中国遥感真实性检验基础设施建设发展态势分析

高海亮，顾行发，周翔，余涛，王艺学

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

1 引言

真实性检验（Validation）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，以及是否满足定量应用精度的要求。真实性检验评价遥感产品质量、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（晋锐 等，2017）。

国际上对真实性检验工作非常重视，早在20 世纪80 年代，地球观测卫星国际委员会就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（Justice等，2000），随后启动遥感真实性检验基础设施的建设工作。国际上用于真实性检验的基础设施可分为3类。

第一类是面向大气和地表参数的自动观测网。例如全球长期通量观测网（FLUXNET）、基准地面辐射观测网BSRN（Baseline Surface Radiation Network），气溶胶地面观测网AERONET（Aerosol Robotic NETwork），国际土壤水分网ISMN（International Soil Moisture Network）。其中，全球长期通量观测网FLUXNET 的概念起源于1993 年，于1998 年启动，在全球超过140个站点，主要用于测量生物圈和大气之间的二氧化碳、水蒸气和能量交换（Running 等，1999；Baldocchi 等，2001）。地表类型包括温带针叶林和阔叶林（落叶林和常绿林）、热带和北方森林、农作物、草原、丛林、湿地和苔原。地点分布在五大洲，纬度分布在70°N—30°S，其测量的产品可用于净初级生产力NPP、反照率等产品的真实性检验（Baldocchi，2008）。基准地面辐射观测网BSRN 于1988 年提出计划，并于1992 年正式运行。早期站点数量为9 个（Ohmura等，1998），2018 年增加到59个正式台站和9个候选台站（Driemel等，2018）。基准辐射观测主要包括太阳直接辐射、散射辐射、总辐射、反射辐射、大气长波辐射、地面长波辐射等，根据需要还会增加紫外辐射、光合有效辐射和同步的常规气象要素。BSRN 网络旨在提供高质量的长期地表辐射能量收支观测，以探测地球表面辐射场中可能与气候变化有关的重要变化（Long 等，2015）。其测量的产品可用于地表反照率、下行短波辐射、下行长波辐射、净辐射产品等产品的真实性检验（https：//bsrn.awi.de/［2021−11−04］）。气溶胶地面观测网AERONET 是全球最大的气溶胶和水汽含量观测网（Holben 等，1998），由NASA 和LOA−PHOTONS 公司联合建立。该网络覆盖了全球主要的区域，在全球共有500多个站点。通过由国家机构、研究所、大学、个人科学家提供的太阳光度计，获取全球不同地区的气溶胶光学厚度数据。AERONET 通常用于验证卫星的气溶胶光学厚度产品和水汽含量产品（https：//aeronet.gsfc.nasa.gov/［2021−11−04］）。国际土壤水分网ISMN 是2009 年欧洲航天局资助的一个观测项目（Dorigo 等，2011），ISMN 汇集了由多个组织收集并免费共享的现场地面湿度测量数据，并采用先进的质量控制，实现了数据的共享。ISMN已发展成为全球主要的原位土壤水分参考数据库，共有3000多个活跃用户和1000多份参考文献（Dorigo等，2021）。ISMN包含了遍布全球的71 个网络和2842 个站的数据（https：//ismn.geo.tuwien.ac.at/en/［2021−11−04］）。

第二类是面向生态参数的自动+人工测量的观测站网。包括美国的长期生态研究网LTER（Long−Term−Ecological−Research）、英国的环境变化网ECN（Environment Change Network）和中国生态系统研究网络CERN（Chinese Ecosystem Research Network）。LTER 网位于美国本土，由美国国家自然科学基金委员会于1980 年启动，是国际上第一个国家尺度的长期生态研究网络（Haase等，2016）。LTER 刚成立的时候有4个站点，现在已增加到28个。地表类型包括海洋、森林、淡水、沿海、草地、混合景观、冻土带、城市等（https：//lternet.edu/site/［2021−11−04］）。环境变化网络ECN网是英国长期生态系统研究网络。在英国各地收集、管理、分析和解释环境数据。ECN 成立于1992 年，于1993 年开始测量数据，截止到目前ECN 共有44个站点组成，包括11个陆表站，16个湖泊站和17 个河流站组成，陆表站的地表类型包括半天然草地、林地、沼地、泥炭地和耕地等（https：//ecn.ac.uk/sites［2021−11−04］）。中国生态系统研究网络（CERN）于1988 年开始组建成立的。目前，该研究网络由42 个站点和6 个研究中心组成，站点包括农田站14 个、森林站11 个、草地站点2 个、沙漠站5 个、沼泽站1 个、湖泊站4 个、海洋站3 个、城市站1 个，喀斯特站1 个；研究中心包括水分、土壤、大气、生物、水域生态系统5个学科分中心和1个综合研究中心所组成（https：//www.cas.cn/zt/kjzt/ywtz/ywtzwltx/201212/t20121219_3724232.html［2021−11−04］）。

