GB/T 40033-2021 地表蒸散发遥感产品真实性检验

　　ICS 07 . 040 A 77

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40033—2021

　　地表蒸散发遥感产品真实性检验

　　validationoflandsurfaceevapotranspirationremotesensingproducts

　　2021-04-30 发布 2021-1 1-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40033—202 1

　　GB/T 40033—202 1

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国科学院提出。

　　本标准由全国遥感技术标准化技术委员会(SAC/TC 327)归口 。

　　本标准起草单位：北京师范大学、重庆市勘测院、邯郸学院、西南大学、二十一世纪空间技术应用股份有限公司、中国科学院青藏高原研究所、中国科学院空天信息创新研究院。

　　本标准主要起草人：刘绍民、贾贞贞、徐自为、张圆、徐同仁、马燕飞、宋立生、姚云军、周会珍、李新、刘照言。

　　GB/T 40033—202 1

　　引 言

　　地表蒸散发是植被蒸腾和土壤、水体、植被冠层截留降水的蒸发以及冰雪升华的总和，是地表能量平衡和水循环的重要分量。 遥感技术是获取时空连续地表蒸散发的有效手段之一，业已发布了多种全球尺度和区域尺度地表蒸散发遥感产品。 由于算法和数据的限制，地表蒸散发遥感产品不可避免存在误差，需要对其进行真实性检验。 但由于验证数据、检验方法和评价指标等的差异，目前真实性检验结果不具备可比性，因此需要制定科学、规范的地表蒸散发遥感产品真实性检验标准。

　　GB/T 40033—202 1

　　地表蒸散发遥感产品真实性检验

　　1 范围

　　本标准规定了地表蒸散发遥感产品真实性检验的基本要求、检验方法和检验报告。

　　本标准适用于日/月/年全球尺度和区域尺度地表蒸散发遥感产品的真实性检验。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改版)适用于本文件。

　　GB/T 36296—2018 遥感产品真实性检验导则

　　GB/T 39468—2020 陆地定量遥感产品真实性检验通用方法

　　3 术语和定义

　　GB/T 36296—2018 和 GB/T 39468—2020 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　地表蒸散发 landsurfaceevapotranspiration

　　液态水或固态水通过陆地表层的植被、土壤、水体、冰雪等界面变为水汽进入大气的过程。

　　注 1 ：包括植被蒸腾，土壤、水体和植被冠层截留降水的蒸发，以及冰雪的升华。

　　注 2：单位为毫米(mm)。

　　3.2

　　通量源区 fluxsourcearea

　　对通量观测值有主要贡献的上风向区域。

　　注：可通过仪器观测值与近地层表面源/汇空间分布的传输函数在特定区域上积分得到。

　　4 基本要求

　　地表蒸散发遥感产品真实性检验应符合 GB/T 36296—2018 中第 7 章的规定，并满足下列要求：

　　a) 参考对象应与待检地表蒸散发遥感产品处于相同时间的同一区域;

　　b) 参考对象应涵盖检验区域主要地表类型，具有高、中、低地表蒸散发值;

　　c) 参考对象应首选地面观测地表蒸散发数据，也可选用与待检地表蒸散发遥感产品投影方式相同、时空分辨率一致的已检或多种待检地表蒸散发遥感产品(或模型产品、再分析数据等)，或已检地表蒸散发影响因子数据。

　　5 检验方法

　　5 . 1 检验方法选择

　　根据参考对象的可获取性选择相应的检验方法：

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　　a) 当检验区域有地面观测地表蒸散发数据作为参考对象时，应采用直接检验法;

　　b) 当检验区域无地面观测地表蒸散发数据，但有已检地表蒸散发遥感产品(或模型产品、再分析数据等)作为参考对象，或待检地表蒸散发遥感产品有 3 种及以上时，应采用间接检验法中的交叉检验法;

　　c) 当检验区域无地面观测地表蒸散发数据、无已检地表蒸散发遥感产品(或模型产品、再分析数据等)，且待检地表蒸散发遥感产品少于 3 种，但有已检地表蒸散发影响因子数据时，应采用间接检验法中的时空变化趋势分析检验法。

