高海亮，顧行發(fā)，周 翔，余 濤，陶 醉，王春梅，孫 源，董 文，李 斌

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

0 引言

遙感在獲取信息的過程中受到運(yùn)行環(huán)境、儀器狀態(tài)、大氣環(huán)境、地表類型和反演模型精度等多種因素的影響，其反演結(jié)果和地面實(shí)測結(jié)果可能有較大的差異。真實(shí)性檢驗(yàn)是利用獨(dú)立的方法，客觀評價(jià)遙感數(shù)據(jù)和遙感產(chǎn)品的真實(shí)性和準(zhǔn)確度，以及是否滿足載荷設(shè)計(jì)指標(biāo)和定量應(yīng)用精度的要求。真實(shí)性檢驗(yàn)是定量遙感應(yīng)用最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化、遙感反演模型的優(yōu)化、定量遙感的應(yīng)用和推廣具有不可替代的作用。

在20世紀(jì)80年代，真實(shí)性檢驗(yàn)就受到國際相關(guān)機(jī)構(gòu)的密切關(guān)注和重視。地球觀測衛(wèi)星國際委員會在1984年成立了定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)工作組，在全球范圍開展遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)的工作和相關(guān)研究[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國成立了MODIS遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)小組，對MODIS發(fā)展的各種全球陸地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行了系統(tǒng)的真實(shí)性檢驗(yàn)[2]。歐空局也隨之啟動了歐洲陸地遙感器驗(yàn)證計(jì)劃，針對歐洲和美國的衛(wèi)星開展遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)[3]。地球觀測衛(wèi)星國際委員會新設(shè)立了陸地產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)小組，并制定了陸地遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)指南與規(guī)范[4],提出了BELMANIP(Benchmark Land Multisite Analysis and Intercomparison of Products)計(jì)劃[5]。

近年來，國內(nèi)對真實(shí)性檢驗(yàn)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(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)的框架初步構(gòu)想。張仁華等[7]提出了“一檢兩恰”的驗(yàn)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(shí)性檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)開展深入的研究[8-14]。在場網(wǎng)建設(shè)方面，2018年，我國組建由24個(gè)站點(diǎn)組成的國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施真實(shí)性檢驗(yàn)場網(wǎng)(簡稱空基站網(wǎng))，后期擴(kuò)展至48個(gè)。2021年，我國開始構(gòu)建由42個(gè)站點(diǎn)組成的高分遙感真實(shí)性檢驗(yàn)站網(wǎng)。站點(diǎn)建成后將具備7類38種遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的能力。

綜上所述，我國對真實(shí)性檢驗(yàn)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(shí)性檢驗(yàn)站網(wǎng)系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及真實(shí)性檢驗(yàn)中的技術(shù)體系，提出自己的理解和設(shè)計(jì)，并針對當(dāng)前存在的問題，提出未來真實(shí)性檢驗(yàn)的發(fā)展原則，為后續(xù)我國遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)提供參考。

1 真實(shí)性檢驗(yàn)的概念和內(nèi)涵

真實(shí)性檢驗(yàn)是采用獨(dú)立的方法獲取代表地面真值的參考數(shù)據(jù)，通過對遙感數(shù)據(jù)或產(chǎn)品的對比分析，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)或產(chǎn)品精度驗(yàn)證和不確定度的評價(jià)。廣義的真實(shí)性檢驗(yàn)包括對衛(wèi)星載荷、遙感共性產(chǎn)品和遙感應(yīng)用產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)。

衛(wèi)星載荷的真實(shí)性檢驗(yàn)是對衛(wèi)星載荷狀態(tài)的驗(yàn)證，通常情況下是對載荷定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，其驗(yàn)證場地、驗(yàn)證方法和場地定標(biāo)對應(yīng)的場地和方法類似，目前已具備比較成熟的測量規(guī)則和驗(yàn)證流程。

