中国遥感实验与真实性检验的发展思考

　　中国遥感实验与真实性检验的发展思考

　　l引言

　　近几十年来，中国国产卫星和遥感载荷不断丰富，发展自主的卫星遥感产品、提高遥感产品质量和精度迫在眉睫（柳钦火等，2023），把遥感产品做的更加专业、更加定量化、更加高质量。然而，遥感产品生成是一个复杂的系统性工程，产品精度由卫星载荷性能、辐射定标误差、数据处理水平以及反演算法性能等系列误差累积决定(Wu等，2019)。因此，迫切需要我们解决并持续研究遥感产品精度提升的问题。

　　遥感实验作为遥感产品真实性检验的基础，两者相辅相成。真实性检验是利用能够视作地表“真值”的参考数据（如经过质量控制、尺度转换等系列处理的地面实测数据和机载数据等）评价遥感产品的不确定性，给出确切精度指标的过程，这是提高遥感产品精度、改善遥感产品质量的重要依据(闻建光等，2022)。遥感实验在遥感科学与技术研究中具有重要的地位，贯穿了遥感科学研究整个过程，并在以下3个不同阶段起重要作用：通过观测可得到对真实世界的客观认识，使用恰当的数学与物理方法形成模型，以及针对模型和遥感产品进行验证（柳钦火等，2019）。

　　2022年11月4至6日，中国“首届遥感实验与真实性检验学术论坛”召开，来自国内相关领域60余家科研院所和企事业单位的1000余名专家、学者和学生以线上线下相结合的方式，围绕遥感实验与真实性检验理论与实践、地面观测与不确定性、真实性检验实践与平台、遥感实验与真实性检验的未来发展等多个议题展开了热烈的交流与讨论，对中国遥感实验与真实性检验过去的科研成果进行了总结，对目前存在的主要问题进行了剖析，并对未来的发展提出了建设性的意见和展望。

　　本文通过回顾中国在遥感实验与真实性检验方面的发展历程，结合首届遥感实验与真实性检验学术论坛专家观点，分别从遥感实验与真实性检验理论框架和方法体系、地面观测与数据标准化处理、地表异质性与尺度转换、产品真实性检验、系统平台与数据共享等方面阐述中国在该领域面临的问题与挑战，最后文章对中国遥感实验与真实性检验的发展前景进行展望。

　　2中国遥感实验和真实性检验主要发展历程

　　纵观中国遥感实验与真实性检验的发展历程，有3个主要发展阶段。第1个阶段为遥感应用实验阶段，1978年开始的云南腾冲航空遥感试验开启了中国独立自主进行遥感应用试验的先河（陈述彭和周上盖，1986;童庆禧等，1999），与1980年组织的天津―渤海湾环境遥感实验和二滩水能开发遥感实验，被誉为中国遥感事业起步的“三大战役”（顾行发等，2016）。在此基础上，大概历经15年，中国各部门、地区结合专业特点，陆续开展了南京资源环境综合试验、安徽国土资源综合试验及上海综合遥感调查等以资源调查为主的实验（闻建光等，2015）。

　　第2个阶段为定量遥感机理实验阶段，该阶段以1999年山东禹城定量遥感实验作为开端，开始了中国以定量遥感研究为目标的综合实验（李小文等，2001）。2001年开始了以定量遥感机理及在农业中的定量应用为目标的北京顺义遥感综合实验（Liu等，2002）及其后续的2002、2004、2005年以地表通量定量遥感研究为目标的北京小汤山遥感观测实验（张仁华，2009），2005年开展了以小麦和森林定量遥感研究为目标的江西千烟洲遥感综合实验。北京顺义实验在中国遥感实验史上开创了定量遥感星―机―地同步观测、以像元为核心的尺度转换、像元亚像元不同尺度不同下垫面强化观测、以及航空和地面同步的多角度观测等4个首次，为遥感模型的发展和算法的验证积累了大量宝贵的数据（李小文，2006）。

