GB/T 41538-2022 地表发射率遥感产品真实性检验

　　ICS 35 . 240 . 70 CCS A 77

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 41538—2022

　　地表发射率遥感产品真实性检验

　　validationofsurfaceemissivityremotesensingproducts

　　2022-07-1 1 发布 2023-02-01 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 41538—2022

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 基本要求 2

　　5 检验方法 3

　　5 . 1 检验方法选择 3

　　5 . 2 直接检验法 3

　　5 . 2 . 1 实施条件和要求 3

　　5 . 2 . 2 空间异质性分析和空间抽样方法 3

　　5 . 2 . 3 地表发射率相对真值的获取方法 3

　　5 . 2 . 4 检验操作流程 4

　　5 . 3 交叉检验法 4

　　5 . 3 . 1 实施条件和要求 4

　　5 . 3 . 2 检验操作流程 5

　　6 检验报告 5

　　6 . 1 封面信息 5

　　6 . 2 正文信息 6

　　6 . 2 . 1 待检验地表发射率遥感产品概述 6

　　6 . 2 . 2 参考对象描述 6

　　6 . 2 . 3 检验方法及流程 6

　　6 . 2 . 4 真实性检验结论描述 6

　　6 . 2 . 5 附加信息 6

　　6 . 3 检验报告信息简表 7

　　附录 A(资料性) 均质地表发射率相对真值获取方法 8

　　附录 B(资料性) 非均质地表发射率相对真值获取方法 9

　　附录 C(资料性) 地表发射率真实性检验不确定度来源分析 10

　　附录 D(资料性) 地发射率遥感产品真实性检验报告信息简表样例 11

　　参考文献 13

　　Ⅰ

　　GB/T 41538—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国科学院提出。

　　本文件由全国遥感技术标准化技术委员会(SAC/TC 327)归口 。

　　本文件起草单位：昆明理工大学、中国科学院地理科学与资源研究所、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、中国科学院空天信息创新研究院、北京师范大学、中国科学院西北生态环境资源研究院、中国农业大学、首都师范大学。

　　本文件主要起草人：唐伯惠、李召良、李传荣、肖青、阎广建、吴骅、段四波、钱永刚、程洁、黎振华、吴学群、晋锐、黄健熙、钟若飞、邱实、刘照言。

　　Ⅲ

　　GB/T 41538—2022

　　Ⅳ

　　引

　　

　　言

　　地表发射率是热红外遥感反演中的一个关键特征参数，与地表温度有着同等重要的地位。 它是气候模型研究中的一个重要输入参数，也是地球表层系统过程中一个非常重要的特征物理量。 地表发射率是地表向外发射的热辐射与同温度同波长下黑体向外发射热辐射的比值，它与地表组成成分、地表粗糙度、土壤湿度、波长等因素有关。 目前，采用遥感手段反演区域地表发射率是获取大范围地表发射率的唯一可行途径，故开展像元尺度地表发射率遥感产品的真实性检验非常重要。

　　本文件结合国际上现有的各种地表发射率遥感产品的真实性检验方法，全面、系统、深入地开展了地表发射率遥感产品的真实性检验标准化研究，根据可能获取的各种检验数据，提出了地表发射率遥感产品的真实性检验方法与评价方法，使其在保证先进性的同时具有可操作性和普适性，为地表发射率遥感产品的精度评价和不确定度分析的规范化提供统一标准。

　　GB/T 41538—2022

　　地表发射率遥感产品真实性检验

　　1 范围

　　本文件规定了地表发射率遥感产品真实性检验的基本要求、检验方法和检验报告。

　　本文件适用于航空和航天遥感数据地表发射率反演产品的真实性检验。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;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。

　　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

　　[光谱]发射率[spectral]emissivity

　　[光谱]比辐射率

　　热辐射体的自身[光谱]辐[射]亮度与同温度同波长下的黑体的光谱辐[射]亮度之比，又称[光谱]比辐射率。

　　注：[光谱]发射率表达式见公式(1) 。

　　…………………………( 1 )

　　式中：

　　ε(λ,T)—光谱发射率;

　　λ —波长，单位为微米(μm) ;

　　T — 温度，单位为开尔文(K) ;

　　R(λ,T)—热辐射体的自身[光谱]辐[射]亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 ·sr ·μm)];

　　B(λ,T)—温度为 T 的普朗克函数，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr · μm)]。