　　5 . 2 直接检验法

　　检验流程应符合 GB/T 36296—2018 中 8 . 1 的规定，主要操作流程见图 1,具体步骤如下：

　　a) 地表蒸散发地面观测数据选择：在检验区域内，选取涵盖主要地表类型，具有高、中、低地表蒸散发量的地面观测站，并优先选择地表均质的地面观测站，通过测量获得地表蒸散发地面观测数据，地面观测仪器及使用方法参见附录 A;同时，考虑观测数据的质量与时间连续性，宜选用质量标识为高、中等的数据，参见 A. 3 。

　　b) 空间配准：将地面观测站位置与待检地表蒸散发遥感产品像元进行匹配，对地面观测站通量源区的范围与相应的遥感产品像元进行几何配准。

　　c) 地表空间异质性分析：按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 2 的规定分析地面观测站通量源区所在像元的地表空间异质性。

　　d) 地表蒸散发相对真值获取：结合地表空间异质性分析结果，获取像元尺度或区域尺度地表蒸散发相对真值，获取方法参见附录 B。

　　e) 准确度评价：按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的准确度评价指标定量表达待检地表蒸散发遥感产品的像元尺度或区域尺度准确度。

　　f) 不确定度分析：按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 2 规定的不确定度评价指标以及 GB/T 39468 — 2020 中 6 . 2 规定的不确定性评价方法对直接检验过程不确定度进行分析。

　　图 1 直接检验法操作流程

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　　5 . 3 间接检验法

　　5 . 3 . 1 交叉检验法

　　检验流程应符合 GB/T 36296—2018 中 8 . 2 . 1 的规定，主要操作流程见图 2,具体步骤如下：

　　a) 参考对象选择：宜选取与待检产品时间分辨率一致的已检地表蒸散发遥感产品(或模型产品、再分析数据)或 3 种及以上待检地表蒸散发产品作为参考对象。

　　b) 时间一致性判断：判断待检地表蒸散发遥感产品与参考对象时间分辨率是否一致。 若待检产品与参考对象的时间分辨率不一致，可通过时间尺度平均法进行升尺度，获取与待检产品时间分辨率一致的数据作为参考对象。

　　c) 空间配准：对待检地表蒸散发遥感产品与参考对象进行几何配准。

　　d) 空间一致性判断：判断待检地表蒸散发遥感产品与参考对象是否一致。 如果一致，可直接采用参考对象作为相对真值;否则，宜采用双线性内插法进行升尺度，将待检地表蒸散发遥感产品与参考对象的空间分辨率保持一致，获取空间分辨率一致的参考对象作为相对真值。

　　e) 准确度评价：若有已检地表蒸散发遥感产品时，按 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的准确度评价指标定量表达待检地表蒸散发遥感产品的准确度;若没有已检地表蒸散发遥感产品，但有3 种及以上待检地表蒸散发遥感产品时，宜使用三重检验法或三角帽法(参见附录 C) 计算待检地表蒸散发遥感产品的准确度。

　　f) 不确定度分析：按 GB/T 36296—2018 中 6. 2 规定的不确定度评价指标以及 GB/T 39468 — 2020 中 6 . 2 规定的不确定性评价方法对交叉检验过程不确定度进行分析。

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　　图 2 交叉检验法操作流程

　　5 . 3 . 2 时空变化趋势分析检验法

　　检验流程应符合 GB/T 36296—2018 中 8 . 2 . 3 的规定，主要操作流程见图 3,具体步骤如下：

　　a) 参考对象选择：宜选取与待检产品时间、空间分辨率一致的已检地表蒸散发影响因子数据作为参考对象;如果待检产品与参考对象的时间、空间分辨率不一致，可分别通过时间尺度平均法、双线性内插法进行升尺度，获取与待检产品时间、空间分辨率一致的影响因子数据作为参考对象。

