索建軍
【摘 要】遙感技術(shù)發(fā)展為蒸散發(fā)(ET)產(chǎn)品系列化、規(guī)?;a(chǎn)及應(yīng)用提供了先決條件。目前基于遙感影像生產(chǎn)的ET產(chǎn)品很多,但產(chǎn)品的形式、穩(wěn)定性、精度、元數(shù)據(jù)信息等差異較大,為了統(tǒng)一ET產(chǎn)品的生產(chǎn)、質(zhì)量及服務(wù)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)ET產(chǎn)品更加廣泛地應(yīng)用,需要制定ET產(chǎn)品規(guī)范。基于水利部948項(xiàng)目遙感地面校驗(yàn)系統(tǒng)引進(jìn)及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究,本文給出衛(wèi)星遙感影像ET產(chǎn)品規(guī)范建議稿主要條款,供進(jìn)一步探討研究。
【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星遙感影像;ET;產(chǎn)品;規(guī)范
中文分類: TV211.2;TP79;P332.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)(ET)是刻畫陸面生態(tài)過程的關(guān)鍵參數(shù),是水循環(huán)和現(xiàn)代水資源管理的重要分量[1-2]。ET研究是水利、農(nóng)業(yè)、氣象、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的重要內(nèi)容[3]。ET的監(jiān)測和控制是區(qū)域?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格水資源管理、高效節(jié)約用水和可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。
遙感技術(shù)發(fā)展為高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高精度ET監(jiān)測提供了基礎(chǔ),為ET產(chǎn)品系列化、規(guī)?;a(chǎn)及應(yīng)用提供了先決條件。目前基于遙感影像生產(chǎn)的ET產(chǎn)品很多,但由于衛(wèi)星、傳感器、處理方法、驗(yàn)證方法等存在差異,致使ET產(chǎn)品的形式、穩(wěn)定性、精度、元數(shù)據(jù)信息等存在較大差異,這極大地影響了ET產(chǎn)品的交換和應(yīng)用。為了統(tǒng)一ET產(chǎn)品的生產(chǎn)、質(zhì)量及服務(wù)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)ET產(chǎn)品更加廣泛地應(yīng)用,需要制定ET產(chǎn)品規(guī)范。
隨著我國遙感技術(shù)的快速發(fā)展,遙感數(shù)據(jù)資源將越來越豐富。ET產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用將更加廣泛,未來產(chǎn)品的格局將是:基于多渠道遙感數(shù)據(jù)、由多企業(yè)、按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)多類型ET產(chǎn)品,產(chǎn)品廣泛深入地融入社會生產(chǎn)與生活。因此有必要對ET產(chǎn)品規(guī)范開展深入研究與探討。
1 總則
(1) 標(biāo)準(zhǔn)適用于農(nóng)業(yè)、水利、氣象、環(huán)境、信息系統(tǒng)建設(shè)等領(lǐng)域與服務(wù)。
(2)衛(wèi)星遙感ET數(shù)據(jù)可以基于不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、模型反演生產(chǎn)。通過對ET數(shù)據(jù)進(jìn)行空間裁剪、時(shí)段平均、精度標(biāo)定以及其它相關(guān)屬性標(biāo)注形成ET產(chǎn)品。依據(jù)地面ET監(jiān)測對ET數(shù)據(jù)進(jìn)行精度標(biāo)定?;贓T產(chǎn)品開展應(yīng)用和服務(wù)。
