《《高分衛(wèi)星遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn) 像元 尺度相對(duì)真值不確定度規(guī)范》》

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團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

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高分衛(wèi)星遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)像元尺度相

對(duì)真值不確定度

Validationofthehigh-resolutionsatelliteremote-sensingproducts—Theuncertainty

ofpixelscalerelativetruth

（征求意見(jiàn)稿）

（本稿完成時(shí)間：2023年10月08日）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國(guó)遙感應(yīng)用協(xié)會(huì)發(fā)布

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高分衛(wèi)星遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)像元尺度相對(duì)真值不確定度

1范圍

本文件規(guī)定了高分衛(wèi)星遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)中像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)的基本要求和技術(shù)

流程，給出了撰寫(xiě)報(bào)告的信息。

本文件適用于高分辨率遙感產(chǎn)品連續(xù)型遙感變量像元尺度相對(duì)真值的不確度評(píng)價(jià)，中低分辨率遙

感產(chǎn)品真實(shí)性中像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)也可參考使用，不適用于離散型遙感產(chǎn)品。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文

件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適

用于本文件。

GB/T39468—2020陸地定量遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)通用方法

GB/T27418—2017測(cè)量不確定度評(píng)定和表示

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1

真實(shí)性檢驗(yàn)Validation

通過(guò)獨(dú)立方法評(píng)價(jià)待檢驗(yàn)遙感產(chǎn)品與客觀(guān)實(shí)際的吻合程度并分析其不確定性的過(guò)程。

[來(lái)源：GB/T36296-2018,3.2]

3.2

像元尺度真值Pixelscaletruth

地表參數(shù)在像元尺度上的真實(shí)內(nèi)涵和面貌，理論上客觀(guān)存在且無(wú)任何誤差的實(shí)際值。

3.3

相對(duì)真值Pixelscalerelativetruth

一個(gè)接近像元尺度真值的值，它與真值之差可以忽略不計(jì)。對(duì)于給定的目的，可用其來(lái)代替真

值。

[來(lái)源：GB/T36296-2018,3.4]

3.4

空間異質(zhì)性Spatialheterogeneity

變量在空間分布上的差異，一般可理解為空間分布上的不均勻性及復(fù)雜性。

[來(lái)源：GB/T36296-2018,3.8]

3.5

1

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偶然誤差Randomerror

地面測(cè)量不規(guī)范或者環(huán)境不穩(wěn)定等因素造成的具有相互抵償性的隨機(jī)誤差。

3.6

系統(tǒng)誤差Systematicerror

由儀器自身偏差和測(cè)量偏差引起的非隨機(jī)性誤差，具有一定的規(guī)律性和可累加性。

3.7

空間代表性誤差Spatialrepresentativenesserror

由于地面儀器的足跡跟待驗(yàn)證像元的空間響應(yīng)范圍之間尺度不匹配引起的誤差。

3.8

尺度轉(zhuǎn)換誤差Scaletransfererror

某一尺度上的數(shù)據(jù)或者信息擴(kuò)展到其他尺度上時(shí)，由于信息量不足或者轉(zhuǎn)換模型不完善引起的誤

差。

3.9

幾何匹配誤差Geometricmismatcherror

參考對(duì)象與待驗(yàn)證像元之間由于幾何位置沒(méi)有完全匹配引起的誤差。

3.10

誤差傳遞Errorpropagation

由于生成像元尺度相對(duì)真值的過(guò)程中不同要素引起的誤差以及它們相互影響和作用，使最終像元

尺度相對(duì)真值也含有誤差。

3.11

不確定度Uncertainty

利用可獲得的信息，表征賦予被測(cè)量量值分散性的非負(fù)參數(shù)。

[來(lái)源：GB/T27418—2017,3.1]

4基本要求

像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)定應(yīng)符合以下要求：

a)引起像元尺度相對(duì)真值不確定度的因素要根據(jù)像元尺度相對(duì)真值的計(jì)算數(shù)據(jù)源和升尺度方法確

定；

b)模擬各個(gè)因素引起的不確定度時(shí)所需要的輔助數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的物理意義要跟像元尺度相對(duì)真

