遥感共性产品真实性检验系统框架设计

高海亮，顾行发，周 翔，余 涛，陶 醉，王春梅，孙 源，董 文，李 斌

(1.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

遥感在获取信息的过程中受到运行环境、仪器状态、大气环境、地表类型和反演模型精度等多种因素的影响，其反演结果和地面实测结果可能有较大的差异。真实性检验是利用独立的方法，客观评价遥感数据和遥感产品的真实性和准确度，以及是否满足载荷设计指标和定量应用精度的要求。真实性检验是定量遥感应用最重要的一个环节，对卫星载荷设计指标优化、遥感反演模型的优化、定量遥感的应用和推广具有不可替代的作用。

在20世纪80年代，真实性检验就受到国际相关机构的密切关注和重视。地球观测卫星国际委员会在1984年成立了定标和真实性检验工作组，在全球范围开展遥感卫星数据定标和真实性检验的工作和相关研究[1]。进入21世纪以来，美国成立了MODIS遥感产品真实性检验小组，对MODIS发展的各种全球陆地数据产品进行了系统的真实性检验[2]。欧空局也随之启动了欧洲陆地遥感器验证计划，针对欧洲和美国的卫星开展遥感产品真实性检验[3]。地球观测卫星国际委员会新设立了陆地产品真实性检验小组，并制定了陆地遥感数据产品真实性检验的标准指南与规范[4],提出了BELMANIP(Benchmark Land Multisite Analysis and Intercomparison of Products)计划[5]。

近年来，国内对真实性检验的研究工作也日益重视。在理论研究方面，姜小光等[6]于2008年提出了遥感真实性检验系统的框架初步构想。张仁华等[7]提出了“一检两恰”的验证方法。中科院寒旱所、中科院遥感地球所和中科院地理所等单位的科研人员针对真实性检验的关键技术开展深入的研究[8-14]。在场网建设方面，2018年，我国组建由24个站点组成的国家民用空间基础设施真实性检验场网(简称空基站网)，后期扩展至48个。2021年，我国开始构建由42个站点组成的高分遥感真实性检验站网。站点建成后将具备7类38种遥感产品真实性检验的能力。

综上所述，我国对真实性检验的研究日益重视，也取得了一系列重要的成果。本文将针对我国真实性检验站网系统的整体架构以及真实性检验中的技术体系，提出自己的理解和设计，并针对当前存在的问题，提出未来真实性检验的发展原则，为后续我国遥感产品的真实性检验提供参考。

1 真实性检验的概念和内涵

真实性检验是采用独立的方法获取代表地面真值的参考数据，通过对遥感数据或产品的对比分析，实现遥感数据或产品精度验证和不确定度的评价。广义的真实性检验包括对卫星载荷、遥感共性产品和遥感应用产品的真实性检验。

卫星载荷的真实性检验是对卫星载荷状态的验证，通常情况下是对载荷定标系数进行验证，其验证场地、验证方法和场地定标对应的场地和方法类似，目前已具备比较成熟的测量规则和验证流程。

遥感应用产品的真实性检验是指在各行业的具体应用中，通过实地调查或综合比较，对利用遥感影像和其他地面参数共同反演得到的遥感专题产品进行验证和评价。例如，农作物遥感估算产品，在反演过程中不仅需要利用遥感影像，也需要利用地面各类实测数据和其他历史数据作为支撑，且反演的产品可直接应用到农业估产领域。遥感应用的真实性检验应和实际应用效果相结合，在实际应用过程中，通过遥感专题产品对多个地区、多年遥感专题产品的相对比较进行验证。这一类产品和行业应用直接对接，产品反演环节复杂，涉及的输入参数来源众多，一般难以实现对每个环节的验证，只能对最终结果进行评价，本文对此未进行详细讨论。

遥感共性产品的真实性检验也称为遥感基础产品的真实性检验，其反演的遥感产品不能直接应用到相关领域和行业，是遥感应用产品需要输入的中间产品。遥感共性产品的真实性检验方法主要有2种：地面测量验证法和卫星交叉验证法。前者通过地面测量，获取像元尺度地面真值，通过星地匹配，实现共性产品的验证和评价，这一部分也是本文阐述的重点。后者利用参考卫星反演的产品和待验证卫星反演的产品，通过时间、空间、角度和光谱的一致性校正，实现卫星共性产品的验证和评价。该方法不依赖地面实测数据，更侧重不同卫星之间的一致性校正，本文也不做讨论。因此，本文将重点对基于地面测量的遥感共性产品真实性检验系统进行总体框架设计和关键技术分析。