　　第3个阶段为定量遥感机理和真实性检验综合实验阶段，在综合实验方面最具代表性的2007开始的黑河遥感实验，历经“黑河综合遥感联合试验WATER”（李新等，2008；Li等，2009）和“黑河生态水文遥感试验HiWATER”（Li等，2013；Liu等，2018）两个阶段，以多尺度观测方法创新、定量遥感和生态水文应用为特色。2016年，在内蒙古根河市大兴安岭森林生态系统野外科学观测站区域内开展了以面向复杂地形的遥感信息动态分析与建模试验，为复杂地表模型验证、时空尺度扩展方法验证、森林生态系统关键参量反演方法验证提供有效的数据支持(Zhang等，2019)。2018-2019年遥感科学国家重点实验室组织开展了闪电河―滦河遥感综合实验，试验以观测和模拟结合，以实现对辐射收支、碳循环、水循环和人类活动重要过程的认识（阎广建等，2021；赵天杰等，2021）。

　　与综合性遥感实验同步发展的，还有很多以台站为基地的常规观测实验和科研人员组织的特定遥感实验。台站常规观测实验通常结合台站的定位和科研发展需要，多年来通过对某一地物目标开展的定点持续观测，较为典型的包括中国科学院真实性检验台站网络、中国科学院生态系统研究网络等野外观测站的观测。2008年-2010年开展了以地表蒸散发遥感产品真实性检验为目标的海河流域（馆陶、密云、大兴站）多尺度地表水热通量观测实验(Liu等，2013;Jia等，2012)。2010和2014年在中国科学院怀来遥感综合实验站开展了全波段多尺度遥感机理综合试验，是国内首次以支持遥感辐射传输机理与建模、多源遥感协同反演与真实性检验等重大科学问题研究为目标的综合遥感精细观测实验。2012年，在国家863计划重大项目“星机地综合定量遥感系统与应用示范”支持下，中国真实性检验站网逐步发展，由河北怀来、甘肃黑河、东北净月潭、内蒙古呼伦贝尔、以及江苏太湖等野外观测台站构成了中国遥感产品真实性检验台站网络原型（称为中国科学院真实性检验台站网络）（Ma等，2015）。针对某一科研需要组织的特定遥感实验不计其数，如十多年来持续开展的全国典型地物波谱测量实验（钟守熠等，2020），东北农田结构参数测量实验(方红亮，2020)等。这些常规观测和特定观测实验具有明显的地域和学科特色，获取了时空覆盖广泛的数据，是定量遥感研究和产品真实性检验的重要组成部分。

　　2019年中国高分辨率对地观测重大专项启动了国家真实性检验系统建设，针对中国复杂地表分布广泛的特征（贺敏等，2022），分别在河北怀来、重庆北碚、甘肃黑河、云南普洱以及内蒙古根河5个区域针对复杂地表开展了星机地综合实验，重点围绕高分卫星产品真实性检验中地面优化采样和尺度转换等关键技术进行了攻关，中国学者也提出了遥感产品真实性检验基准台站网络建设的建议（方红亮等，2021）。随着高分辨率对地观测重大专项和国家民用空间基础设施的实施，依据不同生态功能分区，分别构建了国家高分真实性检验网络42个台站，以及国家民用空间基础实施真实性检验网络48个台站，形成了服务于中国遥感产品真实性检验的场站网。

　　系列遥感实验推动了中国真实性检验理论与方法研究工作的日渐成熟。从第2个阶段关注的地面关键参量单点观测，快速发展到第3个阶段的像元“真值”多尺度组网观测，逐渐发展了多尺度嵌套、通量观测矩阵、无线传感器网络等地面观测(Liu等，2011，2018;Jin等，2014;Wu等，2016)、地表异质性度量和样点优化采样（Ge等，2015,Wu等，2021;Liu等，2022）、尺度效应和尺度转换（Liu等，2016;Ge等，2019;Wu等，2020;Li等，2021）、像元“真值”估算和不确定性评价（Wu等，2019;Wen等，2022;Zhang等，2022）等关键技术，系统性形成了从遥感观测到像元“真值”的遥感产品真实性检验技术链条，显著促进了中国遥感实验与真实性检验的发展。

