GB/T 40039-2021 土壤水分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 40039—2021

　　土壤水分遥感产品真实性检验

　　validationofsoilmoistureremotesensingproducts

　　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 40039—202 1

　　GB/T 40039—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：中国科学院西北生态环境资源研究院、北京师范大学、中国科学院空天信息创新研究院、国家卫星气象中心、中国科学院青藏高原研究所。

　　本标准主要起草人：晋锐、亢健、马春锋、朱忠礼、冉有华、赵天杰、武胜利、李新、刘照言。

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　　引 言

　　土壤水分是全球气候系统核心变量之一，在地表和大气能量水分平衡中发挥重要作用。 土壤水分直接决定降水转化为蒸散发、入渗及产流的比例，是陆地水资源形成、转化、消耗过程中的基本变量。 此外，土壤水分还是植被生长的基本物质条件，影响植被光合作用速率和土壤微生物呼吸。 土壤水分遥感产品已成为气候、气象、水文、生态及农业等领域必不可少的关键参量。

　　土壤水分遥感产品的真实性检验是独立评价土壤水分遥感产品准确度和不确定度的基本方法。 但目前对土壤水分遥感产品质量的客观评价和定量检验尚缺乏标准可依。 因此，有必要形成一套合理、规范、可行的土壤水分遥感产品真实性检验标准，保证土壤水分遥感产品在相关研究和应用中的质量和一致性。

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　　土壤水分遥感产品真实性检验

　　1 范围

　　本标准规定了土壤水分遥感产品真实性检验的基本要求、检验方法和检验报告。

　　本标准适用于全球和区域尺度土壤水分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(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　3 术语和定义

　　GB/T 28418—2012、GB/T 36296—2018、GB/T 39468—2020 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　土壤水分 soilmoisture

　　吸附于土壤颗粒和存在于土壤孔隙中的水。

　　注：主要为液态水，少数为寒冷季节冻结的固态冰和以水汽形式存在的气态水。

　　3.2

　　土壤体积含水量 volumetricsoilmoisture

　　单位体积土壤包含的液态水体积。

　　注：单位为立方厘米每立方厘米(cm3 /cm3 )。

　　3.3

　　土壤重量含水量 gravimetricsoilmoisture

　　土壤质量含水量

　　土壤中保持的液态水质量与干土质量的比值。

　　注：单位为克每克(g/g)。

　　3.4

　　土壤容重 bulkdensity

　　单位体积原状土壤中的干土质量。

　　注：单位为克每立方厘米(g/cm3 )。

　　4 基本要求

　　土壤水分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：

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　　a) 参考对象应为与待检土壤水分遥感产品相同或邻近时期(不超过 24 h)的同一区域土壤水分数据。

　　b) 参考对象和待检土壤水分遥感产品应同为土壤体积含水量;如为土壤重量含水量，应通过土壤容重转换为土壤体积含水量。

　　c) 参考对象应涵盖验证区中的主要地表类型(除水体、冰雪、城镇和建设用地外)，且每种主要地表类型宜包含高、中、低三种土壤水分情况。

　　d ) 参考对象的均方根误差应小于 0 .04 cm3 /cm3 。

　　5 检验方法

　　5 . 1 检验方法选择

　　土壤水分遥感产品的真实性检验方法包括直接检验法和间接检验法。 根据参考对象的可获取性选择相应的检验方法：

　　a ) 应优先选择土壤水分地面同步测量数据作为参考对象，采用直接检验法;

　　b) 当无土壤水分地面同步测量数据时，可利用已检土壤水分产品作为参考对象，采用间接检验法。

　　5 . 2 直接检验法

　　5 . 2 . 1 概述

　　直接检验法操作流程应符合 GB/T 36296—2018 中 8 . 1 的规定，主要操作流程见图 1 。

　　图 1 直接检验法操作流程

　　5 . 2 . 2 验证区选择

　　当待检土壤水分遥感产品空间分辨率粗于或等于 5 km 时，应至少选择待检土壤水分遥感产品1 个像元对应的地表区域作为验证区;当待检土壤水分遥感产品的空间分辨率优于 5 km 时，应至少选择待检土壤水分遥感产品 2 × 2 个像元对应的地表区域作为验证区。验证区应与待检土壤水分遥感产品保

