卫星遥感影像ET产品规范研究

索建军

【摘 要】遥感技术发展为蒸散发（ET）产品系列化、规模化生产及应用提供了先决条件。目前基于遥感影像生产的ET产品很多，但产品的形式、稳定性、精度、元数据信息等差异较大，为了统一ET产品的生产、质量及服务标准，促进ET产品更加广泛地应用，需要制定ET产品规范。基于水利部948项目遥感地面校验系统引进及应用技术开发研究，本文给出卫星遥感影像ET产品规范建议稿主要条款，供进一步探讨研究。

【关键词】卫星遥感影像；ET；产品；规范

中文分类： TV211.2；TP79；P332.2 文献标识码： A 文章编号： 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）是刻画陆面生态过程的关键参数，是水循环和现代水资源管理的重要分量[1-2]。ET研究是水利、农业、气象、生态环境等领域的重要内容[3]。ET的监测和控制是区域实现严格水资源管理、高效节约用水和可持续发展的技术基础。

遥感技术发展为高时间分辨率、高空间分辨率、高精度ET监测提供了基础，为ET产品系列化、规模化生产及应用提供了先决条件。目前基于遥感影像生产的ET产品很多，但由于卫星、传感器、处理方法、验证方法等存在差异，致使ET产品的形式、稳定性、精度、元数据信息等存在较大差异，这极大地影响了ET产品的交换和应用。为了统一ET产品的生产、质量及服务标准，促进ET产品更加广泛地应用，需要制定ET产品规范。

随着我国遥感技术的快速发展，遥感数据资源将越来越丰富。ET产品的生产和应用将更加广泛，未来产品的格局将是：基于多渠道遥感数据、由多企业、按统一标准生产多类型ET产品，产品广泛深入地融入社会生产与生活。因此有必要对ET产品规范开展深入研究与探讨。

1 总则

（1） 标准适用于农业、水利、气象、环境、信息系统建设等领域与服务。

（2）卫星遥感ET数据可以基于不同的卫星遥感数据、模型反演生产。通过对ET数据进行空间裁剪、时段平均、精度标定以及其它相关属性标注形成ET产品。依据地面ET监测对ET数据进行精度标定。基于ET产品开展应用和服务。

（3）标准制定引用了水土保持遥感监测技术规范[4]、遥感影像平面图制作规范[5]、国家基本比例尺地形图分幅和编号[6]、卫星遥感影像植被指数产品规范[7]、摄影测量与遥感术语[8]等。

2 术语

2.1 ET产品术语

（1）蒸散发（ET）。为蒸发与蒸腾（Evapotranspiration）的简称，有时它也被称为总蒸发，是指陆表与大气的水分交换量，是土壤、水体的蒸发（Evaportion）与植物蒸腾（Transpiration）的总称。

（2）遥感反演ET：指主要基于遥感数据通过模型计算陆面特定时间、特定区域ET数据的过程。

（3）ET数据：指主要基于卫星遥感反演的ET实数数值集，数值代表绝对量大小，符号代表蒸散方向，正数向上，负数向下，零代表凝结与蒸散处于平衡状态。

（4）ET产品：是ET数据与ET属性的总称。范式可为：ET产品=ET数据+ET属性。

（5）基础数据：指生产ET数据所使用的原始数据，主要包括遥感、水文气象等。是一个相对术语，针对不同数据意义有所不同。

（6）中间数据：指生产ET数据所使用的由基础数据转换或计算而来的数据，有时也叫中间参数，是一个相对术语，针对不同类数据可能有所不同，如反照率、植被指数、覆盖度、净辐射、感热通量、陆面温度等。

（7）ET产品属性：定义ET数据的特性，属性指标包括名称、序列号、位置、范围、分幅编号、分区类型、基础数据、反演模型、时间分辨率、几何分辨率、ET数据精度、ET精度级别、稳定性、校验方式、校验站名、产品格式、服务形式、服务机构、应用范围、高级元数据序列号等。

（8）ET产品名称：采用正则名称。有四种命名形式，即地域名称+ET产品名称、用途+ET产品名称、主要遥感数据+ET产品名称、主要ET模型+ET产品名称。

（9）ET产品类型：依据ET产品的时间、空间、精度等单属性或组合属性对ET产品进行分类得到的产品类型名。

（10）ET产品级别：通过地面监测ET对遥感反演ET数据进行精度检验，最终确定的数据精度级别。

（11）ET产品几何精度。指ET产品的空间分辨率，主要取决于基础遥感数据最小空间分辨率。

（12）ET产品稳定性。指按规定质量生产ET产品的时间频率，一般指年、月、日ET产品数量比率。如月ET产品率30%。

2.2 常用基础数据术语

常用基础数据术语主要包括：卫星遥感数据、气象数据、水文数据、ET监测数据等。ET监测数据指地面ET监测系统获取的ET数据，如涡动相关系统、闪烁仪系统、蒸渗系统等ET数据。

