GB_T 41281-2022光合有效辐射遥感产品真实性检验.pdf

书 书 书犐 犆犛 犆犆犛犃 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准犌犅犜 光合有效辐射遥感产品真实性检验犞犪 犾 犻 犱 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狆 犺 狅 狋 狅 狊 狔 狀 狋 犺 犲 狋 犻 犮 犪 犾 犾 狔犪 犮 狋 犻 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲犿狅 狋 犲狊 犲 狀 狊 犻 狀 犵狆 狉 狅 犱 狌 犮 狋 狊 发布 实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局国 家 标 准 化 管 理 委 员 会发 布书 书 书目次前言引言范围规范性引用文件术语和定义参考对象基本要求检验方法检验报告附录（资料性）全球光合有效辐射及总辐射地面观测数据列表附录（资料性）空间代表性评价方法附录（规范性）观测样点布设及光合有效辐射地面观测 附录（资料性）时间一致性转换方法 附录（资料性）光合有效辐射遥感产品真实性检验信息简表样例 参考文献 犌犅犜 前言本文件按照 标准化工作导则第部分：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（）归口。本文件起草单位：中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院地理科学与资源研究所、中国气象科学研究院、中国资源卫星应用中心、生态环境部卫星环境应用中心。本文件主要起草人：李丽、辛晓洲、张海龙、闻建光、吴骅、王培娟、高彦华、姚延娟、仲波、余珊珊、柏军华、杜永明、柳钦火、刘照言、于江丰、龚力峰。犌犅犜 引言光合有效辐射是太阳辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的能量。光合有效辐射作为生物量形成的基本能源，直接影响着植物的生长、发育、产量和质量，光合有效辐射遥感产品能够提供全球及区域尺度的光合有效辐射，在光合潜力、作物生长模拟、碳循环、全球变化等研究中具有重要意义。本文件旨在统一不同类型、不同时空分辨率的光合有效辐射遥感产品的真实性检验参考对象、检验流程、检验方法，并形成光合有效辐射遥感产品质量评价的指标与方法，保证光合有效辐射遥感产品在科学研究和行业应用中的一致性和产品质量。犌犅犜 光合有效辐射遥感产品真实性检验范围本文件规定了光合有效辐射遥感产品真实性检验的参考对象、基本要求、检验方法和检验报告。本文件适用于光合有效辐射遥感产品的真实性检验。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。遥感产品真实性检验导则 陆地定量遥感产品真实性检验通用方法术语和定义 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。太阳辐射狊 狅 犾 犪 狉狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀太阳发出的电磁辐射。来源：，光合有效辐射狆 犺 狅 狋 狅 狊 狔 狀 狋 犺 犲 狋 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀太阳辐射光谱中可被绿色植物的质体色素吸收、转化并用于合成有机物质的一定波段的辐射能。注：一般把 的太阳辐射称为光合有效辐射。来源：，短波辐射狊 犺 狅 狉 狋 狑犪 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀波长介于 的电磁辐射。来源：，直接辐射犱 犻 狉 犲 犮 狋狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀从日面及其周围一小立体角内发出的辐射。注：一般情况下，直接辐射是由视场角约为 的仪器测定的。因此，它包括日面周围的部分散射辐射，即环日辐射，而日面本身的视场角仅约为 。