2 真实性检验总体架构

真实性检验总体架构如图1所示，由5部分组成：真实性检验场站网建设、真实性检验机理研究、标准规范定制与发布、真实性检验系统研发和真实性检验实验开展。

(1) 真实性检验场站网建设。由真实性检验网和综合实验场两部分组成。真实性检验网是在具有一定区域代表性的小面积区域，由单个单位定期开展的业务化测量实验，获取一种或多种长时间序列的地面真值数据，实现遥感共性产品的验证和评价。综合实验场是指在具有较高的区域代表性，覆盖多种典型地物类型的大面积区域，联合多家单位，共同开展大型综合实验，获取多种遥感产品真实性检验的地面真值数据，实现多种共性产品的真实性检验与评价，并为算法优化提供参考数据。

真实性检验网和综合实验场的主要区别表现在5个方面：① 实验场地面积。真实性检验网的面积较小，一般由3～5个实验样区组成，每个样区的面积小于1 km2；综合实验场的面积一般为上百平方千米，覆盖多种典型地物类型。② 测量内容和测量手段。真实性检验网的测量内容一般只有几类，测量内容少，测量主要以地面测量为主，测量手段单一；综合实验场开展的实验往往包括10～30种遥感共性产品，测量内容多，一般包括卫星、无人机、有人机和地面不同尺度的测量。③ 承担单位。真实性检验网需要的人员和测量内容少，一般由一个单位指定固定测量人员开展测量；综合实验场需要的人员和测量内容多，一般需要多个单位联合开展。④ 测量频次和实验周期。真实性检验网的测量属于小型实验，每次测量的实验为1～3 d，每年需定期开展测量，一般情况下每年测量不少于20次；综合实验场的测量属于大型综合实验，一般每次实验的时间为1～3个月，测量频次低，每年在一个场地最多开展一次实验。⑤ 场地基础。真实性检验网需要当地具有良好的基础设施，稳定运行的实验团队和长期自动测量的仪器设备；综合实验场可以在已有自动设备的站点测量，也可在无任何地面设备和基础设施的地区开展实验。

(2) 真实性检验机理研究。其关键技术可分为5个方面：① 场地甄选与评价；② 采样策略研究；③ 尺度转换模型研究；④ 共性产品验证方法研究；⑤ 真值获取不确定度。关于每个关键技术的深入分析详见第4节。

(3) 标准规范定制与发布。真实性检验的规范包括3类：真实性检验通用方法、真实性检验场地甄选和布设规范以及各类遥感产品的真实性检验规范。其中，各类遥感产品的真实性检验规范又包括遥感共性产品的地面测量规范、产品生产规范和产品验证规范。目前，国家已经发布了一系列遥感真实性检验规范，如遥感产品真实性检验导则、陆地定量遥感产品真实性检验通用方法和植被指数遥感产品真实性检验等。但这些规范都较为宏观，未考虑不同实验场地特征差异，因此在应用到各个实验场地时需要根据站点具体情况进一步改进和优化。

(4) 真实性检验系统研发。为了更好地开展真实性检验工作，减少不同站点不同测量人员测量的差异，提交测量和验证的效率和精度，需要开展真实性检验系统的开发。真实性检验的系统按功能包括4个方面：① 地面测量数据获取系统，实现自动和手动数据的快速获取；② 像元尺度真值获取系统，将地面测量数据经过尺度转换，得到面尺度地面真值数据；③ 遥感共性产品生产系统，实现遥感共性产品的业务化生产；④ 遥感共性产品验证系统，实现遥感共性产品的验证和评价。

(5) 真实性检验实验开展。在完成场地建设、理论研究、标准规范制定和验证系统开发的基础上，需要组织人员定期开展星地同步实验，获取卫星过境时刻的地面真值数据，实现遥感共性产品的验证和评价。按实验阶段可分为：① 实验前准备工作。完成实验方案的制定和发布、开展仪器的标定、测量人员的培训、卫星过境时刻查询、场地甄选及测量方案的确定等准备工作，确保实验的顺利开展。② 实验期间的测量工作。在卫星过境前后1～3 d，在地面开展星地同步实验，按规范获取实验场地的地面测量数据，同时具备完整的测量记录，并对测量数据进行初步分析和处理。③ 实验后的验证工作。在完成野外实验后，获取卫星过境时刻的卫星影像，反演得到遥感共性产品，同时根据地面测量数据，得到像元尺度地面真值，最后，经过星地匹配，实现遥感共性产品的验证和评价，通过对验证的精度和不确定度进行分析，最终实现遥感共性产品真实性检验报告撰写和对外发布。