遙感應(yīng)用產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)是指在各行業(yè)的具體應(yīng)用中，通過實(shí)地調(diào)查或綜合比較，對利用遙感影像和其他地面參數(shù)共同反演得到的遙感專題產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和評價(jià)。例如，農(nóng)作物遙感估算產(chǎn)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(shí)測數(shù)據(jù)和其他歷史數(shù)據(jù)作為支撐，且反演的產(chǎn)品可直接應(yīng)用到農(nóng)業(yè)估產(chǎn)領(lǐng)域。遙感應(yīng)用的真實(shí)性檢驗(yàn)應(yīng)和實(shí)際應(yīng)用效果相結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過遙感專題產(chǎn)品對多個(gè)地區(qū)、多年遙感專題產(chǎn)品的相對比較進(jìn)行驗(yàn)證。這一類產(chǎn)品和行業(yè)應(yīng)用直接對接，產(chǎn)品反演環(huán)節(jié)復(fù)雜，涉及的輸入?yún)?shù)來源眾多，一般難以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)環(huán)節(jié)的驗(yàn)證，只能對最終結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，本文對此未進(jìn)行詳細(xì)討論。

遙感共性產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)也稱為遙感基礎(chǔ)產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)，其反演的遙感產(chǎn)品不能直接應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)，是遙感應(yīng)用產(chǎn)品需要輸入的中間產(chǎn)品。遙感共性產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)方法主要有2種：地面測量驗(yàn)證法和衛(wèi)星交叉驗(yàn)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(shí)現(xiàn)共性產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)，這一部分也是本文闡述的重點(diǎn)。后者利用參考衛(wèi)星反演的產(chǎn)品和待驗(yàn)證衛(wèi)星反演的產(chǎn)品，通過時(shí)間、空間、角度和光譜的一致性校正，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星共性產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)。該方法不依賴地面實(shí)測數(shù)據(jù)，更側(cè)重不同衛(wèi)星之間的一致性校正，本文也不做討論。因此，本文將重點(diǎn)對基于地面測量的遙感共性產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行總體框架設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)分析。

2 真實(shí)性檢驗(yàn)總體架構(gòu)

真實(shí)性檢驗(yàn)總體架構(gòu)如圖1所示，由5部分組成：真實(shí)性檢驗(yàn)場站網(wǎng)建設(shè)、真實(shí)性檢驗(yàn)機(jī)理研究、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定制與發(fā)布、真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)和真實(shí)性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)開展。

(1) 真實(shí)性檢驗(yàn)場站網(wǎng)建設(shè)。由真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)和綜合實(shí)驗(yàn)場兩部分組成。真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)是在具有一定區(qū)域代表性的小面積區(qū)域，由單個(gè)單位定期開展的業(yè)務(wù)化測量實(shí)驗(yàn)，獲取一種或多種長時(shí)間序列的地面真值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遙感共性產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)。綜合實(shí)驗(yàn)場是指在具有較高的區(qū)域代表性，覆蓋多種典型地物類型的大面積區(qū)域，聯(lián)合多家單位，共同開展大型綜合實(shí)驗(yàn)，獲取多種遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的地面真值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多種共性產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)與評價(jià)，并為算法優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。

真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)和綜合實(shí)驗(yàn)場的主要區(qū)別表現(xiàn)在5個(gè)方面：① 實(shí)驗(yàn)場地面積。真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)的面積較小，一般由3～5個(gè)實(shí)驗(yàn)樣區(qū)組成，每個(gè)樣區(qū)的面積小于1 km2；綜合實(shí)驗(yàn)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(nèi)容和測量手段。真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)的測量內(nèi)容一般只有幾類，測量內(nèi)容少，測量主要以地面測量為主，測量手段單一；綜合實(shí)驗(yàn)場開展的實(shí)驗(yàn)往往包括10～30種遙感共性產(chǎn)品，測量內(nèi)容多，一般包括衛(wèi)星、無人機(jī)、有人機(jī)和地面不同尺度的測量。③ 承擔(dān)單位。真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)需要的人員和測量內(nèi)容少，一般由一個(gè)單位指定固定測量人員開展測量；綜合實(shí)驗(yàn)場需要的人員和測量內(nèi)容多，一般需要多個(gè)單位聯(lián)合開展。④ 測量頻次和實(shí)驗(yàn)周期。真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)的測量屬于小型實(shí)驗(yàn)，每次測量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)場的測量屬于大型綜合實(shí)驗(yàn)，一般每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為1～3個(gè)月，測量頻次低，每年在一個(gè)場地最多開展一次實(shí)驗(yàn)。⑤ 場地基礎(chǔ)。真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)需要當(dāng)?shù)鼐哂辛己玫幕A(chǔ)設(shè)施，穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和長期自動測量的儀器設(shè)備；綜合實(shí)驗(yàn)場可以在已有自動設(shè)備的站點(diǎn)測量，也可在無任何地面設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)開展實(shí)驗(yàn)。

