衛星遙感影像ET產品規范研究

索建軍

【摘 要】遙感技術發展為蒸散發（ET）產品系列化、規模化生產及應用提供了先決條件。目前基于遙感影像生產的ET產品很多，但產品的形式、穩定性、精度、元數據信息等差異較大，為了統一ET產品的生產、質量及服務標準，促進ET產品更加廣泛地應用，需要制定ET產品規范。基于水利部948項目遙感地面校驗系統引進及應用技術開發研究，本文給出衛星遙感影像ET產品規范建議稿主要條款，供進一步探討研究。

【關鍵詞】衛星遙感影像；ET；產品；規范

中文分類： TV211.2；TP79；P332.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0121-003

Research on Specification of Satellite Remote Sensing Image ET Products

SUO Jian-jun

（Water Resources and Hydropower Engineering Survey and Design Institute， Xinjiang Uygur Autonomous Region， Ministry of Water Resources， Urumqi 830001， China）

【Abstract】The development of remote sensing technology provides preconditions for the serialization， scale production and application of ET products. At present， there are many ET products based on remote sensing image production， but the form， stability， accuracy， and metadata information of the products are quite different. In order to harmonize the production， quality， and service standards of ET products， and promote the wider application of ET products， it is necessary to establish ET product specification. Based on the introduction of the Remote Sensing Ground Calibration System of the Ministry of Water Resources and its application technology research and development， this paper presents the main provisions of the satellite LTE product specification specification for further study.

【Key words】Satellite remote sensing image； ET； Product； Specification

0 引言

蒸散發（ET）是刻畫陸面生態過程的關鍵參數，是水循環和現代水資源管理的重要分量[1-2]。ET研究是水利、農業、氣象、生態環境等領域的重要內容[3]。ET的監測和控制是區域實現嚴格水資源管理、高效節約用水和可持續發展的技術基礎。

遙感技術發展為高時間分辨率、高空間分辨率、高精度ET監測提供了基礎，為ET產品系列化、規模化生產及應用提供了先決條件。目前基于遙感影像生產的ET產品很多，但由于衛星、傳感器、處理方法、驗證方法等存在差異，致使ET產品的形式、穩定性、精度、元數據信息等存在較大差異，這極大地影響了ET產品的交換和應用。為了統一ET產品的生產、質量及服務標準，促進ET產品更加廣泛地應用，需要制定ET產品規范。

隨著我國遙感技術的快速發展，遙感數據資源將越來越豐富。ET產品的生產和應用將更加廣泛，未來產品的格局將是：基于多渠道遙感數據、由多企業、按統一標準生產多類型ET產品，產品廣泛深入地融入社會生產與生活。因此有必要對ET產品規范開展深入研究與探討。

1 總則

（1） 標準適用于農業、水利、氣象、環境、信息系統建設等領域與服務。

（2）衛星遙感ET數據可以基于不同的衛星遙感數據、模型反演生產。通過對ET數據進行空間裁剪、時段平均、精度標定以及其它相關屬性標注形成ET產品。依據地面ET監測對ET數據進行精度標定。基于ET產品開展應用和服務。

（3）標準制定引用了水土保持遙感監測技術規范[4]、遙感影像平面圖制作規范[5]、國家基本比例尺地形圖分幅和編號[6]、衛星遙感影像植被指數產品規范[7]、攝影測量與遙感術語[8]等。

2 術語

2.1 ET產品術語

（1）蒸散發（ET）。為蒸發與蒸騰（Evapotranspiration）的簡稱，有時它也被稱為總蒸發，是指陸表與大氣的水分交換量，是土壤、水體的蒸發（Evaportion）與植物蒸騰（Transpiration）的總稱。

（2）遙感反演ET：指主要基于遙感數據通過模型計算陸面特定時間、特定區域ET數據的過程。

（3）ET數據：指主要基于衛星遙感反演的ET實數數值集，數值代表絕對量大小，符號代表蒸散方向，正數向上，負數向下，零代表凝結與蒸散處于平衡狀態。

（4）ET產品：是ET數據與ET屬性的總稱。范式可為：ET產品=ET數據+ET屬性。

（5）基礎數據：指生產ET數據所使用的原始數據，主要包括遙感、水文氣象等。是一個相對術語，針對不同數據意義有所不同。

（6）中間數據：指生產ET數據所使用的由基礎數據轉換或計算而來的數據，有時也叫中間參數，是一個相對術語，針對不同類數據可能有所不同，如反照率、植被指數、覆蓋度、凈輻射、感熱通量、陸面溫度等。

（7）ET產品屬性：定義ET數據的特性，屬性指標包括名稱、序列號、位置、范圍、分幅編號、分區類型、基礎數據、反演模型、時間分辨率、幾何分辨率、ET數據精度、ET精度級別、穩定性、校驗方式、校驗站名、產品格式、服務形式、服務機構、應用范圍、高級元數據序列號等。