图1 真实性检验总体架构Fig.1 Overall architecture of validation

3 真实性检验技术体系

真实性检验技术体系如图2所示，包括5个部分：场地甄选与评价、空间采样优化、尺度转换模型、遥感共性产品验证评价和地面真值获取不确定度分析。

图2 真实性检验技术体系Fig.2 Technical system of validation

(1) 场地甄选与评价。场地甄选和评价是实现真实性检验评价的首个环节，也是确保真实性检验精度的核心和基础。在实际试验过程中，虽然完全均匀的场地不存在，但不同场地的异质性仍存在显著的差异。一般情况下，其选择的场地大小应至少有3×3个像元。为了更好地实现不同空间分辨率遥感产品的真实性检验，需提前确定场地的位置和大小。

本文提出标准化真实性检验场地的概念。将所有不同空间分辨率卫星的验证场地分为3类：低分辨率卫星验证场，场地大小为3 km，主要用于100 m(不含)～1 km空间分辨率卫星的真实性检验；中分辨率卫星验证场，场地大小为300 m，主要用于16(不含)～100 m空间分辨率卫星的真实性检验；高分辨率卫星验证场，场地大小为50 m，主要用于小于16 m的空间分辨率卫星的真实性检验。以高分系列卫星为例，高分一号、高分二号、高分三号、高分六号和高分七号推荐采样高分辨率卫星验证场；高分四号和高分五号可采用中分辨率卫星验证场。研究结果表明，在采样数量和尺度转换方法相同的情况下，场地的空间异质性和测量真值的不确定度呈线性相关，场地的空间异质性推荐采用变异系数(Coefficient of Variation，CV)，当CV=0.20时，其地面测量真值的不确定度是CV=0.02不确定度的10倍。因此，选择空间异质性小的场地是提高验证不确定度的前提和基础。

(2) 空间采样优化。空间采样方法的确定是开展野外星地同步验收试验的前提，可分为3类：① 随机采样方法；② 系统采样方法；③ 基于参考影像的采样方法。

随机采样是在整个区域内进行多点连续随机测量，该方法往往适用于场地均匀的小样区测量，例如在定标场或平坦均匀的沙地，可利用该方法进行测量。

系统采样一般用于缺少高分辨率参考影像，且场地异质性较小的场地，例如，我国在敦煌场地对气象卫星进行定标系数的真实性检验时，往往利用3+5+3的11点测量方法，具体采样方法参考文献[16]，进行定标系数的真实性检验。该方法也常用于地物单一的其他地物类型，如农田、草地和裸土等。气象卫星采样方法如图3所示。

图3 气象卫星采样方法Fig.3 Sampling method of meteorological satellite

基于参考影像的采样方法，需要依赖参考影像进行采样方案的设计。根据参考影像的不同，又可分为基于卫星参考影像的采样方案和基于航空参考影像的采样方法。前者主要用于中低分辨率卫星的真实性检验，其验证的场地应大于100 m。后者更适合高分辨率卫星的真实性检验，其验证的场地往往小于100 m。前者可在试验出发前根据早期的卫星影像确定采样方案，其采样方法的精度和参考影像的获取时间密切相关，若参考影像获取的日期和试验日期接近，且地表未发生显著变化，则采样的精度较高。后者需要到达试验场地后，在试验前提前对场地进行成像，其采样精度主要受地面和无人机影像配准的影响。

(3) 尺度转换模型。尺度转换模型依赖于场地的空间异质性和采样方法。一般情况下，尺度转换模型分为2类：点-面尺度转换和点-面-面尺度转换[17-20]。点-面尺度转换是将地面多点测量数据，采用一定的数学方法，转换成像元尺度的单点测量数据。根据其数学方法的不同，又可分为：① 算术平均法；② 加权平均法；③ 克里格插值法；④ 趋势面法。