(2) 真實(shí)性檢驗(yàn)機(jī)理研究。其關(guān)鍵技術(shù)可分為5個(gè)方面：① 場地甄選與評價(jià)；② 采樣策略研究；③ 尺度轉(zhuǎn)換模型研究；④ 共性產(chǎn)品驗(yàn)證方法研究；⑤ 真值獲取不確定度。關(guān)于每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的深入分析詳見第4節(jié)。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定制與發(fā)布。真實(shí)性檢驗(yàn)的規(guī)范包括3類：真實(shí)性檢驗(yàn)通用方法、真實(shí)性檢驗(yàn)場地甄選和布設(shè)規(guī)范以及各類遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)規(guī)范。其中，各類遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)規(guī)范又包括遙感共性產(chǎn)品的地面測量規(guī)范、產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范和產(chǎn)品驗(yàn)證規(guī)范。目前，國家已經(jīng)發(fā)布了一系列遙感真實(shí)性檢驗(yàn)規(guī)范，如遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)導(dǎo)則、陸地定量遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)通用方法和植被指數(shù)遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)等。但這些規(guī)范都較為宏觀，未考慮不同實(shí)驗(yàn)場地特征差異，因此在應(yīng)用到各個(gè)實(shí)驗(yàn)場地時(shí)需要根據(jù)站點(diǎn)具體情況進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

(4) 真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)。為了更好地開展真實(shí)性檢驗(yàn)工作，減少不同站點(diǎn)不同測量人員測量的差異，提交測量和驗(yàn)證的效率和精度，需要開展真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)。真實(shí)性檢驗(yàn)的系統(tǒng)按功能包括4個(gè)方面：① 地面測量數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動和手動數(shù)據(jù)的快速獲取；② 像元尺度真值獲取系統(tǒng)，將地面測量數(shù)據(jù)經(jīng)過尺度轉(zhuǎn)換，得到面尺度地面真值數(shù)據(jù)；③ 遙感共性產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙感共性產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化生產(chǎn)；④ 遙感共性產(chǎn)品驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙感共性產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)。

(5) 真實(shí)性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)開展。在完成場地建設(shè)、理論研究、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定和驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，需要組織人員定期開展星地同步實(shí)驗(yàn)，獲取衛(wèi)星過境時(shí)刻的地面真值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遙感共性產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)。按實(shí)驗(yàn)階段可分為：① 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。完成實(shí)驗(yàn)方案的制定和發(fā)布、開展儀器的標(biāo)定、測量人員的培訓(xùn)、衛(wèi)星過境時(shí)刻查詢、場地甄選及測量方案的確定等準(zhǔn)備工作，確保實(shí)驗(yàn)的順利開展。② 實(shí)驗(yàn)期間的測量工作。在衛(wèi)星過境前后1～3 d，在地面開展星地同步實(shí)驗(yàn)，按規(guī)范獲取實(shí)驗(yàn)場地的地面測量數(shù)據(jù)，同時(shí)具備完整的測量記錄，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析和處理。③ 實(shí)驗(yàn)后的驗(yàn)證工作。在完成野外實(shí)驗(yàn)后，獲取衛(wèi)星過境時(shí)刻的衛(wèi)星影像，反演得到遙感共性產(chǎn)品，同時(shí)根據(jù)地面測量數(shù)據(jù)，得到像元尺度地面真值，最后，經(jīng)過星地匹配，實(shí)現(xiàn)遙感共性產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)，通過對驗(yàn)證的精度和不確定度進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)遙感共性產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)報(bào)告撰寫和對外發(fā)布。

