遙感共性產品真實性檢驗系統框架設計

高海亮，顧行發，周 翔，余 濤，陶 醉，王春梅，孫 源，董 文，李 斌

(1.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

遙感在獲取信息的過程中受到運行環境、儀器狀態、大氣環境、地表類型和反演模型精度等多種因素的影響，其反演結果和地面實測結果可能有較大的差異。真實性檢驗是利用獨立的方法，客觀評價遙感數據和遙感產品的真實性和準確度，以及是否滿足載荷設計指標和定量應用精度的要求。真實性檢驗是定量遙感應用最重要的一個環節，對衛星載荷設計指標優化、遙感反演模型的優化、定量遙感的應用和推廣具有不可替代的作用。

在20世紀80年代，真實性檢驗就受到國際相關機構的密切關注和重視。地球觀測衛星國際委員會在1984年成立了定標和真實性檢驗工作組，在全球范圍開展遙感衛星數據定標和真實性檢驗的工作和相關研究[1]。進入21世紀以來，美國成立了MODIS遙感產品真實性檢驗小組，對MODIS發展的各種全球陸地數據產品進行了系統的真實性檢驗[2]。歐空局也隨之啟動了歐洲陸地遙感器驗證計劃，針對歐洲和美國的衛星開展遙感產品真實性檢驗[3]。地球觀測衛星國際委員會新設立了陸地產品真實性檢驗小組，并制定了陸地遙感數據產品真實性檢驗的標準指南與規范[4],提出了BELMANIP(Benchmark Land Multisite Analysis and Intercomparison of Products)計劃[5]。

近年來，國內對真實性檢驗的研究工作也日益重視。在理論研究方面，姜小光等[6]于2008年提出了遙感真實性檢驗系統的框架初步構想。張仁華等[7]提出了“一檢兩恰”的驗證方法。中科院寒旱所、中科院遙感地球所和中科院地理所等單位的科研人員針對真實性檢驗的關鍵技術開展深入的研究[8-14]。在場網建設方面，2018年，我國組建由24個站點組成的國家民用空間基礎設施真實性檢驗場網(簡稱空基站網)，后期擴展至48個。2021年，我國開始構建由42個站點組成的高分遙感真實性檢驗站網。站點建成后將具備7類38種遙感產品真實性檢驗的能力。

綜上所述，我國對真實性檢驗的研究日益重視，也取得了一系列重要的成果。本文將針對我國真實性檢驗站網系統的整體架構以及真實性檢驗中的技術體系，提出自己的理解和設計，并針對當前存在的問題，提出未來真實性檢驗的發展原則，為后續我國遙感產品的真實性檢驗提供參考。

1 真實性檢驗的概念和內涵

真實性檢驗是采用獨立的方法獲取代表地面真值的參考數據，通過對遙感數據或產品的對比分析，實現遙感數據或產品精度驗證和不確定度的評價。廣義的真實性檢驗包括對衛星載荷、遙感共性產品和遙感應用產品的真實性檢驗。

衛星載荷的真實性檢驗是對衛星載荷狀態的驗證，通常情況下是對載荷定標系數進行驗證，其驗證場地、驗證方法和場地定標對應的場地和方法類似，目前已具備比較成熟的測量規則和驗證流程。

遙感應用產品的真實性檢驗是指在各行業的具體應用中，通過實地調查或綜合比較，對利用遙感影像和其他地面參數共同反演得到的遙感專題產品進行驗證和評價。例如，農作物遙感估算產品，在反演過程中不僅需要利用遙感影像，也需要利用地面各類實測數據和其他歷史數據作為支撐，且反演的產品可直接應用到農業估產領域。遙感應用的真實性檢驗應和實際應用效果相結合，在實際應用過程中，通過遙感專題產品對多個地區、多年遙感專題產品的相對比較進行驗證。這一類產品和行業應用直接對接，產品反演環節復雜，涉及的輸入參數來源眾多，一般難以實現對每個環節的驗證，只能對最終結果進行評價，本文對此未進行詳細討論。

遙感共性產品的真實性檢驗也稱為遙感基礎產品的真實性檢驗，其反演的遙感產品不能直接應用到相關領域和行業，是遙感應用產品需要輸入的中間產品。遙感共性產品的真實性檢驗方法主要有2種：地面測量驗證法和衛星交叉驗證法。前者通過地面測量，獲取像元尺度地面真值，通過星地匹配，實現共性產品的驗證和評價，這一部分也是本文闡述的重點。后者利用參考衛星反演的產品和待驗證衛星反演的產品，通過時間、空間、角度和光譜的一致性校正，實現衛星共性產品的驗證和評價。該方法不依賴地面實測數據，更側重不同衛星之間的一致性校正，本文也不做討論。因此，本文將重點對基于地面測量的遙感共性產品真實性檢驗系統進行總體框架設計和關鍵技術分析。

