GB/T 40038-2021 植被指数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 40038—2021

　　植被指数遥感产品真实性检验

　　validationofvegetationindexremotesensingproducts

　　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 40038—202 1

　　GB/T 40038—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：中国科学院空天信息创新研究院、北京师范大学、中国科学院青藏高原研究所、北京大学、中国科学院地理科学与资源研究所。

　　本标准主要起草人：闻建光、彭菁菁、游冬琴、刘强、唐勇、肖青、柳钦火、李新、范闻捷、葛咏、吴骅、王新鸿、刘照言。

　　GB/T 40038—202 1

　　引

　　言

　　植被指数是两个或多个遥感传感器波段数据的线性或非线性组合而形成的系列指数，可用于诊断植被生长状态、绿色植被活力以及反演多种植被参数。

　　植被指数有多种具体的定义方式，如红光波段和近红外波段反射率比值组合的比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI)、降低土壤背景的土壤调节植被指数(SAVI)、对浓密植被区敏感的增强型植被指数(EVI)等。

　　具有红光和近红外波段的传感器反射率常用于计算植被指数，以此为基础多个全球植被指数产品业已发布。 由于数据和算法的限制，植被指数产品不可避免地存在误差，需要对其进行真实性检验以获得该产品的精度和不确定性。 以往由于验证的数据、流程、评价标准不同，得到的产品精度不具可比性，给用户定量化应用带来困难。 因此，有必要制定科学、规范的植被指数遥感产品真实性检验标准。

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　　植被指数遥感产品真实性检验

　　1 范围

　　本标准规定了植被指数遥感产品真实性检验的基本要求、检验方法和检验报告。

　　本标准适用于大气层底植被指数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

　　二向性反射率分布函数 bidirectionalreflectancedistributionfunction;BRDF

　　双向反射率分布函数

　　物体表面特定方向反射辐亮度的微增量与特定方向入射辐照度的微增量之比。

　　注：单位为每球面度(sr-1 ) 。

　　[GB/T 36299—2018,定义 3 . 6]

　　3.2

　　二向性反射率因子 bidirectionalreflectancefactor

　　双向反射率因子

　　物体表面向特定方向的反射辐亮度与相同辐照度条件下理想漫反射体在该方向上的反射辐亮度之比。

　　[GB/T 36299—2018,定义 3 . 7]

　　3.3

　　波段反射率 spectralreflectivity

　　物体对某一波段电磁波的反射辐射通量与其入射辐射通量之比。

　　3.4

　　波谱响应函数 spectralresponsefunction

　　描述遥感器对不同波长处入射辐射响应率的函数。

　　3.5

　　植被指数 vegetationindex

　　一种利用遥感影像不同谱段数据的线性或非线性组合而形成的能反映绿色植物的生长状况和分布的特征指数。

　　[GB/T 30115—2013,定义 3 . 11]

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　　4 基本要求

　　植被指数遥感产品真实性检验应符合 GB/T 36296—2018 第 7 章的规定，同时：

　　a) 参考对象应与待检植被指数遥感产品属于同一种植被指数，对应于相同或相近时期(植被指数时间变化率)的同一区域，并已知其数据质量。

　　b ) 参考对象应包含两种不同植被覆盖度的典型区域：

　　1) 低植被覆盖度区域，如稀疏植被覆盖区域;

　　2) 高植被覆盖度区域，如浓密植被覆盖区域。

　　c) 参考对象应首选地面测量数据进行植被指数遥感产品的真实性检验，宜选择与待检植被指数遥感产品对应波段和角度一致的地面传感器采集的反射率和植被指数。 在没有地面测量数据时，可选用与待检植被指数遥感产品对应波段和角度一致的已检植被指数遥感产品作为参考对象。

　　5 检验方法

　　5 . 1 检验方法选择

　　根据地表异质性、地面测量视场和待检植被指数遥感产品像元尺度，选择真实性检验方法：

　　a) 当待检植被指数遥感产品像元尺度不超过地面测量视场 1 . 5 倍时，应采用直接检验法。

　　b ) 当待检植被指数遥感产品像元尺度大于地面测量视场 1 . 5 倍时，若待检像元区域为均质地表，应采用直接检验法;若待检像元区域为非均质地表，应考虑尺度差异，采用基于地面测量与高分辨率遥感数据的多尺度逐级检验法。

　　c) 当检验区无地面测量数据时，采用基于已知精度植被指数遥感产品的交叉检验法。

　　5 . 2 直接检验法

　　5 . 2 . 1 参考对象的地面抽样方法

　　参考对象地面抽样方法如下：

　　a) 按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 2 的规定进行样区地表异质性评价。

　　b ) 样区选择应具有空间代表性，宜不小于 3 × 3 个待检植被指数遥感产品像元。

　　c) 样区地面测量时间与待检植被指数遥感产品时间差应依据植被指数时间变化率确定，通常宜不超过 5 天，变化较快的地表宜不超过 2 天 。

　　d) 按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 3 的规定进行抽样：对于均质样区，宜在区域内进行随机抽样或系统抽样;对于非均质样区，宜根据植被长势和植被类型在样区内进行分层抽样，使得层内相对均质，并在层内进行局部随机抽样以获取各层的植被指数。