算术平均法是最简单的方法，也是最常用的方法，把多点测量的平均值作为像元尺度真值：

(1)

式中，M为像元尺度真值；N为采样点数量；mi为第i个测点测量值。

加权平均法关键在于权重的设定，需要利用高分辨率参考影像确定各点的权重：

(2)

式中，ki为第i次测量值的权重系数，所有权重系数的和为1：

(3)

每个权重系数计算式为：

(4)

克里格插值法通过给已知样本点赋权重，计算其他点的预测值，即：

(5)

式中，Z(si)为已测量的第i个位置的属性值；wi为在第i个位置上测得值的权重；s0为待插值的位置；N为已知样点的数目。在克里格插值中，权重不仅考虑已知点与插值点之间的距离，而且考虑已知点位置和属性值整体的空间分布和格局。克里格插值的权重来自半方差函数模型，在半方差函数模型和邻近已知点的空间分布的基础上，对研究区内的各个位置进行预测，最终得到计算出所有点的预测值。克里格插值方法需要较多的数据，一般情况下该数据量不应小于100，计算中的样本对最小不应小于20，否则结果可能不稳定。

趋势面法是利用数学曲面模拟地理要素在空间上的分布及变化趋势的一种数学方法。它实质上是通过回归分析的原理，运用最小二乘法拟合一个二维非线性函数，模拟地理要素在空间上的分布规律，展示地理要素在地域上的变化趋势。根据采样点数量，一般选择一次趋势面或二次趋势面。其中，一次趋势面至少需要3个测点，二次趋势面至少需要6个点，三次趋势面至少需要10个点。具体趋势面计算如下：

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)

点-面-面转换方法是利用高分辨率遥感影像为桥梁，实现像元尺度地面真值的获取[21]。首先，利用地面测量数据，将高分辨率遥感数据进行标定，得到高分辨率面尺度真值产品。然后，将高分辨率真值产品进行聚合，得到低分辨率真值产品。最终，实现遥感产品的验证和评价。该方法主要适用于低分辨率遥感卫星，其验证的不确定度主要来自高分辨率遥感影像自身的定标精度、地面-高分辨率遥感影像-低分辨率遥感影像之间的匹配精度、地面测量-高分辨率遥感影像成像-低分辨率遥感影像成像时刻的天气差异引起的不确定度等。根据高分辨率影像时相的不同，又可分为高分辨率真值传递方法和时空趋势面方法。前者基于单个时相的高分辨率遥感影像；后者基于多时相的高分辨率遥感影像。

(4) 遥感共性产品验证评价。验证包括3类：① 基于单个场地单个影像的产品验证；② 基于单个场地多个时相的产品验证；③ 基于多个场地多个时相的产品验证。根据验证目的和已有地面真值数据，实现不同类型的遥感共性产品验证。

(5) 地面真值获取不确定度分析。验证的不确定度包括3个方面：测量不确定度、尺度转换不确定度和模型不确定度[22]，具体公式为：

(9)

式中，bgrd和ηgrd为地面测量的系统误差和随机误差；ηh为高分辨率数据存在的随机噪声；εmol为生成高分辨率参考值所采用模型的不确定度；σh为地表异质性，当地表不存在异质性时，σh=0；∂f为模型的非线性程度，当模型为线性模型时，∂f=0；t为修正因子。目前不确定度分析大多数定性的研究，如何实现不确定度的定量计算，是未来需要研究的重点和难点。

4 真实性检验存在的问题及未来发展原则

近年来，随着卫星的发射和定量应用的深入，国家对真实性检验的研究越来越重视，真实性检验方面也取得了大量的成果。真实性检验的研究还处于起步阶段，主要存在以下几个方面的不足。

(1) 当前的真实性检验缺乏可操作性的验证方法和标准规范。虽然我国已经发布了一系列的真实性检验标准规范，并构建了空基真实性检验站网(48个站点)和高分真实性检验站网(42个站点)，但这些站点地表特征差异很大，且站点基础也不一致，目前已发布的相关标准规范和测量方法，无法直接用于现有的站点，后续仍需要进行改进和优化。