(3)標(biāo)準(zhǔn)制定引用了水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[4]、遙感影像平面圖制作規(guī)范[5]、國家基本比例尺地形圖分幅和編號[6]、衛(wèi)星遙感影像植被指數(shù)產(chǎn)品規(guī)范[7]、攝影測量與遙感術(shù)語[8]等。
2 術(shù)語
2.1 ET產(chǎn)品術(shù)語
(1)蒸散發(fā)(ET)。為蒸發(fā)與蒸騰(Evapotranspiration)的簡稱,有時(shí)它也被稱為總蒸發(fā),是指陸表與大氣的水分交換量,是土壤、水體的蒸發(fā)(Evaportion)與植物蒸騰(Transpiration)的總稱。
(2)遙感反演ET:指主要基于遙感數(shù)據(jù)通過模型計(jì)算陸面特定時(shí)間、特定區(qū)域ET數(shù)據(jù)的過程。
(3)ET數(shù)據(jù):指主要基于衛(wèi)星遙感反演的ET實(shí)數(shù)數(shù)值集,數(shù)值代表絕對量大小,符號代表蒸散方向,正數(shù)向上,負(fù)數(shù)向下,零代表凝結(jié)與蒸散處于平衡狀態(tài)。
(4)ET產(chǎn)品:是ET數(shù)據(jù)與ET屬性的總稱。范式可為:ET產(chǎn)品=ET數(shù)據(jù)+ET屬性。
(5)基礎(chǔ)數(shù)據(jù):指生產(chǎn)ET數(shù)據(jù)所使用的原始數(shù)據(jù),主要包括遙感、水文氣象等。是一個(gè)相對術(shù)語,針對不同數(shù)據(jù)意義有所不同。
(6)中間數(shù)據(jù):指生產(chǎn)ET數(shù)據(jù)所使用的由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或計(jì)算而來的數(shù)據(jù),有時(shí)也叫中間參數(shù),是一個(gè)相對術(shù)語,針對不同類數(shù)據(jù)可能有所不同,如反照率、植被指數(shù)、覆蓋度、凈輻射、感熱通量、陸面溫度等。
(7)ET產(chǎn)品屬性:定義ET數(shù)據(jù)的特性,屬性指標(biāo)包括名稱、序列號、位置、范圍、分幅編號、分區(qū)類型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、反演模型、時(shí)間分辨率、幾何分辨率、ET數(shù)據(jù)精度、ET精度級別、穩(wěn)定性、校驗(yàn)方式、校驗(yàn)站名、產(chǎn)品格式、服務(wù)形式、服務(wù)機(jī)構(gòu)、應(yīng)用范圍、高級元數(shù)據(jù)序列號等。
(8)ET產(chǎn)品名稱:采用正則名稱。有四種命名形式,即地域名稱+ET產(chǎn)品名稱、用途+ET產(chǎn)品名稱、主要遙感數(shù)據(jù)+ET產(chǎn)品名稱、主要ET模型+ET產(chǎn)品名稱。
(9)ET產(chǎn)品類型:依據(jù)ET產(chǎn)品的時(shí)間、空間、精度等單屬性或組合屬性對ET產(chǎn)品進(jìn)行分類得到的產(chǎn)品類型名。
(10)ET產(chǎn)品級別:通過地面監(jiān)測ET對遙感反演ET數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn),最終確定的數(shù)據(jù)精度級別。
(11)ET產(chǎn)品幾何精度。指ET產(chǎn)品的空間分辨率,主要取決于基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)最小空間分辨率。
(12)ET產(chǎn)品穩(wěn)定性。指按規(guī)定質(zhì)量生產(chǎn)ET產(chǎn)品的時(shí)間頻率,一般指年、月、日ET產(chǎn)品數(shù)量比率。如月ET產(chǎn)品率30%。
2.2 常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)術(shù)語
常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)術(shù)語主要包括:衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、ET監(jiān)測數(shù)據(jù)等。ET監(jiān)測數(shù)據(jù)指地面ET監(jiān)測系統(tǒng)獲取的ET數(shù)據(jù),如渦動相關(guān)系統(tǒng)、閃爍儀系統(tǒng)、蒸滲系統(tǒng)等ET數(shù)據(jù)。
