测为主扩展到地面和航空遥感相结合的综合观测, 在约10 000 km2范围开展了土壤水分遥感反演与真实性检验。2002— 2005年, 进一步开展了土壤水分试验SMEX02, 通过地面试验和航空微波辐射计观测验证AMSR-E等传感器的土壤水分遥感产品[5, 6]。随着L波段微波辐射计SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)和SMAP(Soil Moisture Active Passive)的在轨运行, 相应的地面标定/验证工作组也在全球范围展开了大量验证活动[7, 8]。以上试验积累了宝贵的土壤水分产品验证数据集, 极大促进了产品精度的提高。NASA还专门成立了MODIS陆地遥感产品的定标、质量控制和验证小组(MODLAND), 对各种MODIS全球陆地遥感产品进行系统的真实性检验[9], 包括定标后的初级遥感数据和高级遥感产品, 如地表反射率、地表温度、归一化植被指数、叶面积指数、净初级生产力、气溶胶光学厚度等。针对MODIS高级遥感产品的真实性检验研究成果于2006年7月以专刊形式发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上[4]。这是国际上有关遥感真实性检验研究成果的首次集结发表, 为后续工作的深入开展奠定了基础。我国遥感界也开展了部分真实性检验的研究和试验。例如, 在中国西北干旱区黑河流域开展了针对地表温度、反照率、土壤水分、雪水当量等遥感产品的真实性检验[10, 11]; 2001年在北京顺义开展了针对MODIS陆表参数反演算法的真实性检验试验[12]; 针对国产卫星(如气象卫星FY系列、海洋HY卫星、中巴资源CBERS以及环境和减灾卫星HJ)数据和产品进行了场外定标试验和真实性检验工作等[13~15]。此外, 全球各种专项观测网络也在遥感产品真实性检验中发挥着重要作用。例如, 各国相互配合在全球范围内建立的通量观测网(FLUXNET)[16]、气溶胶地面观测网(AERONET:Aerosol Robotic NETwork)[17]、国际土壤水分网络(International Soil Moisture Network, ISMN)[18]等。以上这些研究计划、观测网络和综合试验在遥感产品的算法预研、改进和定型, 遥感产品质量评价和不确定性分析方面均发挥了重要的、基础性的数据支撑作用。

在遥感产品真实性检验的理论研究和技术流程方面, 国际上针对地面观测样点布设、观测代表性、像元尺度真值的观测和估计、尺度转换, 以及真实性检验不确定性的影响等方面都开展了广泛而深入的探讨。在真实性检验方案上, 以上真实性检验计划发展和采用了基本一致的“ 自下而上(Bottom-Up)” 的框架, 其基本构成和检验流程为:根据不同地表类型或生物群落的分布特征, 在全球设置一定数量的真实性检验样地, 每个样地内有若干基本采样单元(Elementary Sampling Unit, ESU); 在每个ESU内进行一定数量的单点测量, 然后通过转换方法将多点测量转换到ESU尺度上, 再进一步结合高分辨率遥感影像, 建立ESU与样地之间的尺度转换关系, 得到样地尺度的地表参数值; 最后, 通过全球不同地表类型多个样地的地面观测结果与陆地遥感数据产品进行比较和相关性分析, 评价全球遥感数据产品的精度[3]。张仁华等[19, 20]则提出了“ 一检两恰” 的真实性检验方案和当地毯式扫描难以实现时可以采用的多点观测法。Martí nez-Fernndez等[21]提出了时间稳定性分析的概念, 并被广泛应用于全球土壤水分观测网络的站点筛选和代表性评价中[18, 22], 为高效确定有限数量的代表性站点或站点组合提供了简单易行的解决方案。在像元尺度地面观测技术方面, 刘绍民等构建了由大孔径闪烁仪、涡动相关仪和自动气象站组成的, 结合足迹模型的卫星像元尺度蒸散发的观测系统, 提出了一套完整的蒸散发遥感产品的地面验证方法, 涉及精度评价、误差原因分析以及误差评估等[23, 24]。从单点观测到遥感像元的尺度转换方面, MODIS陆地产品真实性检验工作组提出了通过高分辨率遥感数据作为过渡尺度, 首先在地表参数单点观测与高分辨率遥感数据之间建立转换关系, 得到高分辨率遥感像元尺度上的地表参数分布, 再通过线性聚合方法得到待验证遥感产品像元尺度的参考值。VALERI计划则通过对像元内多个单点观测进行空间插值得到像元尺度的参考值[3]。在真实性检验的不确定性研究方面, Tan等[25]分析了配准误差对MODIS遥感产品真实性检验不确定性的影响。Huang等[26]以MODIS LAI产品真实性检验为例, 评价了地面观测误差对高分辨率参考数据估计精度的影响。