2 真實性檢驗總體架構

真實性檢驗總體架構如圖1所示，由5部分組成：真實性檢驗場站網建設、真實性檢驗機理研究、標準規范定制與發布、真實性檢驗系統研發和真實性檢驗實驗開展。

(1) 真實性檢驗場站網建設。由真實性檢驗網和綜合實驗場兩部分組成。真實性檢驗網是在具有一定區域代表性的小面積區域，由單個單位定期開展的業務化測量實驗，獲取一種或多種長時間序列的地面真值數據，實現遙感共性產品的驗證和評價。綜合實驗場是指在具有較高的區域代表性，覆蓋多種典型地物類型的大面積區域，聯合多家單位，共同開展大型綜合實驗，獲取多種遙感產品真實性檢驗的地面真值數據，實現多種共性產品的真實性檢驗與評價，并為算法優化提供參考數據。

真實性檢驗網和綜合實驗場的主要區別表現在5個方面：① 實驗場地面積。真實性檢驗網的面積較小，一般由3～5個實驗樣區組成，每個樣區的面積小于1 km2；綜合實驗場的面積一般為上百平方千米，覆蓋多種典型地物類型。② 測量內容和測量手段。真實性檢驗網的測量內容一般只有幾類，測量內容少，測量主要以地面測量為主，測量手段單一；綜合實驗場開展的實驗往往包括10～30種遙感共性產品，測量內容多，一般包括衛星、無人機、有人機和地面不同尺度的測量。③ 承擔單位。真實性檢驗網需要的人員和測量內容少，一般由一個單位指定固定測量人員開展測量；綜合實驗場需要的人員和測量內容多，一般需要多個單位聯合開展。④ 測量頻次和實驗周期。真實性檢驗網的測量屬于小型實驗，每次測量的實驗為1～3 d，每年需定期開展測量，一般情況下每年測量不少于20次；綜合實驗場的測量屬于大型綜合實驗，一般每次實驗的時間為1～3個月，測量頻次低，每年在一個場地最多開展一次實驗。⑤ 場地基礎。真實性檢驗網需要當地具有良好的基礎設施，穩定運行的實驗團隊和長期自動測量的儀器設備；綜合實驗場可以在已有自動設備的站點測量，也可在無任何地面設備和基礎設施的地區開展實驗。

(2) 真實性檢驗機理研究。其關鍵技術可分為5個方面：① 場地甄選與評價；② 采樣策略研究；③ 尺度轉換模型研究；④ 共性產品驗證方法研究；⑤ 真值獲取不確定度。關于每個關鍵技術的深入分析詳見第4節。

(3) 標準規范定制與發布。真實性檢驗的規范包括3類：真實性檢驗通用方法、真實性檢驗場地甄選和布設規范以及各類遙感產品的真實性檢驗規范。其中，各類遙感產品的真實性檢驗規范又包括遙感共性產品的地面測量規范、產品生產規范和產品驗證規范。目前，國家已經發布了一系列遙感真實性檢驗規范，如遙感產品真實性檢驗導則、陸地定量遙感產品真實性檢驗通用方法和植被指數遙感產品真實性檢驗等。但這些規范都較為宏觀，未考慮不同實驗場地特征差異，因此在應用到各個實驗場地時需要根據站點具體情況進一步改進和優化。

(4) 真實性檢驗系統研發。為了更好地開展真實性檢驗工作，減少不同站點不同測量人員測量的差異，提交測量和驗證的效率和精度，需要開展真實性檢驗系統的開發。真實性檢驗的系統按功能包括4個方面：① 地面測量數據獲取系統，實現自動和手動數據的快速獲取；② 像元尺度真值獲取系統，將地面測量數據經過尺度轉換，得到面尺度地面真值數據；③ 遙感共性產品生產系統，實現遙感共性產品的業務化生產；④ 遙感共性產品驗證系統，實現遙感共性產品的驗證和評價。