来源：，散射辐射犱 犻 犳 犳 狌 狊 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射。犌犅犜 来源：，总辐射犵 犾 狅 犫 犪 犾狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀水平面从上方立体角范围内接收到的直接辐射和散射辐射之和。来源：，光量子通量密度狆 犺 狅 狋 狅 狀犳 犾 狌 狓犱 犲 狀 狊 犻 狋 狔单位时间投射到单位面积上的光子数量。注：单位为微摩尔每平方米秒（）瞬时光合有效辐射犻 狀 狊 狋 犪 狀 狋 犪 狀 犲 狅 狌 狊狆 犺 狅 狋 狅 狊 狔 狀 狋 犺 犲 狋 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀某一时刻的光合有效辐射值。注：单位为瓦每平方米（）。日累积光合有效辐射犱 犪 犻 犾 狔狆 犺 狅 狋 狅 狊 狔 狀 狋 犺 犲 狋 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀一天时间（）内光合有效辐射的累加值。注：单位为兆焦耳每平方米（）。月累积光合有效辐射犿狅 狀 狋 犺 犾 狔狆 犺 狅 狋 狅 狊 狔 狀 狋 犺 犲 狋 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀一个月时间内光合有效辐射的累加值。注：单位为兆焦耳每平方米（）。年累积光合有效辐射狔 犲 犪 狉 犾 狔狆 犺 狅 狋 狅 狊 狔 狀 狋 犺 犲 狋 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀一年时间内光合有效辐射的累加值。注：单位为兆焦耳每平方米（）。下行短波辐射犱 狅狑狀狑犪 狉 犱狊 犺 狅 狉 狋狑犪 狏 犲狉 犪 犱 犻 犪 狋 犻 狅 狀大气层顶的太阳短波辐射经吸收、散射等作用后到达地表的电磁辐射。参考对象光合有效辐射遥感产品真实性检验的参考对象包括。）地面观测数据：包括已有观测站点或布设观测样点利用光量子测量表或总辐射表获取的地面观测数据。全球已公开发布的光合有效辐射及总辐射地面观测数据列表见附录。）已检遥感产品：已检验的光合有效辐射遥感产品或下行短波辐射遥感产品。基本要求光合有效辐射遥感产品真实性检验在符合 第章要求的同时，还符合以下要求：）参考对象为已检遥感产品时，已检遥感产品的空间分辨率，宜与待检光合有效辐射遥感产品的空间分辨率相同或相近；已检遥感产品的时间分辨率，应高于待检光合有效辐射遥感产品的时间分辨率或与待检光合有效辐射遥感产品的时间分辨率一致；犌犅犜 ）参考对象宜具有区域代表性，覆盖待检光合有效辐射遥感产品范围内的不同高程和地理条件；）参考对象宜具有时间代表性，覆盖一天中不同时刻、一年中不同季节；）参考对象宜具有天气状况代表性，包括晴天、阴天，为全天候天气条件。检验方法 检验方法选择光合有效辐射遥感产品的真实性检验方法包括直接检验方法和间接检验方法。应首选地面观测数据进行光合有效辐射遥感产品的真实性检验，当有地面观测数据时，应采用直接检验法；当有已检遥感产品时，可采用间接检验法。直接检验法光合有效辐射遥感产品直接检验法检验流程应符合 中 的规定，主要操作流程见图，具体步骤如下。图光合有效辐射遥感产品直接检验法操作流程犌犅犜 ）待检验光合有效辐射遥感产品：获取产品的类别、空间分辨率、时间分辨率、空间范围等信息。）已有观测站点数据判断：根据待检光合有效辐射遥感产品的空间范围判断在此范围内是否有已有观测站点数据，已有观测站点数据见附录。若有已有观测站点数据，则进行已有观测站点空间代表性评价；若没有已有观测站点数据，则进行观测样点布设。）已有观测站点空间代表性评价：见附录中的空间代表性评价方法计算已有地面观测站点的空间代表性评价指标。）空间代表性判断：根据计算的空间代表性评价指标，若空间代表性评价指标大于或等于，则选择已有观测站点数据作为参考对象；若空间代表性评价指标小于，则进行观测样点布设。）已有观测样点数据获取：根据待检光合有效辐射遥感产品的类别、空间分辨率、时间分辨率以及空间范围信息下载对应的已有观测站点数据。）观测样点布设：按附录中 的要求进行观测样点布设。）