2.3 其它通用术语

主要包括辐射通量、辐射亮度、辐射校正、辐射定标、几何校正、大气校正、地表反射率、植被指数、反照率、辐照度、亮温度、时间分辨率、空间分辨率等。

3 一般规定

指生产ET产品所遵守的一般规定，主要包括6项，见图1：

（1）产品坐标系统。平面坐标系统和投影系统执行GB/T 15968的相关规定。采用坐标系统包括WG84椭球体，UTM投影坐标系统；高斯-克吕格西安坐标系统；高斯-克吕格新北京坐标系统。提供坐标参数，椭球体名称、投影名称、投影参数。

（2）产品的分幅。分幅和编号，执行GB/T 13989的相关规定。

（3）中间数据生产要求。中间数据生产应符合相应规范要求，如：植被指数制作应符合GB/T 30115的相关规定。

（4）ET数据精度分级。包括ET数据精度和ET几何精度两种分級方式。ET数据几何精度由空间数据的空间分辨率定义，ET数据精度等级由地面校验系统标定。

（5）产品属性规定。ET产品至少包括基本属性指标。元数据可仅提供基本元数据，反演模型可仅提供模型类型，流程可仅提供计算过程框架。

（6）ET数据格式。文本格式为x，y，ET，中间为“，”分隔，或“空格”分隔。图像格式可采用TIF、ENVI，PCI、IMG图像格式。

4 ET数据提取

4.1 ET提取模型

（1）遥感ET反演模型。一般应采用地表能量平衡模型反演ET，也可采用温度-植被指数特征空间模型、经验统计模型、数据同化模型等。也可采用新开发的模型。

（2）对于新开发遥感反演ET模型的建议。根据目前遥感反演ET模型特点和不足，建议开发下一代遥感反演ET模型，其特征如下：采用基于能量平衡的模型，对监测环境具有自适应性或者称之为弹性模型；模型参数化依据场理论参数化，并考虑多场变量的耦合性作用；模型支持多源数据的利用； 模型为分布模型，ET反演依托大数据中心完成；需要分布式地面ET校验支持；遥感反演日ET精度大于90%，空间分辨率高于10米，时间分辨率高于4-24小时。

4.2 瞬时ET提取流程

基于能量平衡的瞬时ET提取主要包括4个子过程，见图2

图2 能量平衡ET计算流程

（1）预处理。对遥感和水文气象等数据进行预处理。遥感数据预处理主要包括不合格影像剔除、辐射校正、几何校正和大气校正等。

（2）参数反演。利用预处理后数据，基于参数反演模型反演有关参数。如地表反照率、植被指数、净辐射等。

（3）通量计算。基于通量模型反演能量平衡式各个通量分项，如感热、潜热、土壤通量等。不同ET反演模型其通量计算方式可能有所不同。

（4）ET数据反演。基于中间数据和ET模型反演瞬时ET或日ET。基于能量平衡的ET反演模型较多，建议采用SEBAL模型和互补关系模型反演ET。

1）SEBAL能量平衡方程

SEBAL依据近地表大气能量守恒原理估算ET，能量守恒方程见（1）

Rn-G=H+λET（1）

其中：Rn：净辐射，单位：W/m2；

G：地表向下的热通量，单位：W/m2；

H：感热通量，单位：W/m2；

λET：潜热通量，单位：W/m2。

2）互补关系模型ET计算方程见（2）

式中：ETa：实际蒸散；a：常数；Δ：温度饱和水汽压曲线斜率；？酌：干湿表常数；Rn：地表净辐射；G：土壤热通量；EA：干燥力。

5 ET尺度扩展

时间尺度拓展可采用经验模型、正弦关系法、蒸发比法、参考蒸发比法、表面阻抗法、天文辐射比法和数据同化法等。应根据影像数据和地面观测条件，选择合适方法。时间尺度扩展流程见图3。

图3 时间尺度扩展流程

6 ET数据后处理

（1）ET数据时段平均。根据日ET通过时段平均计算更大时间尺度ET，如旬、月、季、年ET。

（2）ET数据拼接或裁剪。 依照ET产品要求，按国家标准分幅或区域边界对ET数据进行拼接或裁减。

（3）分区统计.按专题分类对ET进行分区统计，如土地利用分区、作物类型分区、景观生态分区、行政区划分区等。

7 ET产品分级

（1）ET空间分辨率分级.将ET计算采用的遥感数据中最低空间分辨率作为ET产品空间分辨率。依据ET空间分辨率对ET进行空间分辨率分级。

①低分辨率ET 空间分辨率大于50m；

②中分辨率ET 空间分辨率在5-50m之间；

③高分辨率ET 间分辨率小于5m。

（2）ET精度分级.依据地面观测ET对遥感反演ET数据精度进行检验，并确定其精度级别。产品精度采用正确率表示。根据准同步地面监测与卫星遥感反演ET接近程度表示。具体分为六级如下：