(5) 真實性檢驗實驗開展。在完成場地建設、理論研究、標準規范制定和驗證系統開發的基礎上，需要組織人員定期開展星地同步實驗，獲取衛星過境時刻的地面真值數據，實現遙感共性產品的驗證和評價。按實驗階段可分為：① 實驗前準備工作。完成實驗方案的制定和發布、開展儀器的標定、測量人員的培訓、衛星過境時刻查詢、場地甄選及測量方案的確定等準備工作，確保實驗的順利開展。② 實驗期間的測量工作。在衛星過境前后1～3 d，在地面開展星地同步實驗，按規范獲取實驗場地的地面測量數據，同時具備完整的測量記錄，并對測量數據進行初步分析和處理。③ 實驗后的驗證工作。在完成野外實驗后，獲取衛星過境時刻的衛星影像，反演得到遙感共性產品，同時根據地面測量數據，得到像元尺度地面真值，最后，經過星地匹配，實現遙感共性產品的驗證和評價，通過對驗證的精度和不確定度進行分析，最終實現遙感共性產品真實性檢驗報告撰寫和對外發布。

圖1 真實性檢驗總體架構Fig.1 Overall architecture of validation

3 真實性檢驗技術體系

真實性檢驗技術體系如圖2所示，包括5個部分：場地甄選與評價、空間采樣優化、尺度轉換模型、遙感共性產品驗證評價和地面真值獲取不確定度分析。

圖2 真實性檢驗技術體系Fig.2 Technical system of validation

(1) 場地甄選與評價。場地甄選和評價是實現真實性檢驗評價的首個環節，也是確保真實性檢驗精度的核心和基礎。在實際試驗過程中，雖然完全均勻的場地不存在，但不同場地的異質性仍存在顯著的差異。一般情況下，其選擇的場地大小應至少有3×3個像元。為了更好地實現不同空間分辨率遙感產品的真實性檢驗，需提前確定場地的位置和大小。

本文提出標準化真實性檢驗場地的概念。將所有不同空間分辨率衛星的驗證場地分為3類：低分辨率衛星驗證場，場地大小為3 km，主要用于100 m(不含)～1 km空間分辨率衛星的真實性檢驗；中分辨率衛星驗證場，場地大小為300 m，主要用于16(不含)～100 m空間分辨率衛星的真實性檢驗；高分辨率衛星驗證場，場地大小為50 m，主要用于小于16 m的空間分辨率衛星的真實性檢驗。以高分系列衛星為例，高分一號、高分二號、高分三號、高分六號和高分七號推薦采樣高分辨率衛星驗證場；高分四號和高分五號可采用中分辨率衛星驗證場。研究結果表明，在采樣數量和尺度轉換方法相同的情況下，場地的空間異質性和測量真值的不確定度呈線性相關，場地的空間異質性推薦采用變異系數(Coefficient of Variation，CV)，當CV=0.20時，其地面測量真值的不確定度是CV=0.02不確定度的10倍。因此，選擇空間異質性小的場地是提高驗證不確定度的前提和基礎。

(2) 空間采樣優化。空間采樣方法的確定是開展野外星地同步驗收試驗的前提，可分為3類：① 隨機采樣方法；② 系統采樣方法；③ 基于參考影像的采樣方法。

隨機采樣是在整個區域內進行多點連續隨機測量，該方法往往適用于場地均勻的小樣區測量，例如在定標場或平坦均勻的沙地，可利用該方法進行測量。

系統采樣一般用于缺少高分辨率參考影像，且場地異質性較小的場地，例如，我國在敦煌場地對氣象衛星進行定標系數的真實性檢驗時，往往利用3+5+3的11點測量方法，具體采樣方法參考文獻[16]，進行定標系數的真實性檢驗。該方法也常用于地物單一的其他地物類型，如農田、草地和裸土等。氣象衛星采樣方法如圖3所示。

圖3 氣象衛星采樣方法Fig.3 Sampling method of meteorological satellite

基于參考影像的采樣方法，需要依賴參考影像進行采樣方案的設計。根據參考影像的不同，又可分為基于衛星參考影像的采樣方案和基于航空參考影像的采樣方法。前者主要用于中低分辨率衛星的真實性檢驗，其驗證的場地應大于100 m。后者更適合高分辨率衛星的真實性檢驗，其驗證的場地往往小于100 m。前者可在試驗出發前根據早期的衛星影像確定采樣方案，其采樣方法的精度和參考影像的獲取時間密切相關，若參考影像獲取的日期和試驗日期接近，且地表未發生顯著變化，則采樣的精度較高。后者需要到達試驗場地后，在試驗前提前對場地進行成像，其采樣精度主要受地面和無人機影像配準的影響。

(3) 尺度轉換模型。尺度轉換模型依賴于場地的空間異質性和采樣方法。一般情況下，尺度轉換模型分為2類：點-面尺度轉換和點-面-面尺度轉換[17-20]。點-面尺度轉換是將地面多點測量數據，采用一定的數學方法，轉換成像元尺度的單點測量數據。根據其數學方法的不同，又可分為：① 算術平均法；② 加權平均法；③ 克里格插值法；④ 趨勢面法。