虽然国际上已经组织了诸多遥感产品真实性检验的观测试验和研究计划, 但大多相互独立运行, 尚未形成全球遥感产品真实性检验观测网络, 难以满足对多要素、多尺度遥感产品的真实性检验需求; 特别是某些观测网的设计初衷并非针对遥感产品的真实性检验, 存在观测资料空间代表性不足的问题。此外, 传统的真实性检验方案主要针对相对均质的像元。但是, 地表异质性是自然界的基本特征, 很少存在真正意义上的均质像元; 即使验证了均质像元的遥感产品, 也不能保证异质性像元的相应遥感产品是准确的。因此, 如何针对多种地表类型混合或观测变量空间变异性较强的异质性地表, 在遥感像元尺度上合理地开展真实性检验, 还一直是一个悬而未决的问题。

及时启动并推进遥感产品的真实性检验研究具有重要的科学意义和战略价值, 主要体现在:

(1) 遥感的应用价值、前景乃至于未来发展前途, 在很大程度上取决于遥感产品的质量。遥感作为一种宏观观测手段, 必然需要一个计量标准, 而真实性检验就是定量遥感的计量器。只有在真实性检验的基础上对各种遥感产品的精度给出定量评估, 才能进一步提高遥感定量化水平, 促使遥感产品更好地成为应对全球变化等人类社会所面临的严峻挑战的可靠信息源。

(2) 目前, 我国已成为世界上发射遥感卫星最多的国家之一, 环境、测绘、气象、海洋、水等系列遥感卫星陆续升空, “ 高分” 等观测计划相继实施, 我国成为了当之无愧的遥感大国。但是, 目前遥感在国民经济和资源环境监测中的应用深度及其发挥的效益还不充分。这与我国在遥感产品真实性检验方面的工作相对滞后有关, 尤其是真实性检验的理论体系与方法、技术流程、实用模型、标准化检验方法、业务化运行手段等的严重缺乏, 极大地制约着我国遥感产品的推广应用和遥感定量化水平的提高, 导致大量宝贵的遥感数据和遥感产品被束之高阁。因此, 遥感产品真实性检验工作的滞后已成为我国从遥感大国向遥感强国跨越式发展的一个重要瓶颈, 已经成为全国遥感领域迫切需要解决的重大现实问题。

在以上背景和科学问题驱动下, 国家高技术研究发展计划“ 星机地综合定量遥感系统与应用示范(一期)” 重大项目中专门设置了“ 遥感产品真实性检验关键技术及其试验验证” 课题。本文主要介绍和梳理了该项目在遥感产品真实性检验理论方法、标准制定、关键技术、试验验证和全国遥感产品真实性检验网等方面取得的主要进展和思考, 为进一步深入推进遥感产品在各领域的深化应用提供完整的理论方法和技术流程体系。

遥感产品真实性检验的研究思路可概括为以“ 理论方法— 技术体系— 试验验证— 场网建设” 为主线, 包括4项研究内容:①陆地遥感产品真实性检验标准规范与技术体系; ②遥感产品真实性检验技术与标准规范的星机地试验验证; ③遥感产品真实性检验网; ④遥感产品真实性检验系统集成与示范运行(图1)。其中, 标准规范和技术体系侧重于理论与方法研究; 星机地综合遥感试验和遥感产品真实性检验网中的有关试验共同构成实证研究, 用于优化标准规范和技术体系; 遥感产品真实性检验网的场网建设和集成系统则共同构成准业务化运行的全国真实性检验网原型。其中, 涉及到的关键技术包含陆地遥感产品真实性检验标准体系、异质性地表空间优化采样设计、像元尺度“ 真值” 估计、遥感产品真实性检验关键技术与标准规范的星机地试验验证, 以下将分别展开介绍。