值的目標(biāo)變量的物理意義要一致；

c)引入輔助數(shù)據(jù)時(shí)，要確保輔助數(shù)據(jù)本身的準(zhǔn)確性，均方根誤差應(yīng)小于目標(biāo)變量值的3%；

d)像元尺度相對(duì)真值不確定評(píng)價(jià)應(yīng)按照數(shù)據(jù)-幾何匹配-尺度轉(zhuǎn)換等流程依次進(jìn)行；

e)在建立誤差傳遞模型時(shí)，需充分考慮不同因素引起的不確定度之間的相關(guān)性。

5像元尺度相對(duì)真值不確定度的評(píng)定

2

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5.1總體工作流程

像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)定需要考慮相對(duì)真值的數(shù)據(jù)來(lái)源、升尺度方法的差異，采用合適的不

確定度度量方法。主要操作流程見(jiàn)圖1，具體步驟如下：

a)確定像元尺度相對(duì)真值的數(shù)據(jù)源,包括單點(diǎn)、多點(diǎn)、或者多尺度驗(yàn)證；

b)進(jìn)行像元內(nèi)空間異質(zhì)性/代表性評(píng)價(jià),獲取地表的異質(zhì)性情況；

c)依據(jù)a)和b)確定引起像元尺度相對(duì)真值不確定度的關(guān)鍵因素;

d)建立各類(lèi)因素引起不確定度的定量化模型;

e)分析不同因素之間的相互作用及他們之間的相關(guān)性;

f)構(gòu)建各要素引起不確定度之間的誤差傳遞模型;

g)基于各要素引起不確定度的定量化模型和誤差傳遞模型的基礎(chǔ)上建立表達(dá)像元尺度相對(duì)

真值總的不確定度的模型。

圖1像元尺度相對(duì)真值不確定度的定量化技術(shù)流程

3

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5.2基于地面觀(guān)測(cè)的直接驗(yàn)證像元尺度相對(duì)真值不確定度

基于地面觀(guān)測(cè)直接得到的像元尺度相對(duì)真值的不確定度需要考慮待驗(yàn)證像元的空間異質(zhì)性情況，

不確定度評(píng)價(jià)的主要操作流程見(jiàn)圖2，具體操作步驟如下。

a)高分辨率輔助數(shù)據(jù)：根據(jù)地面觀(guān)測(cè)的時(shí)間段和驗(yàn)證區(qū)域的位置選擇晴天條件下的高分辨率輔

助數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)變量不是衛(wèi)星直接觀(guān)測(cè)變量時(shí)，應(yīng)選擇最優(yōu)的反演模型反演出目標(biāo)變量。應(yīng)

利用地面觀(guān)測(cè)對(duì)高分辨率輔助數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保其均方根誤差在3%以?xún)?nèi)。

b)待驗(yàn)證像元內(nèi)的空間異質(zhì)性評(píng)價(jià)：地表空間異質(zhì)性分析按照GB/T39468-2020中4.2規(guī)定的

分析方法執(zhí)行。若地表空間異質(zhì)性可以忽略，則不考慮尺度問(wèn)題的影響。否則應(yīng)考慮空間代

表性誤差的影響。

c)判斷待驗(yàn)證像元內(nèi)是否是勻質(zhì)地表：如果不是，先計(jì)算空間代表性誤差或尺度轉(zhuǎn)換誤差，再

進(jìn)行像元真值不確定度計(jì)算；如果是勻一地表，直接進(jìn)行像元真值不確定度計(jì)算。

d)空間代表性誤差或尺度轉(zhuǎn)換誤差：若像元尺度相對(duì)真值的獲取不涉及尺度轉(zhuǎn)換，則主要考慮

空間代表性誤差，空間代表性誤差的計(jì)算應(yīng)充分考慮站點(diǎn)的足跡、在待驗(yàn)證像元內(nèi)的位置、

亞像元尺度等因素有關(guān)，借助高分辨率輔助數(shù)據(jù)模擬不同亞像元尺度下的時(shí)空代表性誤差，

將其方差作為時(shí)空代表性誤差引起的不確定度；若像元尺度相對(duì)真值是由地面觀(guān)測(cè)和尺度轉(zhuǎn)

換函數(shù)得到的，則考慮尺度轉(zhuǎn)換模型引起的不確定度。

e)地面觀(guān)測(cè)：評(píng)估地面觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。

f)地面觀(guān)測(cè)不確定度：偶然誤差引起的不確定度可以用多次測(cè)量的方差衡量；若地面觀(guān)測(cè)的儀

器經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定，則系統(tǒng)誤差引起的不確定度可以忽略，否則應(yīng)考慮系統(tǒng)誤差引起的不確