第三类基于大型综合试验的临时实验场。如美国于2003 年在Georgia 组织的大型土壤测量试验（Bosch等，2006），试验时间为2003年6月17日到7 月21 日，测量范围包括50 km×75 km，每天获取19 个站点的土壤温度和土壤水分数据，其覆盖类型包括森林、棉花、花生和草地。进入21 世纪以来，中国也开展了大量局部地区的真实性检验试验，2001 年在顺义开展星—机—地同步的真实性检验试验（李小文，2006），对MODIS的陆表产品算法进行真实性检验。2007 年—2009 年，中国在黑河开展了大型航空、卫星遥感与地面同步观测科学试验。试验由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验，获取了大量地面同步观测数据，包括积雪属性（雪深、雪密度，雪粒径及雪反射率等）、冻土属性（冻融状态、水分含量、电导率等）、反射率/反照率、土壤温度和冠层温度、和LAI、生物量、植被含水量、Fpar等植被生物物理和生物化学参数，以及树高，冠幅，生物量等植被结构参数（晋锐 等，2017）。

综上所述，上述3类场地均可用于遥感产品的真实性检验试验。但每类场地均有一定的不足。第一类场地只能获取单点的测量数据，主要适用于气溶胶光学厚度等弱尺度效应遥感参数的验证；第二类场地的主要目的是对气候变化和人类活动的影响下生态系统进行长期全面监测和研究。其场地的设计初衷并非针对遥感产品的真实性检验，存在覆盖范围有限和空间代表性不足的问题，其测量的地面参数难以直接用于遥感产品的真实性检验；第三类场地更适合遥感产品的真实性检验，但每次试验均需要投入大量的人力物力，适用于短期的试验，很难在更大的范围内开展业务化测量。为了建立具备遥感产品真实性检验站网的试验站网，中国先后启动了国家空间基础设施真实性检验场网（简称空基场网）和高分真实性检验站网（简称高分站网）的建设工作，充分利用大型综合试验的经验和成果，依托中国各行业和地区的优势站点，通过布设相关的自动测量仪器和人工测量仪器，使部分生态站和行业站点具备遥感产品测量的能力，为遥感产品的真实性检验提供长期业务化的地面观测数据。本文对国家空间基础设施真实性检验站网和高分真实性检验站网的建设现状进行介绍，并对国内遥感真实性检验基础设施建设发展态势提出思路和框架。

2 中国真实性检验站网现状

2.1 国家空间基础设施真实性检验场网

中国于2015年发布《国家民用空间基础设施中长期规划（2015年—2025年）》。根据规划，2017年起启动空基真实性检验站网建设工作。按照“统筹规划、分步建设、协同运行、资源共享”原则，在现有各行业站点的基础上，增加遥感专业仪器和观测能力，建成由多个站点组成的真实性检验站网。空基真实性检验站网的甄选原则如下：

（1）站点分布能够有效代表中国主要区域和地形地貌、气候条件类型。

（2）充分考虑已有站点的场地条件、仪器条件、数据采集能力等原则，选择站点基础好，积极性高的站点。

（3）充分考虑行业、区域和科研机构站点的代表性和均衡性，以支持行业遥感应用的发展。

空基真实性检验站网的建设工作分为两个阶段。第一个阶段是2017 年—2020 年。这一阶段将中国生态系统研究网络的部分站点，以及林业、农业、气象、环保等行业的代表性站点共24 个站点纳入真实性检验站网系统，并在各站点共布设了120 台套的遥感专业测量设备。第二个阶段是2021 年—2024 年，这一阶段空基站点的数量增加到48 个（表1），其检验的产品类型增加到6 类24种（表2）。

表1 空基真实性检验站网Table 1 The space-based validation network

表2 空基场网可验证的六类共性产品Table 2 Six kinds of verifiable common products based on space-based validation network

空基真实性检验场网由48 个真实性检验站和6个综合试验场组成。真实性检验站点和综合试验场的区别如表3所示。

表3 空基真实性检验站点和综合试验场的区别Table 3 The differences between space-based validation sites and space-based integrated test sites