2.3 其它通用術(shù)語
主要包括輻射通量、輻射亮度、輻射校正、輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、地表反射率、植被指數(shù)、反照率、輻照度、亮溫度、時(shí)間分辨率、空間分辨率等。
3 一般規(guī)定
指生產(chǎn)ET產(chǎn)品所遵守的一般規(guī)定,主要包括6項(xiàng),見圖1:
(1)產(chǎn)品坐標(biāo)系統(tǒng)。平面坐標(biāo)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)執(zhí)行GB/T 15968的相關(guān)規(guī)定。采用坐標(biāo)系統(tǒng)包括WG84橢球體,UTM投影坐標(biāo)系統(tǒng);高斯-克呂格西安坐標(biāo)系統(tǒng);高斯-克呂格新北京坐標(biāo)系統(tǒng)。提供坐標(biāo)參數(shù),橢球體名稱、投影名稱、投影參數(shù)。
(2)產(chǎn)品的分幅。分幅和編號,執(zhí)行GB/T 13989的相關(guān)規(guī)定。
(3)中間數(shù)據(jù)生產(chǎn)要求。中間數(shù)據(jù)生產(chǎn)應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范要求,如:植被指數(shù)制作應(yīng)符合GB/T 30115的相關(guān)規(guī)定。
(4)ET數(shù)據(jù)精度分級。包括ET數(shù)據(jù)精度和ET幾何精度兩種分級方式。ET數(shù)據(jù)幾何精度由空間數(shù)據(jù)的空間分辨率定義,ET數(shù)據(jù)精度等級由地面校驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定。
(5)產(chǎn)品屬性規(guī)定。ET產(chǎn)品至少包括基本屬性指標(biāo)。元數(shù)據(jù)可僅提供基本元數(shù)據(jù),反演模型可僅提供模型類型,流程可僅提供計(jì)算過程框架。
(6)ET數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提取
4.1 ET提取模型
(1)遙感ET反演模型。一般應(yīng)采用地表能量平衡模型反演ET,也可采用溫度-植被指數(shù)特征空間模型、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、數(shù)據(jù)同化模型等。也可采用新開發(fā)的模型。
(2)對于新開發(fā)遙感反演ET模型的建議。根據(jù)目前遙感反演ET模型特點(diǎn)和不足,建議開發(fā)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(jiān)測環(huán)境具有自適應(yīng)性或者稱之為彈性模型;模型參數(shù)化依據(jù)場理論參數(shù)化,并考慮多場變量的耦合性作用;模型支持多源數(shù)據(jù)的利用; 模型為分布模型,ET反演依托大數(shù)據(jù)中心完成;需要分布式地面ET校驗(yàn)支持;遙感反演日ET精度大于90%,空間分辨率高于10米,時(shí)間分辨率高于4-24小時(shí)。
4.2 瞬時(shí)ET提取流程
基于能量平衡的瞬時(shí)ET提取主要包括4個(gè)子過程,見圖2
圖2 能量平衡ET計(jì)算流程
(1)預(yù)處理。對遙感和水文氣象等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。遙感數(shù)據(jù)預(yù)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(shù)反演。利用預(yù)處理后數(shù)據(jù),基于參數(shù)反演模型反演有關(guān)參數(shù)。如地表反照率、植被指數(shù)、凈輻射等。
(3)通量計(jì)算?;谕磕P头囱菽芰科胶馐礁鱾€(gè)通量分項(xiàng),如感熱、潛熱、土壤通量等。不同ET反演模型其通量計(jì)算方式可能有所不同。
(4)ET數(shù)據(jù)反演?;谥虚g數(shù)據(jù)和ET模型反演瞬時(shí)ET或日ET?;谀芰科胶獾腅T反演模型較多,建議采用SEBAL模型和互補(bǔ)關(guān)系模型反演ET。
1)SEBAL能量平衡方程