　　3.2

　　通道发射率 channelemissivity

　　通道比辐射率

　　在传感器通道响应范围内，光谱发射率与通道光谱响应函数乘积的加权平均。

　　注：通道发射率表达式见公式(2) 。

　　………………………( 2 )

　　1

　　GB/T 41538—2022

　　式中：

　　εi —通道发射率;

　　i —传感器的通道号;

　　λmin —传感器通道范围内的最小波长，单位为微米(μm) ;

　　λmax —传感器通道范围内的最大波长，单位为微米(μm) ;

　　ε(λ,T)—光谱发射率;

　　RSR(λ) —传感器通道的光谱响应函数。

　　3.3

　　地表发射率 surfaceemissivity

　　地表比辐射率

　　消除了大气和地表温度影响后的一定波长范围内的通道发射率。

　　3.4

　　真实性检验 validation

　　通过独立方法评价待检遥感产品与客观实际的吻合程度并分析其不确定性的过程。

　　[来源：GB/T 36296—2018,3 . 2]

　　3.5

　　相对真值 relativetruevalue

　　对于给定的目的，可用其来代替真值的值。

　　注：通常，对于给定的目的，由于相对真值和真值充分接近，故认为相对真值和真值的差可忽略。

　　[来源：GB/T 36296—2018,3 . 4,有修改]

　　3.6

　　准确度 accuracy

　　测试结果或测量结果与真值间的一致程度。

　　[来源：GB/T 3358 . 2—2009,3 . 3 . 1]

　　3.7

　　不确定度 uncertainty

　　表征被测量值分散性，与测量结果相联系的非负参数。

　　注：定量说明了测量结果的质量，可用以指示测量结果的可信性、有效性的怀疑程度。

　　[来源：GB/T 36296—2018,3 . 10,有修改]

　　4 基本要求

　　地表发射率遥感产品真实性检验应符合 GB/T 36296—2018 中第 7 章的规定，并符合以下基本要求：

　　a) 参考对象应选取不同下垫面，且具有较长的时间序列;

　　b) 参考对象地表发射率值需具有较大的动态取值范围，包含水体、裸地和植被;

　　c) 当待检验对象和参考对象之间存在空间尺度差异时，获取与待检验对象空间尺度一致的地表发射率相对真值后再进行真实性检验;

　　d) 检验过程中同时考虑地类差异和季节差异等，分层次地给出地表发射率遥感产品的准确度和不确定度;

　　e) 当待检验对象中异常值较大(与平均值的偏差大于 3 倍标准差)或较多(大于样本数的 1/3)时，可用中值代替均值来表示待检地表发射率遥感产品和参考地表发射率遥感产品间的准确度和不确定度;

　　2

　　GB/T 41538—2022

　　f) 测量仪器的波长响应范围应大于待检验地表发射率产品对应的波长范围，仪器的光谱分辨率不低于 8 cm- 1 ;

　　g) 采用多种检验方法进行地表温度遥感产品真实性检验时，根据不确定度来源的分析，依次确定各检验方法的可靠性。

　　5 检验方法

　　5 . 1 检验方法选择

　　在地表发射率遥感产品真实性检验的实施过程中，应根据检验条件的差别，选择合适的检验方法：

　　a) 当存在质量可靠，且具有代表性的像元尺度地表发射率观测数据时，应选择直接检验法，并给出待检验地表发射率遥感产品的准确度和不确定度统计指标;

　　b) 当缺乏地面观测数据，但存在其他质量可靠的地表发射率遥感产品时，应选择交叉检验法，并给出待检验地表发射率遥感产品的准确度和不确定度统计指标。

　　5 . 2 直接检验法

　　5 . 2 . 1 实施条件和要求

　　直接检验法的实施条件和要求如下：

　　a) 验证场地的地形起伏度低于 0 . 3 m ;

　　b) 验证场地应具有大于 3 × 3 个载荷像元对应的地面面积，验证场地的地表类型均质或者地表类型简单且分布已知的非均质地表;

　　c) 对于植被地表，植被高度应低于 1 m ;

　　d) 卫星过境时刻晴空无云，风速小于 8 m/s ;

　　e) 地面观测时刻应与卫星过境时刻同步或准同步，地面仪器的观测天顶角与待检验地表发射率遥感产品对应的观测天顶角之差应小于 10°;