（8）ET產品名稱：采用正則名稱。有四種命名形式，即地域名稱+ET產品名稱、用途+ET產品名稱、主要遙感數據+ET產品名稱、主要ET模型+ET產品名稱。

（9）ET產品類型：依據ET產品的時間、空間、精度等單屬性或組合屬性對ET產品進行分類得到的產品類型名。

（10）ET產品級別：通過地面監測ET對遙感反演ET數據進行精度檢驗，最終確定的數據精度級別。

（11）ET產品幾何精度。指ET產品的空間分辨率，主要取決于基礎遙感數據最小空間分辨率。

（12）ET產品穩定性。指按規定質量生產ET產品的時間頻率，一般指年、月、日ET產品數量比率。如月ET產品率30%。

2.2 常用基礎數據術語

常用基礎數據術語主要包括：衛星遙感數據、氣象數據、水文數據、ET監測數據等。ET監測數據指地面ET監測系統獲取的ET數據，如渦動相關系統、閃爍儀系統、蒸滲系統等ET數據。

2.3 其它通用術語

主要包括輻射通量、輻射亮度、輻射校正、輻射定標、幾何校正、大氣校正、地表反射率、植被指數、反照率、輻照度、亮溫度、時間分辨率、空間分辨率等。

3 一般規定

指生產ET產品所遵守的一般規定，主要包括6項，見圖1：

（1）產品坐標系統。平面坐標系統和投影系統執行GB/T 15968的相關規定。采用坐標系統包括WG84橢球體，UTM投影坐標系統；高斯-克呂格西安坐標系統；高斯-克呂格新北京坐標系統。提供坐標參數，橢球體名稱、投影名稱、投影參數。

（2）產品的分幅。分幅和編號，執行GB/T 13989的相關規定。

（3）中間數據生產要求。中間數據生產應符合相應規范要求，如：植被指數制作應符合GB/T 30115的相關規定。

（4）ET數據精度分級。包括ET數據精度和ET幾何精度兩種分級方式。ET數據幾何精度由空間數據的空間分辨率定義，ET數據精度等級由地面校驗系統標定。

（5）產品屬性規定。ET產品至少包括基本屬性指標。元數據可僅提供基本元數據，反演模型可僅提供模型類型，流程可僅提供計算過程框架。

（6）ET數據格式。文本格式為x，y，ET，中間為“，”分隔，或“空格”分隔。圖像格式可采用TIF、ENVI，PCI、IMG圖像格式。

4 ET數據提取

4.1 ET提取模型

（1）遙感ET反演模型。一般應采用地表能量平衡模型反演ET，也可采用溫度-植被指數特征空間模型、經驗統計模型、數據同化模型等。也可采用新開發的模型。

（2）對于新開發遙感反演ET模型的建議。根據目前遙感反演ET模型特點和不足，建議開發下一代遙感反演ET模型，其特征如下：采用基于能量平衡的模型，對監測環境具有自適應性或者稱之為彈性模型；模型參數化依據場理論參數化，并考慮多場變量的耦合性作用；模型支持多源數據的利用； 模型為分布模型，ET反演依托大數據中心完成；需要分布式地面ET校驗支持；遙感反演日ET精度大于90%，空間分辨率高于10米，時間分辨率高于4-24小時。

4.2 瞬時ET提取流程

基于能量平衡的瞬時ET提取主要包括4個子過程，見圖2

圖2 能量平衡ET計算流程

（1）預處理。對遙感和水文氣象等數據進行預處理。遙感數據預處理主要包括不合格影像剔除、輻射校正、幾何校正和大氣校正等。

（2）參數反演。利用預處理后數據，基于參數反演模型反演有關參數。如地表反照率、植被指數、凈輻射等。

（3）通量計算。基于通量模型反演能量平衡式各個通量分項，如感熱、潛熱、土壤通量等。不同ET反演模型其通量計算方式可能有所不同。

（4）ET數據反演。基于中間數據和ET模型反演瞬時ET或日ET。基于能量平衡的ET反演模型較多，建議采用SEBAL模型和互補關系模型反演ET。

1）SEBAL能量平衡方程

SEBAL依據近地表大氣能量守恒原理估算ET，能量守恒方程見（1）

Rn-G=H+λET（1）

其中：Rn：凈輻射，單位：W/m2；

G：地表向下的熱通量，單位：W/m2；

H：感熱通量，單位：W/m2；

λET：潛熱通量，單位：W/m2。

2）互補關系模型ET計算方程見（2）

式中：ETa：實際蒸散；a：常數；Δ：溫度飽和水汽壓曲線斜率；？酌：干濕表常數；Rn：地表凈輻射；G：土壤熱通量；EA：干燥力。

5 ET尺度擴展

時間尺度拓展可采用經驗模型、正弦關系法、蒸發比法、參考蒸發比法、表面阻抗法、天文輻射比法和數據同化法等。應根據影像數據和地面觀測條件，選擇合適方法。時間尺度擴展流程見圖3。