SEBAL依據(jù)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(bǔ)關(guān)系模型ET計(jì)算方程見(2)
式中:ETa:實(shí)際蒸散;a:常數(shù);Δ:溫度飽和水汽壓曲線斜率;?酌:干濕表常數(shù);Rn:地表凈輻射;G:土壤熱通量;EA:干燥力。
5 ET尺度擴(kuò)展
時(shí)間尺度拓展可采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀⒄谊P(guān)系法、蒸發(fā)比法、參考蒸發(fā)比法、表面阻抗法、天文輻射比法和數(shù)據(jù)同化法等。應(yīng)根據(jù)影像數(shù)據(jù)和地面觀測條件,選擇合適方法。時(shí)間尺度擴(kuò)展流程見圖3。
圖3 時(shí)間尺度擴(kuò)展流程
6 ET數(shù)據(jù)后處理
(1)ET數(shù)據(jù)時(shí)段平均。根據(jù)日ET通過時(shí)段平均計(jì)算更大時(shí)間尺度ET,如旬、月、季、年ET。
(2)ET數(shù)據(jù)拼接或裁剪。 依照ET產(chǎn)品要求,按國家標(biāo)準(zhǔn)分幅或區(qū)域邊界對ET數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接或裁減。
(3)分區(qū)統(tǒng)計(jì).按專題分類對ET進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),如土地利用分區(qū)、作物類型分區(qū)、景觀生態(tài)分區(qū)、行政區(qū)劃分區(qū)等。
7 ET產(chǎn)品分級
(1)ET空間分辨率分級.將ET計(jì)算采用的遙感數(shù)據(jù)中最低空間分辨率作為ET產(chǎn)品空間分辨率。依據(jù)ET空間分辨率對ET進(jìn)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(jù)地面觀測ET對遙感反演ET數(shù)據(jù)精度進(jìn)行檢驗(yàn),并確定其精度級別。產(chǎn)品精度采用正確率表示。根據(jù)準(zhǔn)同步地面監(jiān)測與衛(wèi)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(shí)檢驗(yàn)站點(diǎn)。ET地面真實(shí)校驗(yàn)點(diǎn)為ET已知的地面連續(xù)像素集的統(tǒng)稱,像素?cái)?shù)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(shè)施,可以準(zhǔn)確得到其ET平均值。為了對地面一定區(qū)域ET進(jìn)行監(jiān)測,需要建設(shè)ET站點(diǎn),或稱作遙感反演ET地面檢驗(yàn)場。根據(jù)校驗(yàn)點(diǎn)的ET數(shù)據(jù)獲取方式和影響范圍,可將ET站點(diǎn)分為基本站點(diǎn),一般站點(diǎn),插值點(diǎn)三類。
基本站點(diǎn):安裝配套儀器設(shè)備,可以精確獲取觀測場ET,并可對一般站點(diǎn)提供校正。
一般站點(diǎn):安裝簡單ET監(jiān)測儀器設(shè)施,可以單獨(dú)或借助基本站點(diǎn)獲取精確ET。
插值點(diǎn):根據(jù)基本站點(diǎn)、一般站點(diǎn)通過明確的機(jī)理關(guān)系或幾何插值得到ET。ET與參考站相關(guān)性應(yīng)達(dá)到85%以上。
(4)ET地面真實(shí)檢驗(yàn)。根據(jù)參與ET真實(shí)檢驗(yàn)的站點(diǎn)數(shù)量,分為單點(diǎn)和多點(diǎn)兩種檢驗(yàn)方式。根據(jù)參與ET真實(shí)檢驗(yàn)時(shí)間序列點(diǎn)數(shù),分為單時(shí)刻、多時(shí)刻或單序列三種檢驗(yàn)方式。
單時(shí)刻檢驗(yàn):通過對比參考點(diǎn)與瞬時(shí)ET,計(jì)算反演ET精度。
多時(shí)刻檢驗(yàn):通過對比參考點(diǎn)與多個(gè)瞬時(shí)ET產(chǎn)品、日ET、月ET、或年ET等,計(jì)算反演ET產(chǎn)品的整體精度。
單序列ET檢驗(yàn):通過對比參考點(diǎn)ET與序列日ET、月ET或年ET等,計(jì)算反演ET產(chǎn)品的整體精度。
8 ET產(chǎn)品屬性標(biāo)注