　　f) 宜同步观测气温、气压、风速和湿度等常规气象要素，以配合选择真实性检验的有效数据。

　　5 . 2 . 2 空间异质性分析和空间抽样方法

　　空间异质性分析和空间抽样方法如下：

　　a) 空间异质性分析，应分析高空间分辨率地表发射率遥感产品或者其他辅助参量的空间分布特征，例如地表覆盖类型、植被覆盖度或者归一化植被指数等，按 GB/T 39468—2020 中 4 . 2 确定验证场地的异质性;

　　b) 对于均质地表，应按 GB/T 39468—2020 中 4 . 3 . 1 的规定选择随机抽样方法或系统抽样方法，开展地面数据采集;

　　c) 对于非均质地表，应按照 GB/T 39468—2020 中 4 . 3 . 1 的规定，将验证场地细分为若干相对均质的子区域(端元)，并使用分层抽样方法对每个端元开展地面数据采集。

　　5 . 2 . 3 地表发射率相对真值的获取方法

　　地表发射率相对真值的获取方法如下。

　　a) 均质地表发射率相对真值的获取：按照 5 . 2 . 2 b) 的规定，在采样点上使用红外光谱仪进行测量 。设备采集的数据代表了观测视场角内的离地辐射亮度，需结合配套的辅助数据获取所需的地表发射率，获取方法见附录 A。

　　b) 非均质地表发射率相对真值的获取：应根据验证场地的异质性状况，按照 5 . 2 . 2 c) 的规定进行

　　3

　　GB/T 41538—2022

　　数据采集，并结合均质地表发射率获取方法获得像元尺度非均质地表发射率，获取方法见附录 B。

　　5 . 2 . 4 检验操作流程

　　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) 验证场地选择：按照 5 . 2 . 1 的要求确定验证场地;

　　b) 地表空间异质性分析：按照 5 . 2 . 2 的规定分析地表发射率采集仪器所在遥感像元的地表空间异质性;

　　c) 地表发射率相对真值的获取：结合地表空间异质性分析结果，按照 5 . 2 . 3 的规定，分别获取均质地表和非均质地表的地表发射率相对真值;

　　d) 时-空-谱-角一致性匹配：按照第 4 章 c)、f)和 5 . 2 . 1 e) 的规定，从待检验地表发射率遥感产品中选出时间、空间、光谱以及角度匹配的像元进行真实性检验;

　　e) 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地表发射率遥感产品的准确度，准确度评价指标至少应包括均方根误差、相关系数;

　　f) 不确定度分析：分析不确定度误差来源，分析方法见附录 C,并按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 2规定的不确定度评价指标定量表达地表发射率遥感产品的空间尺度不确定度，不确定度评价指标至少应包括标准差。

　　图 1 地表发射率直接检验流程图

　　5 . 3 交叉检验法

　　5 . 3 . 1 实施条件和要求

　　交叉检验法的实施条件和要求如下：

　　a) 具备精度已知的其他来源的地表发射率遥感产品作为参考对象，且其包括完备的产品描述、云和质量控制等标识;

　　b) 待检验和参考的地表发射率遥感产品在时间、空间、光谱和观测天顶角上存在一定交集;

　　c) 同一地理位置筛选出的交叉验证的匹配点对应的观测天顶角应小于 45°,待检验和参考地表发射率遥感产品分别对应的观测天顶角的差应小于 10°, 光谱范围一致，观测时间差应小于30 min ;

　　4

　　GB/T 41538—2022

　　d) 当参考对象和待检验地表发射率遥感产品的空间分辨率有差异，且系统几何定位精度可能不准确时应进行像元聚合处理，将两种地表发射率遥感产品重采样至更低一级的空间分辨率。

　　5 . 3 . 2 检验操作流程

　　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) 数据提取：首先根据云掩膜和质量标识，提取出待检验和参考地表发射率遥感产品中具有较高质量的发射率数据、坐标位置数据、观测天顶角数据以及观测时间数据。

　　b) 空间聚合判断：根据待检验和参考的地表发射率遥感产品空间分辨率以及系统几何定位精度，判断是否进行空间聚合。 如果两者空间分辨率不一致或者待检验产品的系统几何定位精度低于参考产品的空间分辨率时，则应进行空间聚合处理，如采用算数平均法。

　　c) 匹配点筛选：根据 5 . 3 . 1 c) 的规定进行匹配点筛选。

　　d) 准确度评价：按照 5 . 2 . 4 e) 的要求评价准确度。

　　e) 不确定度分析：分析不确定度误差来源，分析方法见附录 C,并按照 GB/T 36296—2018 中 6 . 2规定的不确定度评价指标，结合参考地表发射率遥感产品的质量控制标识，定量表达地表发射率遥感产品的不确定度，不确定度评价指标至少应包括标准差。