定度。

g)像元尺度相對(duì)真值的不確定度：按附錄B將空間代表性誤差引起的不確定度、尺度轉(zhuǎn)換引起

的不確定度和偶然誤差的不確定度代入誤差傳遞模型，得到總的不確定度。

4

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圖2基于地面觀(guān)測(cè)直接驗(yàn)證中像元尺度相對(duì)真值不確定度的定量化技術(shù)流程

5.3基于地面觀(guān)測(cè)高分辨率數(shù)據(jù)的多尺度驗(yàn)證像元尺度相對(duì)真值不確定度

基于地面觀(guān)測(cè)和高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度驗(yàn)證中，地面觀(guān)測(cè)和高分辨率輔助數(shù)據(jù)的誤差均會(huì)引

起像元尺度相對(duì)真值的不確定度，此外還應(yīng)考慮高分辨率像元與待驗(yàn)證像元的幾何匹配誤差的影響

和高分辨率-待驗(yàn)證像元之間尺度轉(zhuǎn)化函數(shù)的影響。像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)的流程見(jiàn)圖3，

具體操作步驟如下。

a)地面觀(guān)測(cè)：按照5.2中a)執(zhí)行

b)高分辨率輔助數(shù)據(jù)：按照5.2中e)執(zhí)行。

c)地面觀(guān)測(cè)和高分辨率數(shù)據(jù)誤差引起的不確定度：對(duì)地面數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)據(jù)加入滿(mǎn)足正態(tài)分

布的誤差值來(lái)生成誤差場(chǎng)，分析不同輸入對(duì)應(yīng)的參考值之間的差異，將其方差作為由觀(guān)測(cè)數(shù)

據(jù)誤差引起的不確定度。

d)幾何匹配誤差引起的不確定度：按附錄B利用統(tǒng)計(jì)模擬的手段計(jì)算不同模擬情況下的像元尺

度相對(duì)真值，把不同模擬情況下計(jì)算的像元尺度相對(duì)真值的標(biāo)準(zhǔn)差作為幾何匹配誤差引起的

不確定度。

e)尺度轉(zhuǎn)換的不確定度：模擬不同升尺度模型和不同模型輸入?yún)?shù)情況下輸出結(jié)果之間的差

異。通過(guò)對(duì)比輸出結(jié)果在不同模型、不同參數(shù)情況下的變化強(qiáng)度來(lái)計(jì)算其不確定度大小。

f)判斷是否存在相關(guān)性：各要素引起不確定度之間的相關(guān)性分析：把相同時(shí)間、相同空間位置

處各要素引起的不確定度進(jìn)行匹配，分析它們之間的相關(guān)性，如果不存在相關(guān)性，進(jìn)行像元

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尺度相對(duì)真值的不確定度；如果存在相關(guān)性，應(yīng)先進(jìn)行去相關(guān)，在進(jìn)行像元尺度相對(duì)真值的

不確定度計(jì)算。

g)去相關(guān)：利用去相關(guān)方法（如主成分分析、因子分析）去除不確定性要素之間的相關(guān)關(guān)系。

h)像元尺度相對(duì)真值的不確定度：若各個(gè)因素引起的不確定度之間相互獨(dú)立，則把各個(gè)因素引

起的不確定度按照附錄B規(guī)定的方法執(zhí)行進(jìn)行線(xiàn)性累加；若這些因素之間存在相關(guān)性，則

需要對(duì)這些要素進(jìn)行去相關(guān)處理，去相關(guān)后的要素引起的不確定度進(jìn)行線(xiàn)性累加。

圖3基于多尺度驗(yàn)證中像元尺度相對(duì)真值不確定度的定量化技術(shù)流程

6像元尺度相對(duì)真值不確定度報(bào)告

6.1封面信息

檢驗(yàn)報(bào)告封面上的信息，應(yīng)包括：

a)不確定度報(bào)告編號(hào)；

b)不確定度報(bào)告名稱(chēng)；

c)不確定度分析負(fù)責(zé)人；

d)不確定度分析單位。

6.2正文信息

6.2.1驗(yàn)證方法的描述

對(duì)產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的方法進(jìn)行描述，應(yīng)包括:

a)驗(yàn)證區(qū)域的空間異質(zhì)性情況，若是長(zhǎng)時(shí)間序列的驗(yàn)證還應(yīng)描述空間異質(zhì)性隨時(shí)間的變化情況；