标准是贯穿于遥感产品真实性检验整个过程的规范性文件。通过总结国内外遥感产品真实性检验方面的已有经验和研究成果, 参考国家与行业已有标准和技术体系, 根据陆地定量遥感产品的特点, 制定了遥感产品真实性检验的系列性标准, 最终形成一套符合国家标准的、对遥感产品真实性检验具有指导意义的遥感产品真实性检验标准和技术流程体系(图2)。目前, 已完成“ 陆地遥感产品真实性检验通用方法” 、“ 陆地遥感产品真实性检验地面观测场的选址和布设” 以及24项变量的真实性检验标准, 包括植被指数、叶面积指数、植被覆盖度、土地覆盖/利用、物候期、光合有效辐射、净初级生产力、蒸散发、土壤水分、积雪面积、雪水当量、地表冻融状态、气溶胶光学厚度、反照率、地表温度、地表发射率、地表太阳总辐射、大气下行辐射、地表净辐射、吸收光合有效辐射比率、南极接地线、南极边缘线、南极冰盖表面高程及高分辨率光学卫星遥感影像质量检查。

采样是指导多尺度观测、开展尺度转换和真实性检验研究的重要前期工作。优化的采样设计, 不仅能够有效捕捉观测变量的空间异质性特征, 减少采样成本; 也更有利于得到遥感像元尺度真值的无偏最优估计。根据空间采样理论, 一个像元内样本点的数量及其位置直接影响着像元真值估计的精度。通常, 采样点数量越多, 估计精度越高。然而在实践中, 如何使有限的观测点在空间上优化布设, 如何利用有限观测点的数据得到异质像元上地表变量的最优估计是亟需攻克的关键难点。为此, 我们确定了基于空间抽样和统计推断理论, 利用异质表面均值估计(Mean of Surface with Non-homogeneity, MSN)模型来计算像元估计值及其方差[27], 并根据采样点数量、位置与估计方差之间的定量关系, 结合智能算法(例如空间模拟退火法, 粒子群算法), 寻找出给定条件下像元尺度采样点的最优数量和空间分布位置的解决方案(图3)。针对不同的观测目标和地表条件, 发展了异质性表面空间优化采样[28]、多变量空间优化采样[29]、时空动态观测网优化采样[30]、空间混合优化采样[31]等方法, 可满足大多数陆地遥感产品真实性检验的布点需求。

根据多点/足迹观测进行尺度上推, 从而经由升尺度获得遥感像元尺度的“ 真值” 估计, 是开展遥感产品质量客观评价的基础, 也是截然不同于传统以点代面验证方法的显著特征[32]。根据观测方式和尺度的不同, 分3个方面分别描述:

(1) 基于传感器网络多点观测的遥感像元“ 真值” 估计

通过优化布设得到多点观测后, 采用异质性地表尺度上推算法得到像元“ 真值” , 同时估计其不确定性。像元尺度的真值估计采用2种方式进行。在没有长时间序列连续观测或观测变量缺少动态变化规律的情况下, 采用非均质表面空间推断模型[33]、回归克里格[34]、贝叶斯最大熵[35]等方法, 并引入与估计变量相关性较强或空间分布模式具有相似性的辅助信息以提高估计精度; 对于具有特定时间变化规律且具有连续观测的变量, 充分利用时间维信息, 模拟其动态变化规律, 在相关辅助信息和高分辨率遥感观测支持下, 构建层次贝叶斯模型或采用时空克里格方法, 综合各种先验信息和时空观测数据, 在变量时变规律约束下实现像元真值的估计及其不确定性评价[30]。此外, 针对不同来源传感器的多点观测, 还发展了不等精度观测误差的尺度上推方法[36, 37]。

(2) 基于足迹/斑块观测的遥感像元“ 真值” 估计

已有的观测经验告诉我们, 大尺度地面观测和遥感像元反演值更为接近, 因此基于足迹/斑块的新型地面观测技术在遥感产品真实性检验中被高度重视。目前实际应用中主要包括:①足迹观测:例如大孔径闪烁仪和涡动相关仪, 以及以矩阵方式观测地表感热通量与蒸散发、GPP与NPP、净辐射; ②斑块观测:基于宇宙射线观测仪的土壤水分观测。但是, 这些仪器的足迹/斑块和遥感像元在空间上并不完全吻合, 并受到几何配准误差的影响, 使得这些观测并非严格意义上的像元真值。因此, 需要发展从足迹/斑块尺度观测转换为遥感像元“ 真值” 的空间转换方法, 而且这种转换和观测仪器的足迹响应模型密切相关。