圖3 時間尺度擴展流程

6 ET數據后處理

（1）ET數據時段平均。根據日ET通過時段平均計算更大時間尺度ET，如旬、月、季、年ET。

（2）ET數據拼接或裁剪。 依照ET產品要求，按國家標準分幅或區域邊界對ET數據進行拼接或裁減。

（3）分區統計.按專題分類對ET進行分區統計，如土地利用分區、作物類型分區、景觀生態分區、行政區劃分區等。

7 ET產品分級

（1）ET空間分辨率分級.將ET計算采用的遙感數據中最低空間分辨率作為ET產品空間分辨率。依據ET空間分辨率對ET進行空間分辨率分級。

①低分辨率ET 空間分辨率大于50m；

②中分辨率ET 空間分辨率在5-50m之間；

③高分辨率ET 間分辨率小于5m。

（2）ET精度分級.依據地面觀測ET對遙感反演ET數據精度進行檢驗，并確定其精度級別。產品精度采用正確率表示。根據準同步地面監測與衛星遙感反演ET接近程度表示。具體分為六級如下：

1級 精度≥90%；

2級 90>精度≥85%；

3級 85>精度≥80%；

4級 80>精度≥75%；

5級 75>精度≥60%；

6級 精度<60%。

（3）ET地面真實檢驗站點。ET地面真實校驗點為ET已知的地面連續像素集的統稱，像素數1-N，像素分布最好接近于正方形。這些像素通過地面儀器和設施，可以準確得到其ET平均值。為了對地面一定區域ET進行監測，需要建設ET站點，或稱作遙感反演ET地面檢驗場。根據校驗點的ET數據獲取方式和影響范圍，可將ET站點分為基本站點，一般站點，插值點三類。

基本站點：安裝配套儀器設備，可以精確獲取觀測場ET，并可對一般站點提供校正。

一般站點：安裝簡單ET監測儀器設施，可以單獨或借助基本站點獲取精確ET。

插值點：根據基本站點、一般站點通過明確的機理關系或幾何插值得到ET。ET與參考站相關性應達到85%以上。

（4）ET地面真實檢驗。根據參與ET真實檢驗的站點數量，分為單點和多點兩種檢驗方式。根據參與ET真實檢驗時間序列點數，分為單時刻、多時刻或單序列三種檢驗方式。

單時刻檢驗：通過對比參考點與瞬時ET，計算反演ET精度。

多時刻檢驗：通過對比參考點與多個瞬時ET產品、日ET、月ET、或年ET等，計算反演ET產品的整體精度。

單序列ET檢驗：通過對比參考點ET與序列日ET、月ET或年ET等，計算反演ET產品的整體精度。

8 ET產品屬性標注

確定ET數據相聯系的產品屬性以及元數據信息。元數據包括基本元數據和高級元數據，前者與產品屬性指標一致。 后者主要包括7類信息即：

（1）原始影像數據元數據，包括高級元數據序列號，圖像數據；

（2）氣象數據元數據，包括高級元數據序列號，氣象數據；

（3）其他數據元數據，包括高級元數據序列號，其他數據元數據；

（4）模型元數據，包括高級元數據序列號，模型名稱、模型編號、模型參數；

（5）校驗元數據，包括高級元數據序列號，校驗樣點坐標、ET數據、地物特性、誤差、校驗機構、校驗人。

為保證ET生產商的權益，高級元數據可不向用戶提供，僅用于生產跟蹤。

9 ET產品包裝

主要是將ET數據及元數據按規定格式制作成壓縮數據包。壓縮包應包括4個目錄，即（下轉第120頁）（上接第123頁）ET數據、基本信息、基礎元數據、高級元數據。

10 產品發布

根據用戶需要形式，ET產品發布可采用通用購物模式、定制服務模式、專項服務模式、APP模式等。

通用購物模式：ET產品供應商通過公用網絡平臺發布ET產品信息，用戶根據需要，選擇產品并購入，類似網購。

定制服務模式：ET產品供應商按政府購買合同、或大用戶需要，構建發布渠道，定期向用戶推送ET產品。

專項服務模式。ET產品供應商根據用戶需要，制作特定ET產品，通過郵寄方式向用戶提供ET產品。

app服務模式。 ET產品供應商或公益機構，將生產的ET標準產品制作成app，供用戶下載使用，類似地圖服務模式。供應商為政府機構或公益機構。

11 結論

（1）文中提出ET產品精度標定分級，但標定過程和算法需要進一步研究，尤其是基于多時空尺度的標定算法與標準；

（2）提出遙感反演ET模型的推薦方法，其它方法也適應，不對新模型開發進行限制；

（3）為盡快達成統一，盡量簡化ET作為產品的屬性項。各行業可根據需要在統一屬性基礎上，制定本行業次級屬性。

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