　　图 2 地表发射率交叉检验法流程图

　　6 检验报告

　　6 . 1 封面信息

　　检验报告封面应包括但不限于以下信息：

　　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;

　　5

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　　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 待检验地表发射率遥感产品概述

　　对待检验的地表发射率遥感产品进行描述，应包括但不限于以下信息：

　　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质量等;

　　b) 产品的类型，如波段、观测几何等;

　　c) 产品的主要算法以及算法的优缺点。

　　6 . 2 . 2 参考对象描述

　　根据确定的检验方法和收集到的数据，对作为参考对象的验证数据集进行描述，应包括但不限于以下信息：

　　a) 验证数据集的常规信息，包括名称、时空覆盖范围、时空分辨率、观测站点的情况(如经纬度、海拔高度、地表类型等)、测量方法、测量仪器与布设状况、数据格式等;

　　b) 验证数据集的处理与质量控制;

　　c) 验证数据集的适用性。

　　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，应包括但不限于以下信息：

　　a) 检验方法概述;

　　b) 检验流程;

　　c) 检验中的注意事项;

　　d) 检验结果的评价指标;

　　e) 检验过程的记录要求;

　　f) 检验结果的存档。

　　6 . 2 . 4 真实性检验结论描述

　　对真实性检验的评价结果进行描述，应包括但不限于以下信息：

　　a) 真实性检验结果总体评价：描述所检验地表发射率产品的总体精度;

　　b) 对分项指标评价与误差原因分析：描述所检验地表发射率产品在不同区域和不同时间的准确度，对比分析误差产生原因;

　　c) 分析检验过程中的不确定度：包括地面观测仪器误差，空间代表性或尺度转换误差、图像空间配准误差等;

　　d) 对产品的评价与建议：通过对各项指标的评价和分析，给出所检验地表发射率产品中存在的误差，并提出修改完善建议等。

　　6 . 2 . 5 附加信息

　　对地表发射率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

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　　6 . 3 检验报告信息简表

　　待检验地表发射率遥感产品的检验报告信息简表的编制见 GB/T 36296—2018 中的附录 D,样例见附录 D。

　　7

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　均质地表发射率相对真值获取方法

　　本附录给出了基于红外光谱仪的均质地表发射率获取方法。

　　对于均质地表，可采用红外光谱仪先获取地表光谱发射率，再结合传感器的通道响应函数，获得通道发射率。 红外光谱仪主要通过探测某一特定方向的离开物体表面的红外辐射，并结合大气下行辐射和金板的温度来实现目标物发射率的获取。 红外光谱仪的观测波长范围为 2 μm~ 16 μm, 视场角为2.4 °或4 . 8°,光谱分辨率为 4 cm- 1 、8 cm- 1 、16 cm-1 可调，观测视场范围随仪器架设的高度变化，一般为10 mm~100 mm不等。 基于红外光谱仪的地表光谱发射率估算见公式(A. 1) 。

　　………………………( A.1 )

　　式中：

　　ελ —获取的点源尺度地表光谱发射率;

　　Rλ —红外光谱仪测量的光谱辐射亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr ·μm)]; Ra↓tλ —大气和周围环境辐射的下行辐射亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 ·sr ·μm)]; Bλ(Ts ) —在波长λ、温度 Ts 处的普朗克函数，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr ·μm)]。其中，Ra↓tλ 见公式(A.2)。

　　R ………………………( A.2 )

　　Rold —红外光谱仪测量的金板的光谱辐射亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[ W/(m2 ·

　　sr · μm)] ;

　　Bλ(Told ) —在波长 λ、温度 Told 处的普朗克函数，单位为瓦每平方米球面度微米[ W/(m2 · sr ·

　　μm)] ;

　　εold —金板的光谱发射率;

　　Told —点温计测量的金板的温度，单位为开尔文(K) 。

　　由于目标物的地表光谱发射率 ελ 与地表温度 Ts 在普朗克函数中是耦合在一起的，故在利用公式(A. 2)获取了大气和周围环境辐射的大气下行辐射亮度后，代入公式(A. 1) 计算光谱发射率时，还需要结合地表发射率和温度分离算法(如光谱平滑度法或分段线性阈值法)，对地表光谱发射率和地表温度解耦以获取地表光谱发射率值。