基于足迹/斑块的观测仪器的空间代表性具有时变特性, 如大孔径闪烁仪的观测足迹呈现纺锤形, 且随风向和大气稳定度、架高等因素而变化, 使得异质像元内观测点的代表性也随之变化, 进而导致异质像元真值估计的不确定性。为有效精确地估计像元真值, 需要分析足迹/斑块及其观测的变化规律, 并结合非均质表面空间推断模型、面到面克里格和时空尺度转换算法, 获得非均质像元真值的最优无偏估计[38~40]。

(3) 基于航空遥感的遥感像元“ 真值” 估计

航空遥感可获得甚高分辨率(约10 cm)到高分辨率(约5 m)的多尺度遥感数据, 在尺度转换中发挥着重要的桥梁作用。然而, 航空遥感和卫星遥感一样, 也非直接观测得到的最终反演量— — “ 遥感产品” , 因此, 从航空遥感获取卫星像元尺度真值, 同样需要经历反演和尺度上推2个过程。但由于航空遥感具有严格的可控性和高分辨率这2个优势, 其反演和尺度上推均可在严格控制和精确的先验信息支持的条件下进行, 因此得到的卫星像元尺度真值的不确定性较小, 常被作为地面和卫星之间过渡尺度的观测, 用于“ 一检两恰” 的验证方案中[41]。

开展星机地综合遥感试验, 生成多尺度的星机地同步试验数据集, 能够系统地实证和优化遥感产品真实性检验的关键技术与标准规范; 定量评价遥感产品真实性检验的不确定性; 分析遥感产品精度的评价方法与指标体系的合理性。通过试验验证, 最终形成标准化的、具备可操作性的真实性检验标准规范与技术流程体系, 以及优化的遥感产品精度评价方法与指标体系(图4)。

2.4.1 星机地综合遥感试验

在我国西北、东北、华北地区分别针对农田、草地、林地等北方典型下垫面, 选择相对均匀和相对异质的试验区, 各建立1~2个2 km× 2 km至4 km× 4 km、针对不同遥感产品的真实性检验观测场, 开展星机地同步的综合遥感试验(图5), 包括航空遥感试验、卫星地面同步观测试验、地面传感器网络与仪器观测矩阵试验; 在试验基础上, 生成一套多尺度、星机地同步的基准数据集, 用于遥感产品真实性检验流程各环节的验证和优化。具体包括:

(1) 航空遥感

依托有人机和无人机平台, 开展多种遥感传感器的航空飞行试验, 获取可见光、红外、微波、激光雷达等机载遥感数据。航空遥感获取的高分辨率影像一方面为地面真实性检验场的采样优化提供必不可少的先验信息, 还可为地面观测值升尺度为卫星遥感像元尺度“ 真值” 提供转换桥梁或空间辅助信息。

(2) 传感器网络

基于优化采样方案, 采用Zigbee, GPRS及微波等多种无线或有线传输手段集成遥感真实性检验场内的多源异构传感器, 有效管理密集分布的、多层嵌套的传感器网络, 例如:叶面积指数、土壤水分、土壤温度及地表温度等; 实现观测数据的实时、自动化采集、传输、数据质量控制以及仪器观测行为的远程控制, 为遥感产品真实性检验提供高质量、时空一致性和误差可度量的地面观测数据, 并可通过尺度扩展获取像元尺度真值[42, 43]。

(3) 仪器观测矩阵

针对地表异质性较强的西北地区黑河中游4 km× 4 km真实性检验场, 基于空间优化模型, 设计最佳的布设方案(空间位置、架高、朝向等), 架设由大孔径闪烁仪、涡动相关仪、自动气象站构成的观测矩阵, 开展感热通量与蒸散发、GPP与NPP、净辐射等的观测, 通过尺度转换得到遥感像元尺度真值。在观测矩阵内排列4组大孔径闪烁仪, 并尽量垂直于主风向来测量感热通量; 同时在大孔径闪烁仪源区内密集地观测净辐射与土壤热通量, 通过能量平衡余项法得到蒸散发, 并通过尺度转换获取像元尺度的感热通量与蒸散发的像元真值[40, 44]。