圖1 真實(shí)性檢驗(yàn)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of validation

3 真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)體系

真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)體系如圖2所示，包括5個(gè)部分：場地甄選與評價(jià)、空間采樣優(yōu)化、尺度轉(zhuǎn)換模型、遙感共性產(chǎn)品驗(yàn)證評價(jià)和地面真值獲取不確定度分析。

圖2 真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)體系Fig.2 Technical system of validation

(1) 場地甄選與評價(jià)。場地甄選和評價(jià)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)性檢驗(yàn)評價(jià)的首個(gè)環(huán)節(jié)，也是確保真實(shí)性檢驗(yàn)精度的核心和基礎(chǔ)。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，雖然完全均勻的場地不存在，但不同場地的異質(zhì)性仍存在顯著的差異。一般情況下，其選擇的場地大小應(yīng)至少有3×3個(gè)像元。為了更好地實(shí)現(xiàn)不同空間分辨率遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)，需提前確定場地的位置和大小。

本文提出標(biāo)準(zhǔn)化真實(shí)性檢驗(yàn)場地的概念。將所有不同空間分辨率衛(wèi)星的驗(yàn)證場地分為3類：低分辨率衛(wèi)星驗(yàn)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(wèi)星的真實(shí)性檢驗(yàn)；中分辨率衛(wèi)星驗(yàn)證場，場地大小為300 m，主要用于16(不含)～100 m空間分辨率衛(wèi)星的真實(shí)性檢驗(yàn)；高分辨率衛(wèi)星驗(yàn)證場，場地大小為50 m，主要用于小于16 m的空間分辨率衛(wèi)星的真實(shí)性檢驗(yàn)。以高分系列衛(wèi)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(wèi)星驗(yàn)證場；高分四號和高分五號可采用中分辨率衛(wèi)星驗(yàn)證場。研究結(jié)果表明，在采樣數(shù)量和尺度轉(zhuǎn)換方法相同的情況下，場地的空間異質(zhì)性和測量真值的不確定度呈線性相關(guān)，場地的空間異質(zhì)性推薦采用變異系數(shù)(Coefficient of Variation，CV)，當(dāng)CV=0.20時(shí)，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(zhì)性小的場地是提高驗(yàn)證不確定度的前提和基礎(chǔ)。

(2) 空間采樣優(yōu)化?？臻g采樣方法的確定是開展野外星地同步驗(yàn)收試驗(yàn)的前提，可分為3類：① 隨機(jī)采樣方法；② 系統(tǒng)采樣方法；③ 基于參考影像的采樣方法。

隨機(jī)采樣是在整個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)隨機(jī)測量，該方法往往適用于場地均勻的小樣區(qū)測量，例如在定標(biāo)場或平坦均勻的沙地，可利用該方法進(jìn)行測量。

系統(tǒng)采樣一般用于缺少高分辨率參考影像，且場地異質(zhì)性較小的場地，例如，我國在敦煌場地對氣象衛(wèi)星進(jìn)行定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn)時(shí)，往往利用3+5+3的11點(diǎn)測量方法，具體采樣方法參考文獻(xiàn)[16]，進(jìn)行定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn)。該方法也常用于地物單一的其他地物類型，如農(nóng)田、草地和裸土等。氣象衛(wèi)星采樣方法如圖3所示。