確定ET數(shù)據(jù)相聯(lián)系的產(chǎn)品屬性以及元數(shù)據(jù)信息。元數(shù)據(jù)包括基本元數(shù)據(jù)和高級元數(shù)據(jù),前者與產(chǎn)品屬性指標(biāo)一致。 后者主要包括7類信息即:
(1)原始影像數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),包括高級元數(shù)據(jù)序列號,圖像數(shù)據(jù);
(2)氣象數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),包括高級元數(shù)據(jù)序列號,氣象數(shù)據(jù);
(3)其他數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),包括高級元數(shù)據(jù)序列號,其他數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù);
(4)模型元數(shù)據(jù),包括高級元數(shù)據(jù)序列號,模型名稱、模型編號、模型參數(shù);
(5)校驗(yàn)元數(shù)據(jù),包括高級元數(shù)據(jù)序列號,校驗(yàn)樣點(diǎn)坐標(biāo)、ET數(shù)據(jù)、地物特性、誤差、校驗(yàn)機(jī)構(gòu)、校驗(yàn)人。
為保證ET生產(chǎn)商的權(quán)益,高級元數(shù)據(jù)可不向用戶提供,僅用于生產(chǎn)跟蹤。
9 ET產(chǎn)品包裝
主要是將ET數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)按規(guī)定格式制作成壓縮數(shù)據(jù)包。壓縮包應(yīng)包括4個(gè)目錄,即(下轉(zhuǎn)第120頁)(上接第123頁)ET數(shù)據(jù)、基本信息、基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)、高級元數(shù)據(jù)。
10 產(chǎn)品發(fā)布
根據(jù)用戶需要形式,ET產(chǎn)品發(fā)布可采用通用購物模式、定制服務(wù)模式、專項(xiàng)服務(wù)模式、APP模式等。
通用購物模式:ET產(chǎn)品供應(yīng)商通過公用網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布ET產(chǎn)品信息,用戶根據(jù)需要,選擇產(chǎn)品并購入,類似網(wǎng)購。
定制服務(wù)模式:ET產(chǎn)品供應(yīng)商按政府購買合同、或大用戶需要,構(gòu)建發(fā)布渠道,定期向用戶推送ET產(chǎn)品。
專項(xiàng)服務(wù)模式。ET產(chǎn)品供應(yīng)商根據(jù)用戶需要,制作特定ET產(chǎn)品,通過郵寄方式向用戶提供ET產(chǎn)品。
app服務(wù)模式。 ET產(chǎn)品供應(yīng)商或公益機(jī)構(gòu),將生產(chǎn)的ET標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品制作成app,供用戶下載使用,類似地圖服務(wù)模式。供應(yīng)商為政府機(jī)構(gòu)或公益機(jī)構(gòu)。
11 結(jié)論
(1)文中提出ET產(chǎn)品精度標(biāo)定分級,但標(biāo)定過程和算法需要進(jìn)一步研究,尤其是基于多時(shí)空尺度的標(biāo)定算法與標(biāo)準(zhǔn);
(2)提出遙感反演ET模型的推薦方法,其它方法也適應(yīng),不對新模型開發(fā)進(jìn)行限制;
(3)為盡快達(dá)成統(tǒng)一,盡量簡化ET作為產(chǎn)品的屬性項(xiàng)。各行業(yè)可根據(jù)需要在統(tǒng)一屬性基礎(chǔ)上,制定本行業(yè)次級屬性。
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[8]國家測繪局,全國地理信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. GB/T 14950-2009中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)攝影測量與遙感術(shù)語[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會.2009:1-66.