算術平均法是最簡單的方法，也是最常用的方法，把多點測量的平均值作為像元尺度真值：

(1)

式中，M為像元尺度真值；N為采樣點數量；mi為第i個測點測量值。

加權平均法關鍵在于權重的設定，需要利用高分辨率參考影像確定各點的權重：

(2)

式中，ki為第i次測量值的權重系數，所有權重系數的和為1：

(3)

每個權重系數計算式為：

(4)

克里格插值法通過給已知樣本點賦權重，計算其他點的預測值，即：

(5)

式中，Z(si)為已測量的第i個位置的屬性值；wi為在第i個位置上測得值的權重；s0為待插值的位置；N為已知樣點的數目。在克里格插值中，權重不僅考慮已知點與插值點之間的距離，而且考慮已知點位置和屬性值整體的空間分布和格局。克里格插值的權重來自半方差函數模型，在半方差函數模型和鄰近已知點的空間分布的基礎上，對研究區內的各個位置進行預測，最終得到計算出所有點的預測值。克里格插值方法需要較多的數據，一般情況下該數據量不應小于100，計算中的樣本對最小不應小于20，否則結果可能不穩定。

趨勢面法是利用數學曲面模擬地理要素在空間上的分布及變化趨勢的一種數學方法。它實質上是通過回歸分析的原理，運用最小二乘法擬合一個二維非線性函數，模擬地理要素在空間上的分布規律，展示地理要素在地域上的變化趨勢。根據采樣點數量，一般選擇一次趨勢面或二次趨勢面。其中，一次趨勢面至少需要3個測點，二次趨勢面至少需要6個點，三次趨勢面至少需要10個點。具體趨勢面計算如下：

Z=a0+a1x+a2y，

(6)

Z=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2，

(7)

Z=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2+a6x3+

a7x2y+a8xy2+a9y3。

(8)

點-面-面轉換方法是利用高分辨率遙感影像為橋梁，實現像元尺度地面真值的獲取[21]。首先，利用地面測量數據，將高分辨率遙感數據進行標定，得到高分辨率面尺度真值產品。然后，將高分辨率真值產品進行聚合，得到低分辨率真值產品。最終，實現遙感產品的驗證和評價。該方法主要適用于低分辨率遙感衛星，其驗證的不確定度主要來自高分辨率遙感影像自身的定標精度、地面-高分辨率遙感影像-低分辨率遙感影像之間的匹配精度、地面測量-高分辨率遙感影像成像-低分辨率遙感影像成像時刻的天氣差異引起的不確定度等。根據高分辨率影像時相的不同，又可分為高分辨率真值傳遞方法和時空趨勢面方法。前者基于單個時相的高分辨率遙感影像；后者基于多時相的高分辨率遙感影像。

(4) 遙感共性產品驗證評價。驗證包括3類：① 基于單個場地單個影像的產品驗證；② 基于單個場地多個時相的產品驗證；③ 基于多個場地多個時相的產品驗證。根據驗證目的和已有地面真值數據，實現不同類型的遙感共性產品驗證。

(5) 地面真值獲取不確定度分析。驗證的不確定度包括3個方面：測量不確定度、尺度轉換不確定度和模型不確定度[22]，具體公式為：

(9)

式中，bgrd和ηgrd為地面測量的系統誤差和隨機誤差；ηh為高分辨率數據存在的隨機噪聲；εmol為生成高分辨率參考值所采用模型的不確定度；σh為地表異質性，當地表不存在異質性時，σh=0；?f為模型的非線性程度，當模型為線性模型時，?f=0；t為修正因子。目前不確定度分析大多數定性的研究，如何實現不確定度的定量計算，是未來需要研究的重點和難點。

4 真實性檢驗存在的問題及未來發展原則

近年來，隨著衛星的發射和定量應用的深入，國家對真實性檢驗的研究越來越重視，真實性檢驗方面也取得了大量的成果。真實性檢驗的研究還處于起步階段，主要存在以下幾個方面的不足。

(1) 當前的真實性檢驗缺乏可操作性的驗證方法和標準規范。雖然我國已經發布了一系列的真實性檢驗標準規范，并構建了空基真實性檢驗站網(48個站點)和高分真實性檢驗站網(42個站點)，但這些站點地表特征差異很大，且站點基礎也不一致，目前已發布的相關標準規范和測量方法，無法直接用于現有的站點，后續仍需要進行改進和優化。