2.2 高分真实性检验站网

高分真实性检验站网是在国防科工局支持下建设的用于高分卫星共性产品验证的场站网。高分站点遴选基本原则如下：

（1）尽可能多涵括中国典型地理单元和典型生态系统；

（2）强调时空布局的合理性，时间上要求台站有观测积累，空间上要求布局合理；

（3）充分利用具备良好交通条件和基础设施的已有站点（中国生态系统研究网络CERN、中国林业生态定位研究网络、大气环境网、海洋网、遥感网、空基网）；

（4）对现有高分共性产品有检验能力，可支持多种产品检验；形成涵盖陆地、海洋、大气和几何的共性产品的完整体系；

（5）有较好的遥感研究和观测基础，以及运行保障能力。

2015 年，高分专项进行统筹规划，根据地域分布，交通条件、设施基础、运行保障等各站点基础条件和急需先行等遴选原则，确定了具有遥感产品检验能力、分布相对合理的首批24 个真实性检验场站，但当时并未开展具体建设工作。随着高分卫星的发射和业务化真实性检验需求的迫切，2019 年开始启动高分真实性检验站网建设的论证工作，并于2021 年正式启动高分真实性检验站网的建设工作。在首批24 个站点的基础上，高分真实性检验站网新增加了18 个站点，最终形成有42 个站点组成的高分卫星真实性检验场网（表4）。

表4 高分真实性检验站网Table 4 The Gaofen validation network

高分真实性检验站网可检验的卫星产品有6类39种。其分类原则和产品名称和空基的定义不同，该6类包括几何类、辐射基础类、土地覆盖类、能量平衡类、植被参量类和水分参量类（表5）。

表5 高分真实性检验的6类39种共性产品Table 5 Common products of Gaofen validation，including 39 types of 6 categories

2.3 空基和高分站网的比对

空基真实性检验站网和高分真实性检验站网隶属于不同的部门，前者由国家发展和改革委员会和财政部支持；后者由国防科技工业局支持；前者属于业务性质的任务，对测量的长期性和精度要求较高，因此所有设备都是新增设备，且检验的产品类型较少；后者属于科研性质的任务，更侧重理论和方法的研究，其观测设备更依赖站点已有基础，检验的产品类型更多。这两类站点的比较如表6所示。

表6 空基和高分站网的比较Table 6 The comparisons of space-based and Gaofen field networks

2.4 空基和高分站网的初步成果

空基真实性检验场网从2018年开始启动建设，2019 年9 月所有专业仪器到位，并在长春首次开展面向24 个站点技术人员的专业仪器培训。2020以来，针对国产高分GF−1 BCD、GF−7、5 m光学、高分多模、资源04A 等7颗陆地卫星，开展在轨测试和验证试验，有效支持了国产卫星的定量应用。截止到2021 年底，获取了24 个站点、12 种120 台套设备、6 类遥感产品近3 年的站点测量数据，测量数据量达到2.17 亿条。其中，首次全面建设完成了面向高分辨率卫星应用的全国范围统一标准的土壤温湿度自动观测网络和叶面积指数自动观测网络，可实现全国草地、农田、荒漠和森林等多种生态类型的土壤水分和土壤温度长时间持续观测和全国典型生态环境下叶面积指数的全国范围、长时间持续地面观测，截至目前，已获取有效土壤原始数据共计6500 万余条，植被原始数据2400 万余条。首次建成覆盖全国、遥感全要素、多行业联合协同的遥感共性产品真实性检验站网体系。2022 年4 月，启动十三五48 个站点的专业仪器培训工作，为相关站点近350名站点技术人员进行培训，确保了各站点测量数据的一致性和精度。

高分真实性检验站网的建设于2021 年启动，2021 年4 月24 日进行首批12 个站点的授牌，后续和高分站网的42 个站点多次调研和技术交流，2022 年4 月确定各站点的建设方案，并完成新增核心仪器的调研和采购。此外，高分真实性检验站网已形成33 种观测类标准规范，并提供给各站点，作为后续站点建设的依据。

通过空基真实性检验场网和高分真实性检验站网的工程化建设，发现在项目执行过程中出现很多各种困难和问题，距离各站点高精度业务化运行，满足各类遥感产品的真实性检验还有很大的不足和差距。本文在总结站网建设中的工作的基础上，分析凝练真实性检验站网建设的重要内容，为后续站网的建设和业务化运行提供参考。

3 真实性检验场网建设技术体系设计

真实性检验场网建设是一个长期系统性的工作。涉及到理论方法研究、标准规范制定、站点建设、卫星产品验证等多个方面。虽然中国在真实性检验站网建设方面已经启动，并获取了大量的数据成果，但离各站点的高质量业务化运行还有一定的差距，本文在总结空基和高分站网建设相关经验的基础上，提出站网建设需要考虑的重点工作（图1），并对后续站网的建设和运行给出具体的建议和思考。