　　持空间匹配。

　　收集验证区与土壤水分相关的先验信息，按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 2 的规定判断土壤水分在

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　　空间上的差异性。 先验信息可采用土壤水分、地表热惯量、地表温度、植被指数、土壤蒸发效率等，先验信息的空间分辨率应不低于待检土壤水分遥感产品的空间分辨率。

　　5 . 2 . 3 样本选择

　　根据验证区土壤水分空间异质性分析结果，按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 3 . 1 选择适用的空间抽样模型确定样本位置;验证区内每个像元的样本量不低于 4 个，且每种主要地表类型至少有 1 个样本。

　　5 . 2 . 4 地面数据同步测量

　　按照 5 . 2 . 3 确定的样本位置，开展土壤水分的地面同步测量，具体要求如下：

　　a ) 应对原状土进行测量。

　　b) 如待检土壤水分遥感产品为表层土壤水分，地面测量深度应在 0 cm~10 cm 之间;如待检土壤水分遥感产品为根区土壤水分，地面测量深度应根据植被根系确定。

　　c) 优先采用 自动监测仪器测量土壤水分。自动监测仪器的基本技术条件应符合 GB/T 28418 — 2012 的规定，还应满足测量数值 范 围 为 0 cm3 /cm3 ~ 0. 6 cm3 /cm3 , 测量分辨率不低 于

　　0.001 cm3 /cm3;自动监测仪器的测量误差应经烘干法进行标定，绝对误差不高于 0.03 cm3 /cm3 ,测量结果重复性标准差不大于 0 .02 cm3 /cm3 。

　　d) 自动监测仪器测量土壤水分包括固定位置连续测量和移动式测量两种方式。固定位置连续测量可采用与待检土壤水分遥感产品获取时间最近的观测值作为样本测量值，移动式测量则应在同一样本位置连续测量至少两个土壤水分后计算均值作为样本测量值。

　　e) 如未配备自动监测仪器，可采用环刀法。在同一样本位置采集至少两个原状土样测量土壤水分后计算均值作为样本测量值，测量方法见附录 A。

　　5 . 2 . 5 像元尺度相对真值确定

　　根据待检土壤水分遥感产品的空间分辨率、验证区土壤水分空间异质性以及样本的空间代表性，按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 4 . 1 选择对应情形和方法，将样本测量值尺度转换为与待检土壤水分遥感产品像元分辨率和空间一致的相对真值。

　　5 . 2 . 6 准确度评价

　　按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的均方根误差、相关系数、平均误差、平均绝对误差、相对误差、平均相对误差、平均绝对相对误差等准确度评价指标定量表达待检土壤水分遥感产品的准确度。 准确度评价指标计算方法参见 GB/T 36296—2018 附录 A。

　　5 . 2 . 7 不确定度分析

　　按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 2 规定的标准差、方差、协方差、标准不确定度等不确定度评价指标定量表达待检土壤水分遥感产品的不确定度。 不确定度评价指标计算方法参见 GB/T 36296—2018 附录 B。

　　5 . 3 间接检验法

　　已检土壤水分产品的空间分辨率应不低于待检土壤水分遥感产品的空间分辨率。宜采用 GB/T 36296— 2018 中 8. 2. 1 规定的交叉检验法，具体操作流程见图 2 。 主要步骤如下：

　　a) 空间一致性检查：当待检土壤水分遥感产品与已检土壤水分产品的像元分辨率不同或空间不匹配时，对已检土壤水分产品采用空间平均方法进行尺度转换。

　　b) 样本选择：当待检土壤水分遥感产品像元数小于或等于 10 000 时，可直接对所有像元进行比

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　　较验证;当像元数大于 10 000 时，采用满足统计意义的空间抽样方法进行样本选择，样本选取方法和样本量确定参见 GB/T 39468—2020 附录 B。

　　c) 准确度评价：当待检土壤水分遥感产品的时间跨度小于 15 天时，分析待检土壤水分遥感产品与已检土壤水分产品之间空间分布的一致程度;当待检土壤水分遥感产品的时间跨度大于或等于 15 天时，还应检验待检土壤水分遥感产品与已检土壤水分产品时间变化趋势的一致程度 。按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 1 规定的均方根误差、相关系数、平均误差、平均绝对误差、相对误差、平均相对误差、平均绝对相对误差等准确度评价指标定量表达待检土壤水分遥感产品的准确度。 准确度评价指标计算方法参见 GB/T 36296—2018 附录 A。

　　d) 不确定度分析：按照 GB/T 36296—2018 中 6.2 规定的标准差、方差、协方差、标准不确定度等不确定度评价指标定量表达待检土壤水分遥感产品的不确定度。 不确定度评价指标计算方法参见 GB/T 36296—2018 附录 B。