观测样点数据采集：按 的要求进行观测样点数据采集。）光合有效辐射计算：若获取的地面观测数据为光量子测量表测量的观测数据，按公式（）将地面观测的光量子通量密度数据转换为光合有效辐射数据；若获取的地面观测数据为总辐射表测量的观测数据，按公式（）将地面观测的总辐射数据转换为光合有效辐射数据。）空间匹配：将地面观测站点样点与待检验的光合有效辐射遥感产品像元进行空间匹配。）时间一致性判断：根据待检验的光合有效辐射遥感产品的时间尺度，判断地面观测数据的时间尺度是否一致，若时间尺度一致，则作为像元尺度相对真值；若时间尺度不一致，则应进行时间一致性转换。）时间一致性转换：若待检验的光合有效辐射遥感产品为瞬时光合有效辐射产品，则宜选择待检验遥感产品时刻 内的地面观测数据平均值作为像元尺度相对真值；若待检验的光合有效辐射遥感产品为日累积光合有效辐射产品，应对地面观测数据进行日累积计算作为像元尺度相对真值（见附录中）；若待检验的光合有效辐射遥感产品为月累积光合有效辐射遥感产品，应对地面观测数据进行月累积计算作为像元尺度相对真值（见）；若待检验的光合有效辐射遥感产品为年累积光合有效辐射遥感产品，应对地面观测数据进行年累积计算作为像元尺度相对真值（见）。）准确度评价：按 中 的准确度评价指标定量表达检验的光合有效辐射遥感产品的准确度，准确度评价指标至少应包括均方根误差、相关系数。）不确定度分析：按 中 的不确定度评价指标进行光合有效辐射遥感产品的不确定度分析，不确定度评价指标至少应包括标准差。间接检验法间接检验法检验流程应符合 中 的规定，主要操作流程见图，具体步骤如下：犌犅犜 图光合有效辐射遥感产品间接检验操作流程）待检验光合有效辐射遥感产品：获取产品的类别、空间分辨率、时间分辨率、空间范围等信息；）已检遥感产品选择：若已检遥感产品为已检光合有效辐射遥感产品，则进行空间一致性判断；若为已检下行短波辐射遥感产品，按照 将下行短波辐射遥感产品转换为光合有效辐射遥感产品；）空间一致性判断：根据待检光合有效辐射遥感产品的空间分辨率，判断已检遥感产品是否空间尺度一致，若一致，则进行时间一致性判断；若空间尺度不一致，应对已检遥感产品进行空间尺度转换，获得空间尺度一致的已检遥感产品，再进行时间一致性判断；）空间尺度转换：当待检光合有效辐射遥感产品与已检遥感产品的空间分辨率不一致时，应使用空间重采样方法对已检遥感产品进行空间尺度转换至与待检光合有效辐射遥感产品相一致的空间尺度；）时间一致性判断：根据待检验的光合有效辐射遥感产品的时间尺度，判断已检光合有效辐射遥感产品是否时间尺度一致，若时间尺度一致，则采用已检光合有效辐射遥感产品对应的像元值作为像元尺度相对真值；若时间尺度不一致，应对已检遥感产品进行时间一致性转换；）时间一致性转换：时间一致性转换方法见，获得与待检光合有效辐射遥感产品时间一致的已检遥感产品，作为像元尺度真值；犌犅犜 ）样本选择：按 中 的检验样本抽样方法进行样本选择；）准确度评价：按 中 的准确度评价指标定量表达检验的光合有效辐射遥感产品的准确度，准确度评价指标至少应包括均方根误差、相关系数；）不确定度分析：按 中 的不确定度评价指标进行光合有效辐射遥感产品的不确定度分析，不确定度评价指标至少应包括标准差。检验报告 封面信息检验报告封面至少应包括以下信息：）检验报告编号；）检验报告名称；）检验负责人；）检验核对人；）检验签发人；）检验单位；）送检单位；）检验时间。正文信息 待检验的光合有效辐射产品概述对待检验的光合有效辐射遥感产品进行简要描述，至少应包括：）产品的名称、类型、数据源、地理参考、投影方式；）产品的空间分辨率、空间覆盖范围、获取时间、时间分辨率；）产品的光谱范围、单位；）产品所采用的主要算法以及算法的特点。参考对象描述对作为参考对象进行描述，至少应包括：）参考对象的常规信息，包括类型、空间特征、时间特征、光谱范围；）参考对象的测量方法、测量仪器、数据格式，单位；）参考对象的精度描述。检验方法及流程对采用的检验方法和检验过程进行描述，至少应包括：）检验方法概述；）检验流程；）检验结果的评价指标；）检验过程的记录要求；）检验结果的存档。