　　注：地表蒸散发影响因子包括辐射、空气温度、空气湿度和风速等气象因子，植被指数、叶面积指数等植被因子，以及土壤水分等土壤因子。 影响因子数据可来源于遥感产品、模型产品与再分析数据等。

　　b) 空间配准：将待检地表蒸散发遥感产品与参考对象进行几何配准。

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　　c) 时空变化趋势分析：在一定时空范围内，对待检地表蒸散发遥感产品、参考对象分别进行时间、空间变化趋势分析，获取时空变化规律。

　　d) 变化趋势比对：对待检地表蒸散发遥感产品的时空变化趋势与参考对象的时空变化趋势进行比较，分析待检地表蒸散发遥感产品与参考对象的时空变化趋势一致性。

　　e) 准确度评价：按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的准确度评价指标定量表达待检地表蒸散发遥感产品的准确度。

　　f) 不确定度分析：按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 2 规定的不确定度评价指标以及 GB/T 39468 — 2020 中 6 . 2 规定的不确定性评价方法对时空变化趋势分析检验过程不确定度进行分析。

　　图 3 时空变化趋势分析检验法操作流程

　　6 检验报告

　　6 . 1 封面信息

　　检验报告封面应包括以下信息：

　　a) 检验报告编号;

　　b) 检验报告名称;

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　　c) 检验负责人;

　　d) 检验核对人;

　　e) 检验签发人;

　　f) 检验单位;

　　g) 送检单位;

　　h) 检验时间。

　　6 . 2 正文信息

　　6 . 2 . 1 待检地表蒸散发遥感产品概述

　　对待检地表蒸散发遥感产品进行描述，宜包括：

　　a) 产品的数据源、时空覆盖范围、时空分辨率、投影方式、数据格式以及产品的适用性等;

　　b) 产品主要算法以及特点等。

　　6 . 2 . 2 参考对象描述

　　对作为参考对象的验证数据集进行描述，宜包括：

　　a) 验证数据集的常规信息，包括名称、地面观测站的情况(如观测站名称、经纬度、海拔高度、地表类型、测量仪器与布设情况)、数据格式、时空覆盖范围、时空分辨率、投影方式等;

　　b) 验证数据集的处理与质量评价描述;

　　c) 验证数据集的适用性描述。

　　6 . 2 . 3 检验方法及流程

　　对采用的检验方法和检验过程进行描述，宜包括：

　　a) 检验方法和流程概述;

　　b) 检验结果的评价指标;

　　c) 检验过程的记录要求;

　　d) 检验结果的存档。

　　6 . 2 . 4 真实性检验结论

　　对真实性检验结果进行描述，宜包括：

　　a) 真实性检验结果总体评价：描述所检验地表蒸散发遥感产品的总体精度。

　　b) 分项指标评价：描述所检验地表蒸散发遥感产品在不同区域、不同时间尺度的精度;描述所检验地表蒸散发遥感产品在不同地表类型的精度。

　　c) 检验过程不确定性分析。

　　6 . 2 . 5 附加信息

　　对地表蒸散发遥感产品真实性检验过程中的非常规问题进行说明与描述。

　　6 . 3 检验报告信息简表

　　地表蒸散发遥感产品检验报告信息简表的编制参见 GB/T 36296—2018 附录 D。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　地表蒸散发地面观测仪器及使用方法

　　A.1 观测仪器

　　A.1 . 1 涡动相关仪

　　涡动相关仪观测通量源区在几十米至几百米，宜用于检验中高分辨率地表蒸散发遥感产品。

　　A.1 . 2 闪烁仪

　　分为近红外闪烁仪、近红外闪烁仪与微波闪烁仪组成的双波段闪烁仪两种，观测通量源区在 1 km~ 5 km,宜用于检验中低分辨率地表蒸散发遥感产品。

　　A.1 . 3 仪器组成

　　由传感器、数据采集器以及供电装置组成。

　　A.2 使用方法

　　A.2 . 1 观测场地选择

　　确定观测对象后，仪器宜安装在受毗邻生态系统干扰最小的地点，并对当地主风向做出分析，以保证观测期内风主要来自期望测量的下垫面方向，或通量源区在 1 个或数个待检像元内。