(2) 當前的真實性檢驗研究更側重真實性檢驗理論和方法的研究，而對產品驗證結果的分析和不確定度定量分析的研究較少。和定標相比，真實性檢驗的研究還有很大的差距。首先，定標對場地、天氣的選擇要求明確，可用于定標的場地和天氣數量有限，而真實性檢驗需要對不同地物類型不同場地開展驗證，地表類型復雜，尺度轉換誤差大，導致測量的精度較低。其次，定標具有統一的數據處理和不確定度分析方法，可實現定標各環節的不確定度分析，得到總的不確定度。而真實性檢驗的處理過程更復雜，且很多環節的不確定度難以定量計算，導致無法得到像元尺度總的不確定度。最后，定標針對的是衛星載荷，不同場地、不同定標方法的定標結果具有較高的一致性，而真實性檢驗針對的是遙感產品，其本身不僅受地表測量真值的影響，還受遙感反演模型的影響，導致不同場地、不同方法的真實性檢驗結果差異較大，其真實性檢驗結果的可信度較低。

(3) 全國范圍的真實性檢驗研究尚未業務化開展。雖然目前已經初步形成了一系列真實性檢驗標準規范和真實性檢驗場網，但目前這些站點的建設和測量工作尚處于起步階段，其中空基的首批24個站點目前處于試運行階段，對真值獲取數據處理和不確定度分析研究尚有很大的不足，而高分的42個站點和空基新增的24個站點尚不具備驗證的能力。目前缺少可對外共享的驗證數據和驗證案例，距離真正的業務化真實性檢驗工作尚有很大的不足。

針對上述問題，未來需要基于以下幾個原則，以推動遙感真實性檢驗的快速發展。

(1) 先易后難，循序漸進的原則。針對我國國產衛星的真實性檢驗需求，選擇核心且重要的遙感共性產品開展研究。例如，我國國產陸地衛星的空間分辨率大都小于100 m，因此，在選擇真實性檢驗場地時，建議重點對300，50 m場地的真實性檢驗方法開展研究。此外，目前國產衛星主要是多光譜載荷，未來應將重點放在對地表反射率、植被指數和植被覆蓋度等多光譜可反演的產品進行真實性檢驗方法的研究。待后續更多新載荷發射以及真實性檢驗達到一定成熟度后，再重點開展其他產品的真實性檢驗研究。

(2) 理論聯系實踐的原則。今后在標準規范制定，數據處理和方法研究方面，不僅要考慮理論方法的先進性和復雜性，而且要考慮在各地推廣的可行性和合理性。例如，理想的場地需要平坦均勻的地表和晴朗的天氣，但在我國南方地區，很難找到大面積單一地物類型的場地，且天氣受陰雨天影響大，如何針對南方的場地和天氣條件開展真實性檢驗，后期需要結合站點的實際情況開展深入的研究。此外，目前很多研究需要利用高分辨率航空影像數據，而在實踐操作中，由于空域、經費和天氣等因素的限制，在日常的真實性檢驗試驗中，很難在實驗期間進行航空飛行測量。因此，后續的研究應更多考慮其方法的普適性。

(3) 開放共享，合作共贏的原則。真實性檢驗工作需要對多個場地多個產品開展研究，不是一個單位一個科研團隊可以完成的。為了更好地開展真實性檢驗工作，需要在未來加強多個單位的合作交流，共同開展真實性檢驗的工作。而為了確保多個單位的有效合作，必須堅持開放共享、合作共贏的原則，一方面要加強技術交流和數據成果共享，另一方面也要確保數據和技術提供者的權益，做到合作共贏，以便更好地推動真實性檢驗工作的開展。

5 結束語

基于近3年開展的相關工作基礎，結合目前國內真實性檢驗的研究現狀，提出了真實性檢驗的總體框架和技術體系，并對當前真實性檢驗存在的問題和未來發展原則，給出作者的理解和看法，希望能以此拋磚引玉，推動我國真實性檢驗研究的發展和真實性檢驗系統的建設。

真實性檢驗是遙感地面系統的重要組成部分,在對地觀測中具有不可替代的重要作用。目前我國在這方面的研究還處于起步階段，已成為影響我國定量遙感研究和應用推廣的重要因素。今后必須加緊相關的理論研究與科學試驗，并結合我國的真實性檢驗的發展規劃，做好真實性檢驗系統的頂層設計，深入、系統、全面地開展遙感真實性檢驗的理論研究，建立適用于多個真實性檢驗站點的遙感真實性檢驗的技術規范、標準和方法，在此基礎上，針對我國已經發射和即將發射的衛星載荷和遙感產品，開展遙感共性產品的真實性檢驗研究，逐步建立并不斷完善高分和空基真實性檢驗系統，為我國對地觀測體系提供技術支撐，進一步推動我國定量遙感的發展。