真实性检验结论描述对真实性检验的评价结果进行描述，至少应包括：犌犅犜 ）真实性检验结果总体评价：描述所检验光合有效辐射遥感产品的总体准确度；）分项指标评价：描述所检验光合有效辐射遥感产品在研究区内不同区域的准确度；描述光合有效辐射遥感产品在不同时间的准确度；描述光合有效辐射遥感产品在不同天气状况的准确度；）对产品的评价：通过对各项指标的评价和分析，给出所检验光合有效辐射遥感产品的评价结果，包括产品准确度、不确定度。检验报告信息简表光合有效辐射遥感产品的真实性检验报告信息简表编制见 附录，样例见附录。犌犅犜 附录犃（资料性）全球光合有效辐射及总辐射地面观测数据列表表 给出了已公开发布的全球光合有效辐射及总辐射地面观测数据。表犃 全球光合有效辐射及总辐射地面观测数据列表数据来源观测量时间分辨率年限范围中国气象数据网总辐射日 光合有效辐射、总辐射日 光合有效辐射、总辐射 光合有效辐射、总辐射 光合有效辐射、总辐射 日 光合有效辐射、总辐射 黑河试验水文气象和通量观测网光合有效辐射、总辐射 光合有效辐射、总辐射 犌犅犜 附录犅（资料性）空间代表性评价方法以辐射相关强度（，犆犛）作为光合有效辐射地面观测数据空间代表性的评价指标，由式（）表示：犆犛（狀，犱犼）狀犻 （，犱犼）（犻，犱犼）狀 （，犱犼），犻 犳狀，犆犛（，犱犼）（）式中：狀 距站点位置的像元数；犱犼 方向下标犼（，），犱犼（，）；犆犛（狀，犱犼）在犱犼方向上，距离站点狀个像元位置处的辐射相关强度；（，犱犼）站点所在像元的辐射值；（犻，犱犼）在犱犼方向上距站点犻个像元处的辐射值。辐射相关强度也可写成公式（）：犆犛（犺，犱犼）犆犛（狀，犱犼），犺狀犚（）式中：犆犛（犺，犱犼）表示在某个特定方向上，将空间中某一点的观测值在该方向上犺（或狀犚）范围内的空间代表性定义为站点观测的总辐射值与犺范围内各距离处的总辐射的平均累积的相对误差；犚 像元的空间分辨率。为直观地描述辐射相关强度随距离的变化情况，使用最优辐射相关强度的概念，由式（）表示：犆犛 （狀，犱犼）犆犛（，犱犼），犆犛（，犱犼）犆犛（狀，犱犼）（）式中：犆犛 （狀，犱犼）为最优辐射相关强度。以犆犛 （狓，犱犼）狔为例，它表示在方向犱犼上，在狓范围内辐射相关性强度的最小值为狔，观测站点样点的空间代表性即指犆犛 。犌犅犜 附录犆（规范性）观测样点布设及光合有效辐射地面观测犆 观测样点布设安装场地应当是地平面以上无任何明显障碍，特别是在一年中日出和日落的方位里，不应有 以上的障碍物。在观测仪器以上，应避免附近存在浅颜色的屏障。犆 地面观测犆 观测仪器光合有效辐射的量度有两种计量系统，一种是能量系统，用总辐射表观测得到，其单位是瓦每平方米（）；另一种是量子系统，用光量子测量表观测得到，其单位是微摩尔每平方米秒（）。）总辐射表，观测使用的辐射传感器多为热电型，传感器由感应面与热电堆组成。感应面涂上吸收率高、光谱响应无选择的无光黑漆，紧贴在感应面下部是热电堆，它与感应面应保持绝缘。热电堆工作端（热端）位于感应面下面。参考端（冷端）位于隐蔽处。当辐射源照射到辐射表时，感应面增热，使热电堆冷热接点间产生温度差，进而感应出电动势。）光量子测量表，观测光量子通量密度的光电型辐射表工作原理是光电池，当一定波长的光照射半导体光电器件时，半导体产生电子移动形成电流，光照射强度与其输出的短路电流成正比。犆 观测仪器安装总辐射表或光量子测量表安装在专用的支架上，支架离地面或楼顶平台不低于 ，要求牢固，保持水平状态。犆 数据采集总辐射或光量子通量密度每分钟采样不低于次（瞬时值），计算有效样本数据的平均值，用 的平均值作为每分钟的总辐射或光量子通量密度平均值。犆 数据转换犆 光量子通量密度与光合有效辐射的转换两者之间的量子转换系数由式（）表示：犝犙（）式中：犝 光合有效量子通量密度，单位为微摩尔每平方米秒（）；通常取值为 ；犙 光合有效辐射照度，单位为瓦每平方米（）。犆 总辐射与光合有效辐射的转换光合有效辐射是太阳总辐射或短波辐射的一部分，由式（）表示：犙犙（）犌犅犜 式中：光合有效辐射所占总辐射的比例数即光合有效系数，是一个在天文因子、气候因子的共同作用下不断变化的量；犙 太阳总辐射，单位为瓦每平方米（）。不同区域的光合有效系数可由式（）估算：犪犫 犙犙（）式中：犪，犫 待定系数；犙 天文辐射。犌犅犜 附录犇（资料性）时间一致性转换方法犇 地面观测数据时间一致性转换方法地面观测的光合有效辐射数据根据发布数据集的不同，具有不同的时间分辨率。