　　A.2 . 2 仪器安装与调试

　　A.2 . 2 . 1 涡动相关仪和闪烁仪宜安装在地面观测站的观测塔上。

　　A.2 . 2 . 2 涡动相关仪宜安装在距地表或植被冠层上方 1 . 5 m 及以上处，其中涡动相关仪的超声风速仪水平泡处于平衡状态，并使超声风速仪对准当地主风向或正北。 涡动相关仪的安装支臂长度宜大于观测塔塔体宽度的 2 倍 。

　　A.2 . 2 . 3 闪烁仪包括发射仪和接收仪，宜南北向放置，并使光径路线尽量垂直于观测站的主风向。 双波段闪烁仪中的近红外闪烁仪的安装宜综合考虑地面观测站地表蒸散发的大小和观测场地情况，确定光径长度、发射仪与接收仪的安装高度;微波闪烁仪根据近红外闪烁仪的光径长度、安装高度进行安装。

　　A.2 . 2 . 4 在正式供电前，仔细检查线路的接法是否正确。

　　A.2 . 2 . 5 仪器调试渐进进行，宜保证观测变量在合理的范围之内。

　　A.2 . 3 数据采集

　　数据采集使用远程无线采集或人工现场采集方式。

　　A.2 . 4 标定

　　A.2 . 4 . 1 在室内或室外用标准气体和露点发生器对涡动相关仪的红外气体分析仪进行标定，在低速风洞中对超声风速仪进行标定。

　　A.2 . 4 . 2 在室外平坦、均质地表和天气晴好条件下，用标定好的涡动相关仪对闪烁仪进行标定。

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　　A.3 数据处理与质量控制

　　A.3 . 1 涡动相关仪数据处理与质量控制

　　A.3 . 1 . 1 对涡动相关仪观测的高频湍流数据进行预处理、通量计算及必要修正等，获得 30 min 平均周期的地表蒸散发，再结合数据插补方法获得不同时间尺度( 日 、月、年)的地表蒸散发。

　　A.3 . 1 . 2 对涡动相关仪观测误差(系统误差和随机误差)以及涡动相关仪的理论与假设满足程度(方差检验、正态性检验、功率谱与协谱分析、湍流平稳性与发展充分性检验以及能量平衡闭合评价)进行分析，获得各时次涡动相关仪观测数据的质量标识(高、中等、低)。

　　A.3 . 2 闪烁仪数据处理与质量控制

　　A.3 . 2 . 1 对闪烁仪观测的空气折射指数结构参数值进行处理，得到空气温度结构参数、空气湿度结构参数和空气温湿度相关结构参数(近红外闪烁仪只能获得空气温度结构参数)，再结合气象数据通过迭代计算得到 30 min平均周期的地表蒸散发(近红外闪烁仪通过地表能量平衡方程余项法获得)，最后结合数据插补方法获得不同时间尺度( 日 、月、年)的地表蒸散发。

　　A.3 . 2 . 2 将不同大气稳定度状况下闪烁仪获取的空气折射指数结构参数值与基于莫宁-奥布霍夫相似理论获取的理论值进行比较，检验相似理论的适用性，从而评价闪烁仪观测数据的质量(高、中等、低)。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　地表蒸散发相对真值获取方法

　　B.1 像元尺度地表蒸散发相对真值获取方法

　　像元尺度地表蒸散发相对真值获取方法如下：

　　a) 对于均质地表，如果像元中仅有 1 个地面观测站，将地面观测地表蒸散发值作为地面观测站通量源区所在像元的相对真值;如果像元中有多个地面观测站，按照 GB/T 39468—2020 中

　　4 . 4 . 2 a)规定的均质地表的尺度转换方法获取地面观测站通量源区所在像元的相对真值。

　　b ) 对于非均质地表，当地面观测站通量源区大小与待检地表蒸散发遥感产品像元尺度相同或相近时，将地面观测地表蒸散发值作为地面观测站通量源区所在像元的相对真值;否则，结合地面观测值和辅助信息，按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 4 . 2 a)规定的非均质地表的尺度转换方法获取地面观测站通量源区所在像元的相对真值。