　　从第3个阶段开始，中国逐步强调了遥感实验和真实性检验系列标准规范的建设。自2012年开始，历经10年，中国先后发布实施了《遥感产品真实性检验导则》(GB/T36296-2018)（国家市场监督管理总局等，2019）、《陆地定量遥感产品真实性检验通用方法》（GB/T39468-2020）(国家市场监督管理总局等，2020)、陆地遥感产品真实性检验地面观测场的选址和布设(GB/T41540-2022)（国家市场监督管理总局等，2023d）等3项总体标准，以及植被指数遥感产品真实性检验（GB/T40038-2021）(国家市场监督管理总局等，2021c)等12种单项产品真实性检验国家标准；2019年高分辨率对地观测重大专项国家真实性检验系统任务启动后，中国将真实性检验标准体系进一步扩展，形成了包括地基和无人机野外观测数据获取、高分共性产品真实性检验与高分共性产品生产3类126项标准，这无疑为中国遥感实验与真实性检验的规范化发展提供了重要保障（柳钦火等，2023）。

　　实际上，在第2个阶段末期，中国已开始着手研制遥感产品真实性检验系统。基于中国科学院遥感产品真实性检验站网原型观测数据，研制了中国首个定量遥感产品真实性检验系统(Lin等，2018)。2019年，基于高分辨率对地观测重大专项全国42个观测台站数据，集成观测数据质量控制和尺度转换关键技术，进一步将遥感产品真实性检验系统扩展成为算法测评与真实性检验平台(闻建光等，2022)。当前该平台具备了25种遥感产品算法测评和真实性检验能力。

　　随着中国遥感实验与真实性检验技术的发展．特别是第2阶段的定量遥感机理实验逐步推动了中国遥感领域的发展。第3阶段的黑河遥感实验，促使了中国在遥感实验和真实性检验领域的整体研究水平显著提升。

　　3中国遥感实验与真实性检验面临的问题与挑战

　　围绕遥感实验与真实性检验的关键问题，下面分别从遥感真实性检验理论框架和方法体系、地面观测技术与设备人员保障、地表异质性与尺度转换、产品真实性检验、系统平台与数据共享等5个方面进行讨论。

　　3.1遥感真实性检验理论框架和方法体系

　　遥感产品真实性检验理论和技术框架已初步建立，一个完整的遥感产品真实性检验技术流程通常涉及场地遴选、地表异质性度量、样点优化采样、高精度原位观测、数据质量控制、时空尺度转换和真实性检验方法选择。该技术流程框架的核心是为了获取与待检产品时空一致的像元“真值”。为了获取像元“真值”，科学家们针对每个技术环节系统性地开展了研究，通过评价真实性检验中的不确定性(Wu等，2019)，力求将各技术环节不确定性降到最低。均质地表的真实性检验实践已经相对成熟并已形成国家标准。近几年来，中国科学家开始关注异质性地表像元“真值”获取及其不确定性评价，提出只有在不确定性小于某一阈值的像元“真值”才能被用于真实性检验的准则，可保障真实性检验结果的可靠性。检验覆盖的地表既包含均质地表，也没有放弃异质地表，以更加开放的思路重视和丰富了真实性检验的理论创新和方法改进，进一步优化和完善了真实性检验理论框架。

　　中国已逐步重视遥感产品真实性检验的基础性理论研究，运用数学方法解决真实性检验中的核心问题，如代表性误差定义、像元“真值”定义、尺度转换、地表异质性度量、像元“真值”不确定性评价等。由于影响像元“真值”的误差由观测误差、优化采样误差、几何匹配误差、尺度转换误差等综合而成，如何定量描述各环节误差以及像元“真值”的综合误差，如何量化真实性检验过程的误差和不确定性并提高真实性检验过程和结果的可靠性仍是值得深入研究和讨论的基础性问题。遥感产品真实性检验属于一个斤斤计较的领域，将各个环节的误差降到最低是关键。

　　在遥感产品真实性检验框架下，真实性检验应成为遥感产品质量和行业应用效益提升的重要支撑。真实性检验成果既可为算法研发者提供建议，是遥感产品精度提升的重要依据，也为应用用户选择遥感产品提供依据。随着中国物联网技术的发展，如何将实时获取的地面观测数据、像元尺度真值和真实性检验结果，与遥感产品的生成进行准实时对接并进行产品校正，将是提升遥感产品质量的重要研究课题之一。