需根据待检遥感产品的时间分辨率进行时间一致性转换。由瞬时地面观测值计算某一时间段的累积地面观测值，由式（）表示：犈狋狋犐犻狋（）式中：犈 从狋到狋时间段内的累积光合有效辐射，单位为焦耳每平方米（）；狋 瞬时地面观测值在某一时间段累积的起始时刻；狋 瞬时地面观测值在某一时间段累积的结束时刻；犐犻 犻时刻的瞬时光合有效辐射值，单位为瓦每平方米（）。犇 光合有效辐射遥感产品时间一致性转换方法犇 相邻时刻的瞬时值计算小时累积值由相邻时刻的瞬时值计算小时累积值，由式（）表示：犠犜（犐犐）（）式中：犠 小时累积光合有效辐射值，单位为焦耳每平方米（）；犜 积分时间，单位为秒（）；犐 本小时的瞬时光合有效辐射值，单位为瓦每平方米（）；犐 下一小时的瞬时光合有效辐射值，单位为瓦每平方米（）。犇 由一个时刻的瞬时值计算日累积值直接辐射积分公式由式（），式（）表示：犈 犈，（）（）犈 ，犈 ，犇犇 （）狋（）散射辐射积分公式由式（），式（）表示：犈 犈 ，（）（）犈 ，犈 ，犇犇 （）狋（）式中：犈 太阳天顶角为时的瞬时太阳直射辐射，单位为瓦每平方米（）；犌犅犜 犈，当地时间正午时的瞬时太阳直射辐射，单位为瓦每平方米（）；当地时间正午时的太阳天顶角；犇 日长，单位为秒（）；犈 ，日累积的太阳直射辐射，单位为焦耳每平方米（）；犈 太阳天顶角为时的瞬时太阳散射辐射，单位为瓦每平方米（）；犈 ，当地时间正午时的瞬时太阳散射辐射，单位为瓦每平方米（）；犈 ，日累积的太阳散射辐射，单位为焦耳每平方米（）。犌犅犜 附录犈（资料性）光合有效辐射遥感产品真实性检验信息简表样例表 给出了光合有效辐射遥感产品真实性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。表犈 光合有效辐射遥感产品真实性检验报告信息简表样例待检遥感产品特征描述产品名称 光合有效辐射遥感产品产品类型数值型类别型数据来源（传感器）地理参考（椭球、投影方式）经纬度投影，空间分辨率 获取时间（，）至 至 空间范围经度（）纬度（）时间分辨率瞬时日累积月累积年累积其他光谱范围 单位，观测几何详见光合有效遥感产品元数据文件产品生产算法 光合有效辐射遥感反演算法：是一种极轨与静止卫星结合的全天候光合有效辐射反演算法（算法）。算法基于大气辐射传输模型，晴空无云模式下，基于模型构建不同大气条件下的光合有效辐射查找表，再利用多源遥感数据及其反演产品估算晴空条件下的下行光合有效辐射。有云天气下，则利用大气辐射传输模型建立不同大气状况、传感器及地表反射率情形下云光学厚度与卫星入瞳辐亮度的查找表，实现云光学厚度的遥感反演。在计算时，按照同样的方法，建立上述条件下，云光学厚度与下行的查找表，实现有云天气下的的估算参考对象特征描述类型 测量数据已检遥感产品其他指标对象精度仪器灵敏度的稳定性在以内空间特征全国辐射 个站点的经纬度位置信息详见真实性检验报告时间特征全国辐射 个站点的日值数据，时间段为：至 ，至 光谱范围总辐射数据，观测波段为 ，光合有效系数为 犌犅犜 表犈 光合有效辐射遥感产品真实性检验报告信息简表样例（续）检验方法特征描述 直接检验法 间接检验法样本量像元尺度相对真值获取方法使用国产 总辐射表获取总辐射观测数据时间一致性是否时间一致性转换方法无时间一致性评价地面观测数据的获取时间在遥感产品数据成像时间 内，且无明显天气变化，不需要进行时间一致性转换像元尺度相对真值不确定性分析总辐射站点的国产 总辐射表有 满足年稳定性在以内，满足年稳定性在以内空间一致性是否空间尺度转换方法无空间一致性评价待检遥感产品与已检遥感产品具有相同的空间分辨率，不需进行空间尺度转换时间一致性是否时间一致性转换方法无时间一致性评价待检遥感产品与已检遥感产品具有相同的时间分辨率，不需进行时间一致性转换 个样本选取方法随机抽样精度评价结果描述准确度评价结果均方根误差 相关系数犚 不确定性评价结果标准差 操作人员描述检验人单位联系方式时间 备注 犌犅犜 参考文献 太阳能资源测量总辐射 太阳能资源术语 太阳能资源测量直接辐射 光合有效辐射测量半球向辐射表法 光学遥感辐射传输基本术语刘广仁，王跃思等生态系统大气环境观测规范，北京：中国环境科学出版社，犌犅犜