6

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b)數(shù)據(jù)源，包括地面數(shù)據(jù)的測(cè)量方法，有沒(méi)有用到高分辨率輔助信息，若有高分辨率輔助信息是作

為先驗(yàn)知識(shí)，還是直接參與了像元尺度參考值的計(jì)算；

c)升尺度轉(zhuǎn)換方法等。

6.2.2像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)用到的數(shù)據(jù)和方法

針對(duì)不同的真實(shí)性檢驗(yàn)方法，對(duì)不確定度評(píng)價(jià)用到的數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行描述：

a)引起像元尺度尺度相對(duì)真值不確定度的主要因素；

b)評(píng)價(jià)像元尺度相對(duì)真值不確定度的數(shù)據(jù)；

c)每種因素引起不確定度的定量化方法描述；

d)確定各種因素引起的不確定度之間相互作用的方法描述。

6.2.3像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)過(guò)程

對(duì)像元尺度相對(duì)真值的不確定度評(píng)價(jià)過(guò)程進(jìn)行描述，應(yīng)包括：

a)不確定度評(píng)價(jià)過(guò)程；

b)每種因素引起不確定度的定量結(jié)果；

c)像元尺度相對(duì)真值總的不確定度的定量結(jié)果；

d)不確定度評(píng)價(jià)過(guò)程的記錄要求;

e)不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果的存檔。

6.2.4像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)結(jié)論描述

對(duì)像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行描述，應(yīng)包括：

a)對(duì)像元尺度相對(duì)真值不確定度總體評(píng)價(jià)：；

b)分項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)：描述引起像元尺度相對(duì)真值不確定度的各因素引起的不確定度大小。

6.3輔助信息

對(duì)像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)過(guò)程中的非常規(guī)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明和描述。

6.4報(bào)告簡(jiǎn)表

像元尺度相對(duì)真值不確定度報(bào)告簡(jiǎn)報(bào)編制樣例見(jiàn)附錄A。

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AA

附錄A

（資料性）

像元尺度相對(duì)真值不確定度評(píng)價(jià)報(bào)告樣例——基于地面觀(guān)測(cè)的直接驗(yàn)證

像元尺度相對(duì)真值不確定度分析報(bào)告

分析單位西南交通大學(xué)分析人吳小丹

聯(lián)系方式四川省成都市郫都區(qū)西南交大

1像元尺度相對(duì)真值描述

變量名稱(chēng)反照率數(shù)據(jù)來(lái)源地面單個(gè)站點(diǎn)觀(guān)測(cè)

計(jì)算方法基于代表性評(píng)價(jià)的方式獲取像元尺度相對(duì)真值

2像元尺度相對(duì)真值不確定度分析

不確定度評(píng)

經(jīng)過(guò)質(zhì)量評(píng)價(jià)的30m的環(huán)境反照率數(shù)據(jù)

價(jià)數(shù)據(jù)

引起不確定度的因素總的不確定度

種類(lèi)地面觀(guān)測(cè)誤差空間代表性誤差兩個(gè)因素的不確定度相互

定量化模型均方根按附錄B計(jì)算獨(dú)立，按附錄B線(xiàn)性累加

定量化結(jié)果0.010.030.04

3不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果總的描述

像元尺度相對(duì)真值的不確定性主要由地面觀(guān)測(cè)誤差和空間代表性誤差引起，兩者引起的不確

性相互獨(dú)立，不確度大小分別為0.01和0.03，像元尺度相對(duì)真值總的不確定度為0.04

簽字：

蓋章：

8

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BB

附錄B

（資料性）

不確定度評(píng)價(jià)方法

觀(guān)測(cè)誤差引起不確定度的定量化方法

觀(guān)測(cè)誤差引起的不確定度要根據(jù)驗(yàn)證方法的特點(diǎn)來(lái)確定：

對(duì)于基于地面單個(gè)觀(guān)測(cè)的直接驗(yàn)證，觀(guān)測(cè)誤差引起的不確定度u(x1)可表示為其標(biāo)準(zhǔn)差：

u(x)=1（1）

對(duì)于基于地面多個(gè)觀(guān)測(cè)的直接驗(yàn)證，觀(guān)測(cè)誤差引起的不確定度u(x1)可表示為觀(guān)測(cè)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差