圖3 氣象衛(wèi)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(jìn)行采樣方案的設(shè)計(jì)。根據(jù)參考影像的不同，又可分為基于衛(wèi)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(wèi)星的真實(shí)性檢驗(yàn)，其驗(yàn)證的場地應(yīng)大于100 m。后者更適合高分辨率衛(wèi)星的真實(shí)性檢驗(yàn)，其驗(yàn)證的場地往往小于100 m。前者可在試驗(yàn)出發(fā)前根據(jù)早期的衛(wèi)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(shí)間密切相關(guān)，若參考影像獲取的日期和試驗(yàn)日期接近，且地表未發(fā)生顯著變化，則采樣的精度較高。后者需要到達(dá)試驗(yàn)場地后，在試驗(yàn)前提前對場地進(jìn)行成像，其采樣精度主要受地面和無人機(jī)影像配準(zhǔn)的影響。

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

算術(shù)平均法是最簡單的方法，也是最常用的方法，把多點(diǎn)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(diǎn)數(shù)量；mi為第i個(gè)測點(diǎn)測量值。

加權(quán)平均法關(guān)鍵在于權(quán)重的設(shè)定，需要利用高分辨率參考影像確定各點(diǎn)的權(quán)重：

(2)

式中，ki為第i次測量值的權(quán)重系數(shù)，所有權(quán)重系數(shù)的和為1：

(3)

每個(gè)權(quán)重系數(shù)計(jì)算式為：

(4)

克里格插值法通過給已知樣本點(diǎn)賦權(quán)重，計(jì)算其他點(diǎn)的預(yù)測值，即：

(5)

式中，Z(si)為已測量的第i個(gè)位置的屬性值；wi為在第i個(gè)位置上測得值的權(quán)重；s0為待插值的位置；N為已知樣點(diǎn)的數(shù)目。在克里格插值中，權(quán)重不僅考慮已知點(diǎn)與插值點(diǎn)之間的距離，而且考慮已知點(diǎn)位置和屬性值整體的空間分布和格局。克里格插值的權(quán)重來自半方差函數(shù)模型，在半方差函數(shù)模型和鄰近已知點(diǎn)的空間分布的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)內(nèi)的各個(gè)位置進(jìn)行預(yù)測，最終得到計(jì)算出所有點(diǎn)的預(yù)測值?？死锔癫逯捣椒ㄐ枰^多的數(shù)據(jù)，一般情況下該數(shù)據(jù)量不應(yīng)小于100，計(jì)算中的樣本對最小不應(yīng)小于20，否則結(jié)果可能不穩(wěn)定。

趨勢面法是利用數(shù)學(xué)曲面模擬地理要素在空間上的分布及變化趨勢的一種數(shù)學(xué)方法。它實(shí)質(zhì)上是通過回歸分析的原理，運(yùn)用最小二乘法擬合一個(gè)二維非線性函數(shù)，模擬地理要素在空間上的分布規(guī)律，展示地理要素在地域上的變化趨勢。根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)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(gè)測點(diǎn)，二次趨勢面至少需要6個(gè)點(diǎn)，三次趨勢面至少需要10個(gè)點(diǎn)。具體趨勢面計(jì)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(diǎn)-面-面轉(zhuǎn)換方法是利用高分辨率遙感影像為橋梁，實(shí)現(xiàn)像元尺度地面真值的獲取[21]。首先，利用地面測量數(shù)據(jù)，將高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，得到高分辨率面尺度真值產(chǎn)品。然后，將高分辨率真值產(chǎn)品進(jìn)行聚合，得到低分辨率真值產(chǎn)品。最終，實(shí)現(xiàn)遙感產(chǎn)品的驗(yàn)證和評價(jià)。該方法主要適用于低分辨率遙感衛(wèi)星，其驗(yàn)證的不確定度主要來自高分辨率遙感影像自身的定標(biāo)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(shí)刻的天氣差異引起的不確定度等。根據(jù)高分辨率影像時(shí)相的不同，又可分為高分辨率真值傳遞方法和時(shí)空趨勢面方法。前者基于單個(gè)時(shí)相的高分辨率遙感影像；后者基于多時(shí)相的高分辨率遙感影像。