　　5 . 2 . 2 检验流程

　　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) 样本选择：按 5 . 2 . 1 的规定进行地面抽样方法设计，确定样本。

　　b ) 地面二向性反射率因子测量：测量方法见附录 A。

　　c) 空间匹配：将地面采样点与待检植被指数遥感产品像元进行空间匹配。

　　d) 波谱转换：依据待检植被指数遥感产品对应波段的波谱响应函数，将地面测量的二向性反射率因子转换为与待检植被指数遥感产品对应的波段二向性反射率因子。

　　e) 角度一致性判断：判断地面测量的二向性反射率因子与待检植被指数遥感产品角度是否一致。若一致，可直接用于下一步检验;否则，利用地面样本的 BRDF 特性进行角度归一化，将地面

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　　测量的二向性反射率因子校正为与待检植被指数遥感产品角度相一致的二向性反射率因子。

　　f) 空间一致性判断：根据待检植被指数遥感产品像元面积大小，判断地面测量的二向性反射率因子空间尺度是否一致。 若一致，可直接用于下一步检验;否则，按 GB/T 39468—2020 中 4. 4. 1 的规定进行空间尺度转换，获取与待检植被指数遥感产品像元尺度相一致的二向性反射率因子。

　　g) 植被指数相对真值计算：采用待检植被指数遥感产品定义的波段反射率组合方法计算植被指数相对真值。 在植被指数计算过程中有经验系数的，应根据测量区域的特征精确赋值。

　　h) 准确度评价：按 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的准确度评价指标定量表达待检植被指数遥感产品的准确度。

　　i ) 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定量表达待检植被指数遥感产品的不确定度。

　　图 1 植被指数遥感产品直接检验操作流程

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　　5 . 3 间接检验法

　　5 . 3 . 1 基于地面测量与高分辨率遥感数据的多尺度逐级检验法

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

　　a) 高分辨率反射率影像数据准备：高分辨率反射率影像空间尺度应与地面测量的二向性反射率因子相同或相近，时间应与待检植被指数遥感产品相同或相近。

　　b ) 样本选择：按 5 . 2 . 1 的规定进行地面抽样方法设计，确定样本。

　　c) 地面二向性反射率因子测量：测量方法见附录 A。

　　d) 使用地面测量的二向性反射率因子验证高分辨率影像反射率：按 5 . 2 . 2 中 c)、d)和 e) 的规定，将地面测量的二向性反射率因子转换成与高分辨率影像一致的参考反射率，进行高分辨率反射率准确度和不确定度评价。 若高分辨率反射率准确度和不确定度满足用户既定阈值要求，可用于下一步检验;否则，重新准备高分辨率反射率影像数据并验证。

　　e) 高分辨率影像反射率波谱转换：依据待检植被指数遥感产品对应波段的波谱响应函数，将满足用户要求的高分辨率影像反射率转换为与待检植被指数遥感产品对应的波段反射率。

　　f) 角度一致性判断：判断高分辨率影像反射率与待检植被指数遥感产品角度是否一致。 若一致，可直接用于下一步检验;否则，根据样本 BRDF特性进行角度归一化，将高分辨率影像反射率校正为与低分辨率待检植被指数遥感产品角度相一致的反射率。

　　g) 空间尺度转换：按 GB/T 39468—2020 中 4 . 4 . 1 的规定，将经过验证的高分辨率影像反射率升尺度至低分辨率待检植被指数遥感产品相一致的空间尺度。

　　h) 植被指数相对真值计算：采用待检植被指数遥感产品定义的波段反射率组合方法计算低分辨率植被指数的相对真值。 在植被指数计算过程中有经验系数的，应根据测量区域的特征精确赋值。

　　i ) 准确度评价：按 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的准确度评价指标定量表达待检植被指数遥感产品的准确度。

　　j) 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定量表达待检植被指数遥感产品的不确定度。

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　　图 2 植被指数遥感产品多尺度逐级检验操作流程

　　5 . 3 . 2 基于已知精度植被指数遥感产品的交叉检验法

　　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 3,具体步骤如下：

　　a) 参考植被指数遥感产品选择：宜选用与待检植被指数遥感产品时间相同或相近的已检植被指数遥感产品作为参考对象。

　　b ) 空间匹配：将参考植被指数遥感产品与待检植被指数遥感产品进行几何匹配。

　　c) 波谱一致性判断：依据待检植被指数遥感产品对应波段的反射率波谱特征，判断参考植被指数遥感产品对应波段反射率波谱是否一致。 若一致，可进行下一步判断;若不一致，则应依据待检植被指数遥感产品和参考植被指数遥感产品的波谱响应函数，进行波谱转换。

　　d) 角度一致性判断：依据待检植被指数遥感产品的角度特征，判断参考植被指数遥感产品对应波段反射率角度是否一致。 若一致，可进行下一步判断;若不一致，则应依据参考植被指数遥感