和觀(guān)測(cè)權(quán)重系數(shù)的函數(shù)：

222222

?(?1)=√?1?1+?2?2+?+????（2）

對(duì)于基于地面觀(guān)測(cè)和更高分辨率輔助數(shù)據(jù)的多尺度驗(yàn)證，觀(guān)測(cè)誤差引起的不確定度需同時(shí)考慮

輔助數(shù)據(jù)和地面觀(guān)測(cè)的誤差，其不確定度大小在數(shù)值上等于更高分辨率參考圖的不確定度大小uhigh。

u(x)=u1high（3）

代表性誤差引起不確定度的定量化方法

1）選擇跟地面觀(guān)測(cè)足跡大小接近的、經(jīng)過(guò)質(zhì)量評(píng)估的對(duì)應(yīng)目標(biāo)變量的高分辨率輔助數(shù)據(jù)；

2）提取地面站點(diǎn)所在的高分辨率像元，值記為A1；

3）提取待驗(yàn)證像元內(nèi)所有高分辨率像元，計(jì)算他們聚合到待驗(yàn)證像元尺度的值，記為A2；

4）代表性誤差引起的不確定度數(shù)值上等于A(yíng)1和A2差值的標(biāo)準(zhǔn)差σ（A1-A2）。

幾何匹配誤差引起不確定度的定量化方法

1）選擇經(jīng)過(guò)幾何校正的高分辨率遙感數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)至待驗(yàn)證產(chǎn)品的投影信息；

2）提取待驗(yàn)證像元的空間范圍，作為模板的初始位置；

3）將模板在跨軌道方向和沿軌道方向以高分辨率數(shù)據(jù)的空間分辨率為步長(zhǎng)模擬幾何偏差，設(shè)置最

大偏移為半個(gè)待驗(yàn)證像元；

4）每模擬一次，提取模板內(nèi)包含的高分辨率像元，計(jì)算其平均值，作為待驗(yàn)證像元尺度的模擬值

Ai，所有模擬情況對(duì)應(yīng)的待驗(yàn)證像元尺度模擬值的平均值記為A，這些模擬值的標(biāo)準(zhǔn)差記為ux()2，

該標(biāo)準(zhǔn)差即為待驗(yàn)證像元幾何匹配誤差引起的不確定度大小；

為了進(jìn)行區(qū)分，這里把待驗(yàn)證像元的分辨率稱(chēng)為低分辨率Scoarse，把機(jī)載數(shù)據(jù)的分辨率稱(chēng)為高分辨

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率Shigh，幾何匹配誤差引起的不確定度ux()2定量表示為

N

2

()AAi?

u(x)=i1=(4)

2N

N

式中，表示模擬的幾何偏差情況，與低分辨率像元分辨率Scoarse和模擬的步長(zhǎng)Sstep有關(guān)：

SScoarsecoarse

N=++(21)(21)(5)

SSstepstep

式中，模擬的步長(zhǎng)在數(shù)值上等于機(jī)載數(shù)據(jù)的空間分辨率。

經(jīng)過(guò)幾何校正的高低分辨率遙感

分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品

提取待驗(yàn)證像元空間范

+Y

轉(zhuǎn)投影圍，作為模板初始位置

將模板分別在跨軌道和沿軌

投影一致的高分辨率數(shù)據(jù)道方向以一定的步長(zhǎng)偏移模板

每模擬一次，提取模板范圍-Y

內(nèi)的高分辨像元

計(jì)算這些像元的平均值，作

為待驗(yàn)證像元尺度模擬值

統(tǒng)計(jì)所有模擬情況對(duì)應(yīng)的待驗(yàn)

證像元尺度模擬值的標(biāo)準(zhǔn)差

待驗(yàn)證像元幾何不匹配引起的

不確定度

圖4幾何匹配誤差引起不確定度的定量化技術(shù)流程

尺度轉(zhuǎn)換引起不確定度的定量化方法

尺度效應(yīng)誤差引起的不確定度要根據(jù)尺度轉(zhuǎn)換方法的特點(diǎn)來(lái)確定：

對(duì)于基于地面單個(gè)觀(guān)測(cè)的直接驗(yàn)證，尺度效應(yīng)引起的不確定度u(x3)主要取決于地面觀(guān)測(cè)的空間

代表性誤差?？臻g代表性誤差借助高分辨率輔助數(shù)據(jù)模擬。

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