图1 真实性检验站网建设技术体系Fig.1 The technical system of validation site network construction

3.1 真实性检验理论研究

真实性检验理论的研究是实现真实性检验站网建设的基础。包括场地甄选和空间异质性评价理论、空间采样理论、尺度转换理论、真值获取不确定度理论和产品评价方法等。其中，场地甄选理论包括场地大小、场地类型和场地位置的确定。理想的场地应选择均匀平坦的单一地物类型作为试验场，但受到站点周边的地表类型、仪器布设、交通条件、后勤保障等因素的影响，同时还要考虑验证的卫星空间分辨率，仪器测量方式等因素，在确定场地位置时需要理论和实际相结合。实际选择的场地，应该是各类因素综合考虑后的结果。在确定场地的同时，还应确定相应的场地评价方法。目前场地空间异质性的评价方法有点面特征比较法、一阶统计法、局部方差法、半方差函数法、小波变换法、分析法、变异系数法等（徐保东 等，2015；柳钦火 等，2016；栾海军 等，2013a，2013b；Schmid和Lloyd，1999）。

空间采样理论和场地甄选密切相关。如果场地的地物类型单一，空间异质性小，采样方法有单点采样法、多点随机采样法、多点系统采样法、基于参考影像的采样方法和基于地面组分的采样方法等；如果场地的地物类型比较复杂，空间异质性大，对应的采样方法有异质性表面空间优化采样（Wang 等，2014）、多变量空间优化采样（Ge 等，2015）、空间混合优化采样（Kang 等，2014）、三明治抽样模型、基于地统计学的抽样模型、分层采样（曾也鲁 等，2012）等。若考虑时空变化的影响，对应的采样方法有时空动态观测网优化采样方法（Wang 等，2015），面到面克里格时空尺度转换算法（Hu等，2015），基于随机组合和时空稳定性的最优采样方法（Wu 等，2018）。在实际应用中，不是越复杂的方法精度越高，而是需要根据场地的空间异质性、待验证卫星的空间分辨率和待验证产品的特点共同确定采样方案。

尺度转换是在确定场地位置和采样方案，并完成地面测量基础上对测量数据的处理。尺度转换包括点面尺度转换和面面尺度转换两种。基于地面测量点的尺度转换都属于点面尺度转换；包括算术平均法、加权平均法和真值传递法。算术平均不依赖辅助数据，将点尺度数据转换成面尺度数据。加权平均法和真值传递法需要依赖高分辨率的遥感影像作为辅助参数；基于面面尺度转换的方法适用于不同卫星产品的相互验证，尺度转换方法包括泰勒级数法（刘艳 等，2010，2014）、计算几何模型法（吴骅 等，2009），累加平均法（Tan等，2005），面积加权法（唐世浩 等，2006），基于克里格插值的直接转换法和基于高分辨率影像的算术平均法（家淑珍 等，2014）等。

真值获取的不确定度分析是确保地面测量数据质量和精度的保障。一般来说，像元尺度地面真值的不确定度来源包括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。其中测量不确定度和测量仪器、测量人员、测量天气、测量方法密切相关；尺度转换不确定度和采样方法、尺度转换方法、选择的高分辨率参考遥感影像密切相关；模型的不确定度和观测角度校正模型，遥感参数反演模型相关。最后，应基于误差累计和传递理论，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；结合真实性检验的各个环节予以分析，得到像元尺度地面真值总的不确定度，为优化真实性检验的关键技术提供依据。

3.2 标准规范的制定和优化

近年来，中国已经发布了一系列的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、各类遥感产品真实性检验方法等。高分真实性检验站网和空基真实性检验场网也分别提出了各自的测量规范和真实性检验规范。但这些标准规范都较为宏观，更多偏重原则性的说明。而不同真实性检验站点的地表类型千差万别，各站点的测量仪器和观测规范往往不一致；此外，目前的测量和验证规范对待验证卫星的空间分辨率没有给出具体的使用范围，导致仅依赖当前的标准规范无法实现真实性检验测量工作的具体开展，还有大量细节有待进一步落实。

3.3 真实性检验站网建设

真实性检验站网的建设是地面真值获取、实现遥感产品真实性检验的关键环节。中国已前后启动空基真实性检验站网和高分真实性检验站网，站点覆盖全国28 个省和自治区，地表类型包含草地、农田、森林、海洋、戈壁、城市、湖泊等多种地物类型，涉及的行业包括林业、国土、气象、海洋、环保、农业等不同行业和中国科学院和高校的多个站点。其中，十二五的空基站点已运行近3年，十三五空基站点和高分站点也启动建设工作。经过近几年的运行工作，主要有以下体会。