2.4.2 真实性检验关键技术的试验验证

试验验证主要通过同步的地面和航空观测来实现。首先, 经过质量检验的地面观测通过尺度扩展得到像元尺度“ 真值” (真值1)。在航空测量部分, 利用辐射传输正向模型, 模拟分析提取敏感的关键参数, 结合在地面相同区域获取的高分辨率机载遥感辐射/反射数据和地面传感器网络/观测矩阵测量参数, 建立适用于研究区的经验性反演模型。反演模型需要通过像元辐射传输正向模型的检验, 以保证精度, 满足定量化不确定性评估的需求。通过结合地面测量信息的反演模型, 能够从航空遥感数据获得高分辨率的遥感产品, 同样通过尺度扩展技术, 获得像元尺度的“ 真值” (真值2)。对比真值1和真值2, 如果不能满足一致性要求, 需要重新评估地面采样方案和尺度转换方法。在满足一致性检验的前提下, 输出最终的像元尺度“ 真值” , 作为与卫星遥感产品对比的地面真值(图6)。

2.4.3 真实性检验的不确定性评价

从星机地遥感试验获取的像元“ 真值” 不可避免地存在一定的误差, 需要从以下几方面对真实性检验过程的不确定性进行定量评价, 包括:仪器观测误差、空间采样代表性误差、尺度扩展误差、反演模型误差、像元空间配准误差等。同时基于误差积累和传递理论, 评估各种误差传递到像元“ 真值” 的量化程度, 以及对真实性检验结果的影响; 并且结合真实性检验流程的各个环节予以分析, 为优化真实性检验的关键技术提供依据。

遴选部分有遥感观测基础的已有站点, 建立标准观测场, 根据各自的下垫面特征分别设计待验证变量; 在此基础上按照制定的真实性检验标准, 开展各具特色的针对卫星遥感产品的真实性检验试验研究, 实证标准与关键技术的合理性和可操作性, 不断地完善标准规范和检验技术系统; 并为最终形成全国遥感产品真实性检验网的原型, 示范联合观测方式, 以及协作运行与管理的机制(图7)。

(1) 遥感产品全国真实性检验网点设计与建设

综合考虑地域特色、下垫面代表性、已有基础条件和观测设施, 初期选择了4个遥感站纳入遥感产品全国真实性检验网作为试点, 联网协同开展星机地同步观测试验和遥感产品真实性检验工作, 包括:中国科学院怀来遥感综合试验站、长春净月潭遥感实验站和黑河遥感试验研究站, 以及中国农业科学院呼伦贝尔草甸草原国家野外生态试验站。这4个遥感站分别代表了我国西北地区绿洲农田和高寒草原、华北地区农田、东北地区农田、草原和森林等主要地表类型(表1)。长期规划在全国7个地区改造和建设12个左右观测场作为遥感产品全国真实性检验网的核心观测场, 其分布设计如图8所示[45, 46]。

在每个遥感站, 针对典型下垫面, 布设1~3个3 km× 3 km的面向真实性检验的标准观测场, 个别区域可酌情布设成2 km× 2 km; 对应被动微波卫星遥感产品的验证可考虑布设成25 km× 25 km至50 km× 50 km的观测场。针对每个标准观测场, 利用多分辨率卫星影像、地面调查, 绘制目标区域的观测要素本底, 初步确定每个标准观测场的具体位置; 获取观测场的各类先验知识, 利用异质像元优化采样方法对观测场内各要素的地面观测系统进行优化布设; 在此基础上, 进行观测节点和观测设备的布设。为了应对不同分辨率卫星遥感产品的真实性检验, 观测系统采用传感器网络(几到几十公里级)、大孔径闪烁仪(公里级)、涡动相关仪(百米级)、地基遥感(米级)和单点等多尺度嵌套的布设方式。

(2) 运行和观测规范的制定

在遥感产品真实性检验技术与标准规范的基础上, 针对全国真实性检验网的联网观测需求, 制订以下运行和观测的制度和规范:①站点遴选原则、观测场选择与布设、观测系统布设等观测规范; ②真实性检验数据处理标准流程; ③真实性检验数据的一致性和完整性检查、自动查错、人工纠错、质量标识符生成等数据质量控制流程; ④真实性检验数据汇交和共享制度。