　　图 2 间接检验法操作流程

　　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;

　　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。

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　　6 . 2 正文信息

　　6 . 2 . 1 待检土壤水分遥感产品概述

　　描述待检土壤水分遥感产品的数据源、时空覆盖范围、时空分辨率、投影方式、数据单位、数据格式，以及产品算法等内容。

　　6 . 2 . 2 参考对象描述

　　描述参考对象的测量仪器、测量方法、测量时间、测量位置、数据单位、数据格式、数据处理流程、尺度转换方法以及数据质量等内容。

　　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;

　　b ) 检验流程;

　　c ) 评价指标。

　　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) 总体评价：描述待检土壤水分遥感产品的总体精度、时间连续性、空间连续性等。

　　b) 准确度评价：定量给出各准确度评价指标的统计结果，描述待检土壤水分遥感产品的准确度，在不同地表类型和不同土壤水分条件的准确度，以及与参考对象空间分布和时间变化的一致程度。

　　c) 不确定度分析：描述观测误差、代表性误差、尺度转换误差以及待检土壤水分遥感产品的不确定度。

　　d) 对待检土壤水分遥感产品提出完善建议。

　　6 . 2 . 5 附加信息

　　对土壤水分遥感产品真实性检验过程中的问题进行说明和描述。

　　6 . 3 检验报告信息简表

　　土壤水分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

　　(规范性附录)

　　土壤水分测量方法 — 环刀法

　　环刀法测量土壤水分的具体方法如下：

　　a) 根据土壤中石砾含量选取不同规格的环刀：石砾含量小于 10%时，采用体积为 100 cm3 ~200 cm3的环刀;石砾含量大于或等于 10%时，采用体积为 500 cm3 的环刀。

　　b) 准备体积大于环刀体积 20%以上的空铝盒，洗净烘干，称重并记录铝盒重 犠0 。

　　c) 使用环刀取得原状土，取样时应用力均匀、避免压实土样。

　　d) 环刀取得的土样全部移入铝盒放置并盖好盒盖密封保存，尽快带回实验室分析。

　　e) 实验室内采用精度不低于 0.01 g 的电子天平进行称重，并记录湿土+铝盒重 犠湿 。

　　f) 揭开盒盖，放入烘箱，在 105 ℃下烘干至恒重(前后两次称重相差不大于 0.02 g);从烘箱中取出铝盒，盖好盒盖，冷却至室温，立即用电子天平称重，并记录干土+铝盒重犠干 。测定有机质或根系含量较高的土样时，烘箱温度可适当调低至 85 ℃ ~90 ℃。

　　g) 记录测量数据(见表 A.1) ,按式(A.1) ~式(A.3)计算土壤水分：

　　犕 犠干

　　犕V = 犕W × ρb …………………………( A.3 )

　　式中：

　　犕W — 土壤重量含水量，单位为克每克(g/g) ;

　　犠湿 — 湿土+铝盒重，单位为克(g) ;

　　犠干 — 干土+铝盒重，单位为克(g) ;

　　犠0 — 铝盒重，单位为克(g) ;

　　ρb — 土壤容重，单位为克每立方厘米(g/cm3 ) ;

　　犞环 — 环刀体积，单位为立方厘米(cm3 ) ;

　　犕V — 土壤体积含水量，单位为立方厘米每立方厘米(cm3 /cm3 )。

　　表 A.1 环刀法土壤水分数据记录表

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 1526—1989 信息处理 数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定

　　[2] GB/T 3358 . 1—2009 统计学词汇及符号 第 1 部分：一般统计术语与用于概率的术语

　　[3] GB/T 3358 . 2—2009 统计学词汇及符号 第 2 部分：应用统计

　　[4] JJF 1059 . 1—2012 测量不确定度评定与表示

　　[5] QX/ T 75—2007 土壤湿度的微波炉测定