(4) 遙感共性產(chǎn)品驗(yàn)證評價(jià)。驗(yàn)證包括3類：① 基于單個(gè)場地單個(gè)影像的產(chǎn)品驗(yàn)證；② 基于單個(gè)場地多個(gè)時(shí)相的產(chǎn)品驗(yàn)證；③ 基于多個(gè)場地多個(gè)時(shí)相的產(chǎn)品驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證目的和已有地面真值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同類型的遙感共性產(chǎn)品驗(yàn)證。

(5) 地面真值獲取不確定度分析。驗(yàn)證的不確定度包括3個(gè)方面：測量不確定度、尺度轉(zhuǎn)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(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差；ηh為高分辨率數(shù)據(jù)存在的隨機(jī)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(zhì)性，當(dāng)?shù)乇聿淮嬖诋愘|(zhì)性時(shí)，σh=0；?f為模型的非線性程度，當(dāng)模型為線性模型時(shí)，?f=0；t為修正因子。目前不確定度分析大多數(shù)定性的研究，如何實(shí)現(xiàn)不確定度的定量計(jì)算，是未來需要研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 真實(shí)性檢驗(yàn)存在的問題及未來發(fā)展原則

近年來，隨著衛(wèi)星的發(fā)射和定量應(yīng)用的深入，國家對真實(shí)性檢驗(yàn)的研究越來越重視，真實(shí)性檢驗(yàn)方面也取得了大量的成果。真實(shí)性檢驗(yàn)的研究還處于起步階段，主要存在以下幾個(gè)方面的不足。

(1) 當(dāng)前的真實(shí)性檢驗(yàn)缺乏可操作性的驗(yàn)證方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。雖然我國已經(jīng)發(fā)布了一系列的真實(shí)性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并構(gòu)建了空基真實(shí)性檢驗(yàn)站網(wǎng)(48個(gè)站點(diǎn))和高分真實(shí)性檢驗(yàn)站網(wǎng)(42個(gè)站點(diǎn))，但這些站點(diǎn)地表特征差異很大，且站點(diǎn)基礎(chǔ)也不一致，目前已發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和測量方法，無法直接用于現(xiàn)有的站點(diǎn)，后續(xù)仍需要進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

(2) 當(dāng)前的真實(shí)性檢驗(yàn)研究更側(cè)重真實(shí)性檢驗(yàn)理論和方法的研究，而對產(chǎn)品驗(yàn)證結(jié)果的分析和不確定度定量分析的研究較少。和定標(biāo)相比，真實(shí)性檢驗(yàn)的研究還有很大的差距。首先，定標(biāo)對場地、天氣的選擇要求明確，可用于定標(biāo)的場地和天氣數(shù)量有限，而真實(shí)性檢驗(yàn)需要對不同地物類型不同場地開展驗(yàn)證，地表類型復(fù)雜，尺度轉(zhuǎn)換誤差大，導(dǎo)致測量的精度較低。其次，定標(biāo)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和不確定度分析方法，可實(shí)現(xiàn)定標(biāo)各環(huán)節(jié)的不確定度分析，得到總的不確定度。而真實(shí)性檢驗(yàn)的處理過程更復(fù)雜，且很多環(huán)節(jié)的不確定度難以定量計(jì)算，導(dǎo)致無法得到像元尺度總的不確定度。最后，定標(biāo)針對的是衛(wèi)星載荷，不同場地、不同定標(biāo)方法的定標(biāo)結(jié)果具有較高的一致性，而真實(shí)性檢驗(yàn)針對的是遙感產(chǎn)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(dǎo)致不同場地、不同方法的真實(shí)性檢驗(yàn)結(jié)果差異較大，其真實(shí)性檢驗(yàn)結(jié)果的可信度較低。

(3) 全國范圍的真實(shí)性檢驗(yàn)研究尚未業(yè)務(wù)化開展。雖然目前已經(jīng)初步形成了一系列真實(shí)性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和真實(shí)性檢驗(yàn)場網(wǎng)，但目前這些站點(diǎn)的建設(shè)和測量工作尚處于起步階段，其中空基的首批24個(gè)站點(diǎn)目前處于試運(yùn)行階段，對真值獲取數(shù)據(jù)處理和不確定度分析研究尚有很大的不足，而高分的42個(gè)站點(diǎn)和空基新增的24個(gè)站點(diǎn)尚不具備驗(yàn)證的能力。目前缺少可對外共享的驗(yàn)證數(shù)據(jù)和驗(yàn)證案例，距離真正的業(yè)務(wù)化真實(shí)性檢驗(yàn)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(gè)原則，以推動遙感真實(shí)性檢驗(yàn)的快速發(fā)展。