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　　产品对应波段反射率的 BRDF特性进行角度归一化，将参考植被指数遥感产品校正为与待检植被指数遥感产品角度相一致的产品。

　　e) 空间一致性判断：根据待检植被指数遥感产品像元面积大小，判断参考植被指数遥感产品空间尺度是否一致。 若一致，可直接采用参考植被指数遥感产品作为检验相对真值;否则，按GB/T 39468—2020 中 4 . 4 . 1 的规定进行空间尺度转换，获取与待检植被指数遥感产品像元尺度相一致的参考植被指数遥感产品作为相对真值。

　　f) 准确度评价：按 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的准确度评价指标定量表达待检植被指数遥感产品的准确度。

　　g) 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定量表达待检植被指数遥感产品的不确定度。

　　图 3 植被指数遥感产品交叉检验操作流程

　　6 检验报告

　　6 . 1 封面信息

　　检验报告封面应包括以下信息：

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　　a) 检验报告编号;

　　b ) 检验报告名称;

　　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 待检植被指数遥感产品概述

　　对待检植被指数遥感产品进行描述，宜包括：

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

　　b ) 产品主要算法以及算法的特点等。

　　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、时空分辨率、测量方法、测量仪器、数据格式等;

　　b ) 验证数据集的质量评价描述;

　　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) 检验方法概述;

　　b ) 检验流程;

　　c) 检验结果的评价指标;

　　d) 检验过程的记录要求;

　　e) 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：描述所检验植被指数遥感产品的总体精度。

　　b ) 分项指标评价：描述所检验植被指数遥感产品在不同区域的精度;描述所检验植被指数遥感产品在不同植被类型的精度。

　　c) 分析检验过程中的不确定度。

　　6 . 2 . 5 附加信息

　　对植被指数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

　　植被指数遥感产品的检验报告信息简表编制参见 GB/T 36296—2018 附录 D。

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　　附 录 A

　　(规范性附录)

　　地面二向性反射率因子测量

　　A.1 测量设备

　　A.1 . 1 具有计算植被指数相关波段的成像或非成像设备可用于地面样本二向性反射率因子测量，波谱范围应为 380 nm~1 050 nm。 依据植被指数的定义，可计算植被指数。

　　A.1 . 2 多角度观测架(可选)：用于地面样本二向性反射率因子的多角度测量。

　　A.2 测量时间与环境条件

　　A.2 . 1 测量时段应为地方时 9 ∶ 30~15 ∶ 30,以确保太阳辐射在测量时间内稳定;如要求与卫星数据时间相近，测量时刻与卫星过境时刻间隔宜小于 0 . 5 h。

　　A.2 . 2 样区周围应具备良好通视条件，高度角 10°以上无近遮挡物，测量期间附近无运动物体。

　　A.2 . 3 样本应具有代表性。

　　A.2 . 4 测量时刻的气象条件：地面能见度宜优于 5 km;天空云量宜为晴或少云;风力应小于 3 级 。

　　A.3 其他要求

　　A.3 . 1 为减少测量人员 自然反射光对测量样本的影响，测量人员应身着深色服装。

　　A.3 . 2 测量过程中，测量人员和测量设备应垂直于太阳主平面。 记录员等其他成员应站立在测量人员身后，避免在样区内走动。

　　A.3 . 3 测量设备阴影对样本应无影响。

　　A.3 . 4 单一角度测量时仪器视场法线宜保持垂直向下。

　　A.3 . 5 多角度测量时至少包括太阳主平面、垂直太阳主平面，对于垄行结构作物还应包括顺垄和垂直垄两个平面。 对于植被的多角度测量宜选择低矮植被。

　　A.3 . 6 测量高度应依据传感器视场和地面样本确定，宜高于地面样本上表面 1 m。 对于垄行结构作物，仪器视场大小应至少 3 倍于植被垄行结构变化周期。

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 14950—2009 摄影测量与遥感术语

　　[2] GB/T 30115—2013 卫星遥感影像植被指数产品规范

　　[3] GB/T 36299—2018 光学遥感辐射传输基本术语