(3) 核心观测场的联网观测

定期开展多观测场的星机地同步观测试验, 形成同一遥感产品的全国真实性检验的协同观测能力, 逐渐完善协同观测机制, 最终实现全国遥感产品真实性检验网的原型建设。

联网试验方式分为星机地同步观测(各站点协同开展)、星地同步观测试验(各站点协同开展)、地基遥感观测试验(各站点独立开展)、地面加密观测试验(各站点独立开展)等。在充分考虑每个观测场的下垫面和物候特征的基础上, 分别对以上观测试验的观测时期、观测要素、观测方案、卫星产品获取计划等方面进行详细设计; 针对同一要素的观测, 各观测场尽量统筹考虑, 同步开展, 便于后期的比对研究。在完成数据处理和质量控制后, 形成多尺度的地面测量数据集。随后, 通过对地面观测结果进行尺度转换, 生成不同空间分辨率(光学:30~1 000 m; 被动微波:25~50 km)的像元“ 真值” 。同时, 获取同期的相应卫星遥感产品, 进行产品的真实性检验和质量报告的编写。

本文通过介绍“ 遥感产品真实性检验关键技术及其试验验证” 的最新进展, 总结了遥感产品真实性检验研究的关键技术和总体技术流程。概括而言, 本研究形成了一套遥感产品真实性检验标准规范与技术体系; 开展了一次星机地综合试验, 实证和优化了真实性检验的标准规范和关键技术; 建立了一个遥感产品全国真实性检验网原型。具体如下:

一套标准规范与技术体系:形成一套针对陆表定量遥感产品的真实性检验标准及完整技术流程体系, 包括像元尺度真值的获取标准与观测技术(地面采样、测量与尺度扩展等)、具体针对各遥感产品的真实性检验标准、地面检验场的选址和布设标准、质量评价方法和指标体系等。

一次试验:选择我国北方3个典型区域, 联合开展了针对真实性检验的星机地同步试验, 以全球和我国陆地遥感产品为对象, 系统地实证20余种遥感产品的真实性检验方案, 通过试验优化了各种标准规范与技术流程。

一个网络:针对全球和我国主要卫星遥感产品, 协同建立一个分布在全国北方主要区域, 涵盖主要地表类型和气候区, 由传感器网络、通量塔、闪烁仪和其他自动观测设备为主, 能长期开展卫星遥感产品真实性检验的自动观测网络。

本研究的创新之处主要体现在:

(1) 突破了把遥感产品真实性检验局限在均质像元的传统思路, 汲取空间采样理论、尺度扩展方法以及观测技术等方面的最新进展, 在方法和技术上系统地研究了非均质像元真值获取方法, 在非均质像元地面采样、尺度转换、不确定性分析等困扰真实性检验的关键科学问题和技术难点上有所突破。

(2) 充分利用新型观测技术和观测方式, 例如传感器网络、仪器观测矩阵、航空遥感等, 建立了一个高度自动化的、更客观、更有效、更经济的用于遥感产品真实性检验的观测系统, 并首次开展了专门针对遥感产品真实性检验的大型星机地综合遥感试验。

(3) 更多地依赖于我国各部门已建立的地面台站网络, 并根据遥感产品真实性检验的需求和特点, 综合已有的遥感地面观测场/站的优势和条件, 建立了一个涵盖我国北方主要自然地理单元和气候区的遥感产品真实性检验网, 实现定量遥感基础设施建设的重要跨越。

(4) 集成遥感产品真实性检验网的观测系统与真实性检验方法, 研发遥感产品真实性检验系统, 实时开展遥感产品的真实性检验和质量评估, 为遥感产品在全球资源环境、农业和林业等领域的推广应用提供保障。

我们在遥感产品真实性检验方面的具体研究进展, 集中发表在IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters专栏“ Understanding the Heterogeneity of Soil Moisture and Evapotranspiration” 和Remote Sensing专刊“ The Development and Validation of Remote Sensing Products for Terrestrial, Hydrological, and Ecological Applications at the Regional Scale” 。试验相关数据集均发布共享于寒区旱区科学数据中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/hiwater), 可免费申请下载。

The authors have declared that no competing interests exist.