　　8

　　GB/T 41538—2022

　　附 录 B

　　(资料性)

　　非均质地表发射率相对真值获取方法

　　本附录给出了使用面积加权平均方法获取非均质地表发射率的方法。

　　对于非均质地表，应根据地表类型差异以及空间分布状况，结合高空间分辨率的遥感产品(如叶面积指数、植被覆盖度和地面反射率等)或者热像仪等设备获取的高空间分辨率的地表亮温数据，将验证场地细分为若干相对均质的子区域(端元)，采用分层抽样方法在不同端元采集地表发射率的相对真值，通过面积加权方式获取像元尺度的地表光谱发射率相对真值见公式(B. 1) ,即：

　　……………………( B.1 )

　　式中：

　　〈ελ〉 —在波长 λ 处像元尺度等效的地表光谱发射率;

　　N — 端元的个数;

　　ak —组分 k 归一化后的相对面积，所有 ak 的总和为 1 ;

　　ελ, k —第 k 个端元在波长λ 处的地表光谱发射率;

　　Bλ(Tk)—在波长λ、温度 Tk 处的普朗克函数，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr ·μm)]; Tk —第 k 个端元的地表温度，单位为开尔文(K) 。

　　9

　　GB/T 41538—2022

　　附 录 C

　　(资料性)

　　地表发射率真实性检验不确定度来源分析

　　在地表发射率真实性检验的各环节中都有不确定度被引入，需检验空间、时间、角度以及光谱的 一致性，并在检验结果中对以下不确定度来源进行分析。

　　a) 测量仪器定标误差：测量前使用黑体对红外光谱仪进行定标时存在的误差。

　　b) 仪器误差：包括仪器设计原理的局限性和仪器自身的偏差及不稳定性。 其中，仪器自身的偏差可通过定标消除，其余固有误差对检验结果的影响需要进行评估。

　　c) 测量误差：随着操作人员的不同与测量环境的变化导致测量误差有所差异，可通过规范测量标准予以减弱。

　　d) 采样方案误差：采样方案是否完善和先验知识的充分有效与采样策略的选择相关，可通过代表性分析进行评估。

　　e) 空间位置匹配不确定度：待检验对象与参考对象的空间位置匹配误差的大小随着几何校正精确程度的不同而不同。

　　f) 角度因素不确定度：地面测量时仪器的观测角度与卫星过境时传感器的观测角度存在差异所导致的不确定度。

　　g) 直接检验时点尺度到面尺度转换误差：将地面测量的点尺度数据转换到载荷像元的面尺度数据时存在的模型转换误差。

　　h) 观测几何不一致：对于非朗伯地表，不同传感器的太阳/观测几何差异引起像元视场变化所带来的不确定度。

　　i) 观测时间不一致：地面观测采样时间与卫星过境时间存在的差异给检验结果带来不确定性。

　　j) 光谱匹配不确定度：地面测量仪器的光谱范围与卫星传感器的光谱响应范围进行光谱匹配时所带来的不确定度。

　　k) 地表发射率和温度分离算法本身的不确定度会给检验结果带来误差。

　　l) 天空下行热辐射或环境下行热辐射的估算误差会给检验结果带来误差。

　　10

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　　附 录 D

　　(资料性)

　　地发射率遥感产品真实性检验报告信息简表样例

　　表 D. 1 给出了检验报告信息简表的参考样例，内容以直接检验法为例，同时也填写了间接检验法特征描述供参考。

　　表 D.1 地表发射率遥感产品检验报告信息简表样例

　　待检地表发射

　　率遥感产品特

　　征描述

　　产品名称

　　Emiss 发

　　射率产品

　　产品类型

　　●数值型

　　○类别型

　　数据来源(传感器)

　　FY-3C VIRR

　　地理参考

　　(椭 球、投 影方式)

　　WGS84 坐标系，正弦(sinusoidal)投影

　　空间分辨率

　　1 100 m

　　获取时间

　　(YYYY年 MM 月

　　DD 日)

　　2018 年 7 月 11 日

　　空间范围

　　经度(° ′″)

　　100°01′01″E

　　100°50′21″E

　　纬度(° ′″)

　　38°56′11″N

　　39°32′05″N

　　合成周期

　　瞬时

　　标识时间

　　2018 年 7 月 11 日

　　产品生产算法

　　基于 NDVI 阈值法计算

　　参考对