　　3.2地面观测技术与设备人员保障

　　地面原位（insitu）观测是遥感实验和真实性检验的基础。中国多数台站采用了国外购置的设备进行观测，然而很多时候环境条件无法满足测量要求，导致与地面手工观测的真值相差较大，进而增加像元“真值”的不确定性。因此，中国应破解国外观测设备垄断的困境，大力发展新的测量技术和新的测量仪器，并利用像元“真值”对观测设备进行严格的标定，提高原位测量精度，真正解决测量数据是否准确的问题。

　　设备研发的另一问题是针对卫星像元或模型网格等具有遥感特色的面元尺度地面观测设备普遍较少。当前国内野外台站研发的观测仪器虽然可用于真实性检验，但主要以面向生态水文关键参量的观测为主，并非面向遥感领域的遥感像元。当前具有遥感特色的仪器研发主要集中在机载和星载载荷，面向遥感像元尺度的地基观测设备研发应加强，并在实际测量中发挥作用。

　　建立观测联盟，真正形成中国遥感实验和真实性检验观测网络。中国科学院真实性检验网络的河北怀来、甘肃黑河、东北净月潭等遥感站，高分辨率对地观测重大专项和国家民用空间基础设施的真实性检验站网为中国遥感实验与真实性检验带来了机遇。但网络中很多新建站的核心不是真实性检验，在获取异质性地表像元“真值”时存在较大误差。因此，应建立遥感实验与真实性检验联盟，将野外台站与行业观测网络结合，突破行业壁垒，统筹资源，形成学术交流、实验组织和标准规范制定的有效机制，整体提升野外台站对遥感产品的真实性检验能力。同时，建议逐步建设中国遥感产品真实性检验基准参考站网，提升现有观测标准，满足高质量遥感产品真实性检验需求。

　　建立一支遥感实验工程师队伍，保障野外设备的运维、定标和规范化测量，做好数据的标准化处理。当前国内数据很难达到国际数据共享水平，主要原因在于仪器设备维护不足和观测结果缺少及时检查，部分仪器多年未定标导致测量数据质量良莠不齐。因此，需要在观测联盟基础上，通过顶层设计，建立一支高质量的工程师队伍，将观测做到有迹可循、质量可靠，在数据生产的全过程严把质量关。

　　3.3地表异质性与尺度转换

　　国内外台站观测主要集中在均质地表，中国地形复杂、地表破碎，异质性地表普遍存在，因此要更加注重异质性地表。遥感实验与真实性检验根本在于观测，其难点在于混合地类和复杂地形带来的地表观测的代表性问题，以及由观测点到像元面的尺度转换问题，显然地表的异质性导致了遥感产品真实性检验的困难。

　　无论是地理要素，还是地带性或是非地带性，地表异质性是绝对的。厘清有哪些类型异质性是首先要回答的问题，对于不同类型的异质性，采样方法和尺度转换不同，其核心问题是弄清什么因素引起异质性并如何处理这些异质性。如不同异质性适用的尺度转换方法有哪些，尺度转换适用的范围是多大，在尺度转换过程中，哪些物理属性没有变化，哪些统计特征发生了变化，这些都是地表异质性带来的问题。

　　显然，如何表达和度量地表异质性是影响像元“真值”获取的基础性问题，对于同一地表不同参数体现不同的异质性，需要我们针对不同参数对不同异质性特征的敏感度来设计观测。同时，地表异质性还与空间尺度有关，如在大尺度上认为草原的异质性比森林要小，但在小尺度上，不同样方的草地空间异质性仍比较显著，这种异质性导致普适性尺度转换模型可能存在较大误差。

　　3.4产品真实性检验

　　为了做好可以溯源的遥感产品质量标识．真实性检验与产品反演不确定度自评价结合至关重要。当前遥感产品的质量标识主要来自于从正向的反演过程推演得到，真实性检验需要与正向推演的不确定度结合，并重新定义质量标识。