(1) 先易后難，循序漸進(jìn)的原則。針對我國國產(chǎn)衛(wèi)星的真實(shí)性檢驗(yàn)需求，選擇核心且重要的遙感共性產(chǎn)品開展研究。例如，我國國產(chǎn)陸地衛(wèi)星的空間分辨率大都小于100 m，因此，在選擇真實(shí)性檢驗(yàn)場地時(shí)，建議重點(diǎn)對300，50 m場地的真實(shí)性檢驗(yàn)方法開展研究。此外，目前國產(chǎn)衛(wèi)星主要是多光譜載荷，未來應(yīng)將重點(diǎn)放在對地表反射率、植被指數(shù)和植被覆蓋度等多光譜可反演的產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)方法的研究。待后續(xù)更多新載荷發(fā)射以及真實(shí)性檢驗(yàn)達(dá)到一定成熟度后，再重點(diǎn)開展其他產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)研究。

(2) 理論聯(lián)系實(shí)踐的原則。今后在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定，數(shù)據(jù)處理和方法研究方面，不僅要考慮理論方法的先進(jìn)性和復(fù)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(qū)，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(shí)性檢驗(yàn)，后期需要結(jié)合站點(diǎn)的實(shí)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(shù)據(jù)，而在實(shí)踐操作中，由于空域、經(jīng)費(fèi)和天氣等因素的限制，在日常的真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)中，很難在實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行航空飛行測量。因此，后續(xù)的研究應(yīng)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(shí)性檢驗(yàn)工作需要對多個(gè)場地多個(gè)產(chǎn)品開展研究，不是一個(gè)單位一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)可以完成的。為了更好地開展真實(shí)性檢驗(yàn)工作，需要在未來加強(qiáng)多個(gè)單位的合作交流，共同開展真實(shí)性檢驗(yàn)的工作。而為了確保多個(gè)單位的有效合作，必須堅(jiān)持開放共享、合作共贏的原則，一方面要加強(qiáng)技術(shù)交流和數(shù)據(jù)成果共享，另一方面也要確保數(shù)據(jù)和技術(shù)提供者的權(quán)益，做到合作共贏，以便更好地推動真實(shí)性檢驗(yàn)工作的開展。

5 結(jié)束語

基于近3年開展的相關(guān)工作基礎(chǔ)，結(jié)合目前國內(nèi)真實(shí)性檢驗(yàn)的研究現(xiàn)狀，提出了真實(shí)性檢驗(yàn)的總體框架和技術(shù)體系，并對當(dāng)前真實(shí)性檢驗(yàn)存在的問題和未來發(fā)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(shí)性檢驗(yàn)研究的發(fā)展和真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)。

真實(shí)性檢驗(yàn)是遙感地面系統(tǒng)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(yīng)用推廣的重要因素。今后必須加緊相關(guān)的理論研究與科學(xué)試驗(yàn)，并結(jié)合我國的真實(shí)性檢驗(yàn)的發(fā)展規(guī)劃，做好真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，深入、系統(tǒng)、全面地開展遙感真實(shí)性檢驗(yàn)的理論研究，建立適用于多個(gè)真實(shí)性檢驗(yàn)站點(diǎn)的遙感真實(shí)性檢驗(yàn)的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和方法，在此基礎(chǔ)上，針對我國已經(jīng)發(fā)射和即將發(fā)射的衛(wèi)星載荷和遙感產(chǎn)品，開展遙感共性產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)研究，逐步建立并不斷完善高分和空基真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)，為我國對地觀測體系提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步推動我國定量遙感的發(fā)展。