1级 精度≥90%；

2级 90>精度≥85%；

3级 85>精度≥80%；

4级 80>精度≥75%；

5级 75>精度≥60%；

6级 精度<60%。

（3）ET地面真实检验站点。ET地面真实校验点为ET已知的地面连续像素集的统称，像素数1-N，像素分布最好接近于正方形。这些像素通过地面仪器和设施，可以准确得到其ET平均值。为了对地面一定区域ET进行监测，需要建设ET站点，或称作遥感反演ET地面检验场。根据校验点的ET数据获取方式和影响范围，可将ET站点分为基本站点，一般站点，插值点三类。

基本站点：安装配套仪器设备，可以精确获取观测场ET，并可对一般站点提供校正。

一般站点：安装简单ET监测仪器设施，可以单独或借助基本站点获取精确ET。

插值点：根据基本站点、一般站点通过明确的机理关系或几何插值得到ET。ET与參考站相关性应达到85%以上。

（4）ET地面真实检验。根据参与ET真实检验的站点数量，分为单点和多点两种检验方式。根据参与ET真实检验时间序列点数，分为单时刻、多时刻或单序列三种检验方式。

单时刻检验：通过对比参考点与瞬时ET，计算反演ET精度。

多时刻检验：通过对比参考点与多个瞬时ET产品、日ET、月ET、或年ET等，计算反演ET产品的整体精度。

单序列ET检验：通过对比参考点ET与序列日ET、月ET或年ET等，计算反演ET产品的整体精度。

8 ET产品属性标注

确定ET数据相联系的产品属性以及元数据信息。元数据包括基本元数据和高级元数据，前者与产品属性指标一致。 后者主要包括7类信息即：

（1）原始影像数据元数据，包括高级元数据序列号，图像数据；

（2）气象数据元数据，包括高级元数据序列号，气象数据；

（3）其他数据元数据，包括高级元数据序列号，其他数据元数据；

（4）模型元数据，包括高级元数据序列号，模型名称、模型编号、模型参数；

（5）校验元数据，包括高级元数据序列号，校验样点坐标、ET数据、地物特性、误差、校验机构、校验人。

为保证ET生产商的权益，高级元数据可不向用户提供，仅用于生产跟踪。

9 ET产品包装

主要是将ET数据及元数据按规定格式制作成压缩数据包。压缩包应包括4个目录，即（下转第120页）（上接第123页）ET数据、基本信息、基础元数据、高级元数据。

10 产品发布

根据用户需要形式，ET产品发布可采用通用购物模式、定制服务模式、专项服务模式、APP模式等。

通用购物模式：ET产品供应商通过公用网络平台发布ET产品信息，用户根据需要，选择产品并购入，类似网购。

定制服务模式：ET产品供应商按政府购买合同、或大用户需要，构建发布渠道，定期向用户推送ET产品。

专项服务模式。ET产品供应商根据用户需要，制作特定ET产品，通过邮寄方式向用户提供ET产品。

app服务模式。 ET产品供应商或公益机构，将生产的ET标准产品制作成app，供用户下载使用，类似地图服务模式。供应商为政府机构或公益机构。

11 结论

（1）文中提出ET产品精度标定分级，但标定过程和算法需要进一步研究，尤其是基于多时空尺度的标定算法与标准；

（2）提出遥感反演ET模型的推荐方法，其它方法也适应，不对新模型开发进行限制；

（3）为尽快达成统一，尽量简化ET作为产品的属性项。各行业可根据需要在统一属性基础上，制定本行业次级属性。

【参考文献】

[1]张发耀，王福民，周斌等.基于SEBAL模型的浙江省区域蒸散发量估算研究[J].人民长江，2013，44（17）：40-44.

[2]程帅，张兴宇，李华朋等.遥感估算蒸散发应用于灌溉水资源管理研究进展[J].核农学报，2015，29（10）：2040-2047.

[3]赵文智，吉喜斌，刘鸽.蒸散发观测研究进展及绿洲蒸散研究进展[J].干旱区研究，2011，28（3）：464-470.

[4]水利部水土保持监测中心，水利部水土保持司.SL592-2012中华人民共和国水利行业标准水土保持遥感监测技术规范[S]. 中华人民共和国水利部.2012：1-10.

[5]国家测绘局测绘标准化研究所，国家测绘局. GB/T 15968-2008中华人民共和国国家标准遥感影像平面图制作规范[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.2008：1-8.

[6]国家测绘局，测绘标准化研究所，国家测绘地理信息局. GB/T 13989-2012中华人民共和国国家标准国家基本比例尺地形图分幅和编号[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.2012：1-11.

[7]武汉大学，全国遥感技术标准化技术委员会（SAC/TC27）。GB/T30115-2013中华人民共和国国家标准卫星遥感影像植被指数产品规范[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.2013：1-16.

[8]国家测绘局，全国地理信息标准化技术委员会. GB/T 14950-2009中华人民共和国国家标准摄影测量与遥感术语[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.2009：1-66.