(2) 当前的真实性检验研究更侧重真实性检验理论和方法的研究，而对产品验证结果的分析和不确定度定量分析的研究较少。和定标相比，真实性检验的研究还有很大的差距。首先，定标对场地、天气的选择要求明确，可用于定标的场地和天气数量有限，而真实性检验需要对不同地物类型不同场地开展验证，地表类型复杂，尺度转换误差大，导致测量的精度较低。其次，定标具有统一的数据处理和不确定度分析方法，可实现定标各环节的不确定度分析，得到总的不确定度。而真实性检验的处理过程更复杂，且很多环节的不确定度难以定量计算，导致无法得到像元尺度总的不确定度。最后，定标针对的是卫星载荷，不同场地、不同定标方法的定标结果具有较高的一致性，而真实性检验针对的是遥感产品，其本身不仅受地表测量真值的影响，还受遥感反演模型的影响，导致不同场地、不同方法的真实性检验结果差异较大，其真实性检验结果的可信度较低。

(3) 全国范围的真实性检验研究尚未业务化开展。虽然目前已经初步形成了一系列真实性检验标准规范和真实性检验场网，但目前这些站点的建设和测量工作尚处于起步阶段，其中空基的首批24个站点目前处于试运行阶段，对真值获取数据处理和不确定度分析研究尚有很大的不足，而高分的42个站点和空基新增的24个站点尚不具备验证的能力。目前缺少可对外共享的验证数据和验证案例，距离真正的业务化真实性检验工作尚有很大的不足。

针对上述问题，未来需要基于以下几个原则，以推动遥感真实性检验的快速发展。

(1) 先易后难，循序渐进的原则。针对我国国产卫星的真实性检验需求，选择核心且重要的遥感共性产品开展研究。例如，我国国产陆地卫星的空间分辨率大都小于100 m，因此，在选择真实性检验场地时，建议重点对300，50 m场地的真实性检验方法开展研究。此外，目前国产卫星主要是多光谱载荷，未来应将重点放在对地表反射率、植被指数和植被覆盖度等多光谱可反演的产品进行真实性检验方法的研究。待后续更多新载荷发射以及真实性检验达到一定成熟度后，再重点开展其他产品的真实性检验研究。

(2) 理论联系实践的原则。今后在标准规范制定，数据处理和方法研究方面，不仅要考虑理论方法的先进性和复杂性，而且要考虑在各地推广的可行性和合理性。例如，理想的场地需要平坦均匀的地表和晴朗的天气，但在我国南方地区，很难找到大面积单一地物类型的场地，且天气受阴雨天影响大，如何针对南方的场地和天气条件开展真实性检验，后期需要结合站点的实际情况开展深入的研究。此外，目前很多研究需要利用高分辨率航空影像数据，而在实践操作中，由于空域、经费和天气等因素的限制，在日常的真实性检验试验中，很难在实验期间进行航空飞行测量。因此，后续的研究应更多考虑其方法的普适性。

(3) 开放共享，合作共赢的原则。真实性检验工作需要对多个场地多个产品开展研究，不是一个单位一个科研团队可以完成的。为了更好地开展真实性检验工作，需要在未来加强多个单位的合作交流，共同开展真实性检验的工作。而为了确保多个单位的有效合作，必须坚持开放共享、合作共赢的原则，一方面要加强技术交流和数据成果共享，另一方面也要确保数据和技术提供者的权益，做到合作共赢，以便更好地推动真实性检验工作的开展。

5 结束语

基于近3年开展的相关工作基础，结合目前国内真实性检验的研究现状，提出了真实性检验的总体框架和技术体系，并对当前真实性检验存在的问题和未来发展原则，给出作者的理解和看法，希望能以此抛砖引玉，推动我国真实性检验研究的发展和真实性检验系统的建设。

真实性检验是遥感地面系统的重要组成部分,在对地观测中具有不可替代的重要作用。目前我国在这方面的研究还处于起步阶段，已成为影响我国定量遥感研究和应用推广的重要因素。今后必须加紧相关的理论研究与科学试验，并结合我国的真实性检验的发展规划，做好真实性检验系统的顶层设计，深入、系统、全面地开展遥感真实性检验的理论研究，建立适用于多个真实性检验站点的遥感真实性检验的技术规范、标准和方法，在此基础上，针对我国已经发射和即将发射的卫星载荷和遥感产品，开展遥感共性产品的真实性检验研究，逐步建立并不断完善高分和空基真实性检验系统，为我国对地观测体系提供技术支撑，进一步推动我国定量遥感的发展。