　　从用户的角度看，需要产品生产方或检验方提供细化到像元的质量标识或不确定性信息，这有利于用户在应用遥感产品时，了解和掌握该产品在不同统计单元尺度下的不确定性。当前基于独立手段开展的遥感产品真实性检验反映了产品在特定时间和空间范围内的精度，对用户了解产品的整体精度起到了重要作用，但还无法满足用户需要以任意形状、任意大小的统计单元推断产品不确定性的需求。对产品生产者来说，遥感反演或统计估测过程也必需经过严格的检验，具有生成像元不确定性标识的能力。通过充分利用这些标识信息，产品真实性的独立检验者更易给出待检验产品在像元尺度的不确定性。对于遥感产品真实性检验，如何将产品的不确定性做到像元尺度具有较大的挑战。

　　3.5系统平台与数据共享

　　在过去近十年，国内外多家机构同步在建设真实性检验系统平台，中国也逐步形成了从遥感产品真实性检验平台到面向遥感算法测评与遥感产品真实性检验的系统平台。平台的核心就是有用好用，关键在于观测的点数据到遥感面尺度数据的高精度转换，即像元“真值”做得好。

　　真实性检验的数据共享急需加强，对真实性检验的发展也更为关键。黑河遥感实验从2008年开始在数据共享方面作了非常好的表率，逐步在国内外产生了重大影响。“拥抱开放科学，积极数据共享”，中国应立即行动起来，将不同渠道来源的科学数据进行发表发布和共享。在观测联盟基础上，通过中国的真实性检验系统平台，将高质量观测数据和像元“真值”入库，积极推动数据共享。

　　真实性检验系统平台需要跟国家的业务系统充分结合，发挥更大的效益。真实性检验与遥感产品结合，在遥感产品做好反演的同时，经真实性检验这把尺子量好，基于遥感产品应用的行业才能做得更好，才能真正满足国家需求。

　　4结语

　　遥感实验与真实性检验是保障遥感卫星从数据到信息高质量转换的重要环节，遥感实验是遥感产品算法研发和产品真实性检验的基础，经过真实性检验的遥感产品才能更好地支持行业应用。

　　中国在遥感综合实验组织、观测站网建设、面尺度观测技术、样点优化采样、尺度转换以及真实性检验方法发展等方面取得了代表性的成果，已经形成了一支专门从事遥感实验与真实性检验的队伍。但如何让遥感实验与真实性检验成为遥感产品质量的重要保障，需要系统性地从全链路考虑和顶层设计。

　　(1)遥感实验与真实性检验基础研究仍不足，中国遥感科学与技术研究人员具有较好的数学和物理基础，应从基础理论深层次解决遥感实验与真实性检验的核心问题，发展新的观测技术和真实性检验方法，提高中国遥感实验和真实性检验研究总体水平。

　　(2)大力发展国产自主设备，针对异质性地表研发新的测量技术和高精度机载与面尺度地基观测设备，破解国外观测设备垄断的地位，从根本上解决原位观测不准确的问题。

　　(3)加强遥感观测台站和实验基地建设，建议建立中国遥感验证基准站网，成立中国遥感实验与真实性检验台站观测联盟，并由国家相关部门持续支持，建成可与国际上主要台站网络相媲美的遥感实验和卫星遥感产品真实性检验专用观测网络。

　　(4)重视异质性地表遥感实验与真实性检验研究，从地表异质性刻画、优化采样、多尺度观测、尺度转换等方面进行突破，开展像元“真值”的不确定性评价，满足中国在复杂地表开展遥感产品真实性检验的客观需求。

　　(5)加强真实性检验系统平台研发和数据共享力度，确保平台做到有用、能用、好用，并与国家应用系统结合，满足国家重大需求。

　　(6)建立卫星数据接收―地面观测数据汇聚―算法测评―遥感产品生产―产品真实性检验的以遥感产品为核心的全链路服务能力，发挥遥感实验与真实性检验真正成为遥感产品质量保障的作用。

　　遥感实验与真实性检验离不开全国甚至是全球科研工作者的共同努力，在中国建制化和举国体制科研的优势下，通过网络式协同观测、系统性关键技术攻关、遥感真实性检验国家平台构建，真正形成良好的遥感实验与真实性检验学术生态。更需要通过国际合作，开展全球遥感实验和真实性检验，贯通国内国际知名观测网络，提高中国在遥感实验与真实性检验领域的国际影响力。

　　                                                            摘自《遥感学报》2023年3期