（1）理论和实际有较大差距。在理论研究方面，目前有多种场地甄选、采样方法和尺度转换理论，但在实际站点建设中，由于基础设施、地表类型、仪器配置、辅助数据等因素的限制，大量复杂的理论模型和方法无法应用到站点建设中。例如，很多采样理论和方法依赖于大量高分辨率机载或星载高分辨率影像数据。而由于实际各种因素的现状，各站点高分辨率影像数据有限，导致大量采样方法和尺度转换模型无法应用。因此，在后续的理论研究中，应充分考虑站点的特点，研发具有普适性和可行性的采样方案和真值获取方法，以改善真值获取的精度。

（2）标准的制定和优化是一个多次迭代的过程。目前虽然已经发布了多个项目级和国家级的标准规范，但在具体应用过程中，由于各站点地表特征和测量仪器的差异，其测量规范无法直接指导所有站点的测量工作，必须根据站点进行适用性改造和优化。

（3）建立统一质量标准的真实性检验场网是真实性检验站网建设的重要目标。统一质量标准包括采样统一的仪器、统一的仪器定标、统一的地面测量、数据处理和产品验证方法。因此，一方面要加强基础设施的建设，使各站点尽可能采用相同的仪器，并完成统一的标定。另一方面，要加强对各站点测量人员的培训。定期组织不同规模，面向不同遥感产品、不同站点测量人员的专业培训和技术交流，使不同站点、不同测量人员采用相同的测量方法和数据处理模型，进而保障不同站点测量数据的一致性和精度。

（4）获取高精度的像元尺度地面真值数据是建立真实性检验场网的关键环节。像元尺度地面真值数据的精度，和像元尺度大小、地表特征、测量方法、尺度转换方法、待验证产品类型密切相关。其中，场地的异质性是影响地面真值不确定度的核心因素。一方面，应尽可能选择空间异致性小的样区作为验证场地，另一方面，需要根据样区地表特征、测量方式和待验证产品的特点确定相应的采样方法和尺度转换模型。

（5）真实性检验站网的建设和业务化运行是一个长期、复杂、且需要大量人员和经费支持的工程化技术体系。一方面，真实性检验的理论、方法和标准规范不可能一蹴而就，需要根据测量过程中遇到的问题进行改进和优化；另一方面，真实性检验站网的建设需要考虑各类站点地表大气特征和现有基础、各类仪器特点、各种遥感产品验证的需求，需要建立统一的组织体系，加强各行业、各站点和相关科研机构、高校的技术交流，形成统一的培训机制、数据共享机制和产品验证和发布机制等。同时，应鼓励站点和相关科研人员加强合作，充分发挥每个人的积极性，通过多个单位和个人协同工作，共同提高真实性检验站网建设的水平。

3.4 遥感产品的验证评价

遥感产品的真实性检验和评价是建立遥感真实性检验场网的最终目的。遥感产品的验证评价包括4个环节：（1）卫星产品的反演；（2）地面真值数据获取；（3）星地同步验证；（4）验证报告撰写和精度评价。其中，卫星产品的反演既可采用传统方法，也可采用新的反演算法；地面真值数据包括已建成的真实性检验站网数据和面向真实性检验的野外试验数据。星地同步验证是获取相同或相邻时刻的卫星反演产品和对应的地面实测数据，通过星地匹配，实现共性产品的真实性检验和评价；验证报告的撰写和精度评价可以按载荷进行评价，也可以按试验区或遥感产品类型进行分类评价。

4 结语

本文在介绍国内外真实性检验站网的基础上，重点对中国空基和高分真实性检验站网的建设现状和初步研究成果进行介绍，并根据在站网建设的经验，提出相关的真实性检验技术体系，希望能以此抛砖引玉，推动中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。当前中国在这方面已取得了大量成果，但离高精度业务化运行真实性检验站网还有较大的差距，尚未满足日益增长的高精度高频次真实性检验的需求，已成为影响中国定量遥感研究和应用推广的重要因素。今后需加紧相关的理论研究与场网建设，并结合中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，进一步完善已建成的真实性检验场网体系，提高站点测量数据的精度和频次，加快实现站网的业务化运行和验证报告的发布，不断完善高分和空基真实性检验系统，为中国对地观测体系提供支撑，进一步推动中国定量遥感的发展。