　　B.2 区域尺度地表蒸散发相对真值获取方法

　　区域尺度地表蒸散发相对真值获取的主要步骤：

　　a) 选取检验区域内多个地面观测站的地表蒸散发数据和辅助信息(地表蒸散发影响因子数据，例如：辐射、空气温度、空气湿度和风速等气象因子，植被指数、叶面积指数等植被因子，以及土壤水分等土壤因子);

　　b ) 在地面观测站按 GB/T 39468—2020 中 4 . 4 . 2 b)规定的尺度转换方法构建尺度转换模型，通过检验与分析优选合适的模型;

　　c) 在检验区域应用优选的模型，获取区域尺度地表蒸散发的相对真值。

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　地表蒸散发遥感产品准确度计算方法

　　C.1 方法的适用条件

　　C.1 . 1 交叉检验时，在没有已检地表蒸散发遥感产品，但有 3 种待检地表蒸散发遥感产品，且误差独立的情况下，宜使用三重检验法(triple collocation)计算待检地表蒸散发遥感产品的准确度。

　　C.1 .2 交叉检验时，在没有已检地表蒸散发遥感产品，且待检地表蒸散发遥感产品多于 3 种的情况下，宜使用三角帽法(three cornered hat)计算待检地表蒸散发遥感产品的准确度。

　　C.2 三重检验法

　　假设待检地表蒸散发遥感产品xi(i=1,2,3)可表示为真值ETtrue 的线性表达式，见公式(C. 1) :

　　xi = αi + βi ETtrue + εi ……………………( C. 1 )

　　式中：

　　xi —第 i种待检地表蒸散发遥感产品值;

　　ETtrue — 对应的真值(其为未知);

　　αi，βi —第 i种产品对应的校正系数;

　　εi — 随机误差，服从零均值分布假设。

　　按公式(C. 2)计算第 i(i=1,2,3)种与第 j(j=1,2,3)种待检地表蒸散发遥感产品的协方差：

　　Qij =Cov(xi，xj) ……………………( C.2 )

　　式中：

　　Qij —第 i(i=1,2,3)种与第 j(j=1,2,3)种待检地表蒸散发遥感产品的协方差值;

　　Cov —协方差运算符;

　　xi —第 i种待检地表蒸散发遥感产品值;

　　xj —第 j 种待检地表蒸散发遥感产品值。

　　当 i=j时，Qij即为方差。 经过以上运算可得到六个表达式，联立这六个表达式，将计算结果开平方，除以各产品均值，计算得到待检地表蒸散发遥感产品的准确度。

　　C.3 三角帽法

　　假设待检地表蒸散发遥感产品 xi(i=1,2,3,…, N)可表示为真值 ETtrue 与对应的随机误差 εi 之和，见公式(C. 3) :

　　xi=ETtrue + εi ……………………( C.3 )

　　从 N 个待检地表蒸散发遥感产品中随机选择一个参考产品(参考产品的选择不影响最终计算结果)，其余 N- 1 个产品分别与该参考产品进行作差运算。 假设这些产品时间序列长度为 M，则得到 一个 M×(N-1) 的矩阵容纳这些差值序列。 基于差值序列计算出其对应的协方差矩阵 C，并引入一个大小为 N × N 的未知矩阵V，表示不同产品的随机误差序列矩阵的协方差矩阵。V 矩阵的对角线元素为待检地表蒸散发遥感产品的误差方差，是待求变量，则协方差矩阵由公式(C. 4)计算：

　　C=K ·V · KT , K=[I，-U] ……………………( C.4 )

　　GB/T 40033—202 1

　　式中：

　　C — 协方差矩阵;

　　I —大小为(N-1) ×(N-1) 的单位矩阵;

　　U —大小为(N-1) 的向量 [1,1…1] T ;

　　K —单位矩阵 I 与向量 U 组成的大小为(N-1) × N 的矩阵;

　　V — 引入的大小为 N × N 的矩阵;

　　T — 转置运算符。

　　为了增加更多约束条件式，引入基于库恩塔克条件(Kuhn-Tucker) 的凸优化方法，从而使目标函数在约束条件下最小化得到一组自由参数解，进而得到 V 矩阵中其他未知的元素。 最后对 V 矩阵的主对角线元素(待检地表蒸散发遥感产品的误差方差)开平方，除以各产品均值，计算得到待检地表蒸散发遥感产品的准确度。