《《高分卫星遥感产品真实性检验 像元 尺度相对真值不确定度规范》》

T/CARSAXXXXX—202X

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团体标准

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高分卫星遥感产品真实性检验像元尺度相

对真值不确定度

Validationofthehigh-resolutionsatelliteremote-sensingproducts—Theuncertainty

ofpixelscalerelativetruth

（征求意见稿）

（本稿完成时间：2023年10月08日）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国遥感应用协会发布

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高分卫星遥感产品真实性检验像元尺度相对真值不确定度

1范围

本文件规定了高分卫星遥感产品真实性检验中像元尺度相对真值不确定度评价的基本要求和技术

流程，给出了撰写报告的信息。

本文件适用于高分辨率遥感产品连续型遥感变量像元尺度相对真值的不确度评价，中低分辨率遥

感产品真实性中像元尺度相对真值不确定度评价也可参考使用，不适用于离散型遥感产品。

2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。

GB/T39468—2020陆地定量遥感产品真实性检验通用方法

GB/T27418—2017测量不确定度评定和表示

3术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

3.1

真实性检验Validation

通过独立方法评价待检验遥感产品与客观实际的吻合程度并分析其不确定性的过程。

[来源：GB/T36296-2018,3.2]

3.2

像元尺度真值Pixelscaletruth

地表参数在像元尺度上的真实内涵和面貌，理论上客观存在且无任何误差的实际值。

3.3

相对真值Pixelscalerelativetruth

一个接近像元尺度真值的值，它与真值之差可以忽略不计。对于给定的目的，可用其来代替真

值。

[来源：GB/T36296-2018,3.4]

3.4

空间异质性Spatialheterogeneity

变量在空间分布上的差异，一般可理解为空间分布上的不均匀性及复杂性。

[来源：GB/T36296-2018,3.8]

3.5

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偶然误差Randomerror

地面测量不规范或者环境不稳定等因素造成的具有相互抵偿性的随机误差。

3.6

系统误差Systematicerror

由仪器自身偏差和测量偏差引起的非随机性误差，具有一定的规律性和可累加性。

3.7

空间代表性误差Spatialrepresentativenesserror

由于地面仪器的足迹跟待验证像元的空间响应范围之间尺度不匹配引起的误差。

3.8

尺度转换误差Scaletransfererror

某一尺度上的数据或者信息扩展到其他尺度上时，由于信息量不足或者转换模型不完善引起的误

差。

3.9

几何匹配误差Geometricmismatcherror

参考对象与待验证像元之间由于几何位置没有完全匹配引起的误差。

3.10

误差传递Errorpropagation

由于生成像元尺度相对真值的过程中不同要素引起的误差以及它们相互影响和作用，使最终像元

尺度相对真值也含有误差。

3.11

不确定度Uncertainty

利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。

[来源：GB/T27418—2017,3.1]

4基本要求

像元尺度相对真值不确定度评定应符合以下要求：

a)引起像元尺度相对真值不确定度的因素要根据像元尺度相对真值的计算数据源和升尺度方法确

定；

b)模拟各个因素引起的不确定度时所需要的辅助数据和模拟数据的物理意义要跟像元尺度相对真

值的目标变量的物理意义要一致；

c)引入辅助数据时，要确保辅助数据本身的准确性，均方根误差应小于目标变量值的3%；

d)像元尺度相对真值不确定评价应按照数据-几何匹配-尺度转换等流程依次进行；

e)在建立误差传递模型时，需充分考虑不同因素引起的不确定度之间的相关性。

5像元尺度相对真值不确定度的评定

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5.1总体工作流程

像元尺度相对真值不确定度评定需要考虑相对真值的数据来源、升尺度方法的差异，采用合适的不

确定度度量方法。主要操作流程见图1，具体步骤如下：

a)确定像元尺度相对真值的数据源,包括单点、多点、或者多尺度验证；

b)进行像元内空间异质性/代表性评价,获取地表的异质性情况；

c)依据a)和b)确定引起像元尺度相对真值不确定度的关键因素;

d)建立各类因素引起不确定度的定量化模型;

e)分析不同因素之间的相互作用及他们之间的相关性;

f)构建各要素引起不确定度之间的误差传递模型;

g)基于各要素引起不确定度的定量化模型和误差传递模型的基础上建立表达像元尺度相对

真值总的不确定度的模型。

图1像元尺度相对真值不确定度的定量化技术流程

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5.2基于地面观测的直接验证像元尺度相对真值不确定度

基于地面观测直接得到的像元尺度相对真值的不确定度需要考虑待验证像元的空间异质性情况，

不确定度评价的主要操作流程见图2，具体操作步骤如下。

a)高分辨率辅助数据：根据地面观测的时间段和验证区域的位置选择晴天条件下的高分辨率辅

助数据。当目标变量不是卫星直接观测变量时，应选择最优的反演模型反演出目标变量。应

利用地面观测对高分辨率辅助数据的质量进行评价，确保其均方根误差在3%以内。

b)待验证像元内的空间异质性评价：地表空间异质性分析按照GB/T39468-2020中4.2规定的

分析方法执行。若地表空间异质性可以忽略，则不考虑尺度问题的影响。否则应考虑空间代

表性误差的影响。

c)判断待验证像元内是否是匀质地表：如果不是，先计算空间代表性误差或尺度转换误差，再

进行像元真值不确定度计算；如果是匀一地表，直接进行像元真值不确定度计算。

d)空间代表性误差或尺度转换误差：若像元尺度相对真值的获取不涉及尺度转换，则主要考虑

空间代表性误差，空间代表性误差的计算应充分考虑站点的足迹、在待验证像元内的位置、

亚像元尺度等因素有关，借助高分辨率辅助数据模拟不同亚像元尺度下的时空代表性误差，

将其方差作为时空代表性误差引起的不确定度；若像元尺度相对真值是由地面观测和尺度转

换函数得到的，则考虑尺度转换模型引起的不确定度。

e)地面观测：评估地面观测数据的随机误差和系统误差。

f)地面观测不确定度：偶然误差引起的不确定度可以用多次测量的方差衡量；若地面观测的仪

器经过严格的标定，则系统误差引起的不确定度可以忽略，否则应考虑系统误差引起的不确

定度。

g)像元尺度相对真值的不确定度：按附录B将空间代表性误差引起的不确定度、尺度转换引起

的不确定度和偶然误差的不确定度代入误差传递模型，得到总的不确定度。

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图2基于地面观测直接验证中像元尺度相对真值不确定度的定量化技术流程

5.3基于地面观测高分辨率数据的多尺度验证像元尺度相对真值不确定度

基于地面观测和高分辨率数据进行多尺度验证中，地面观测和高分辨率辅助数据的误差均会引

起像元尺度相对真值的不确定度，此外还应考虑高分辨率像元与待验证像元的几何匹配误差的影响

和高分辨率-待验证像元之间尺度转化函数的影响。像元尺度相对真值不确定度评价的流程见图3，

具体操作步骤如下。

a)地面观测：按照5.2中a)执行

b)高分辨率辅助数据：按照5.2中e)执行。

c)地面观测和高分辨率数据误差引起的不确定度：对地面数据和高分辨率数据加入满足正态分

布的误差值来生成误差场，分析不同输入对应的参考值之间的差异，将其方差作为由观测数

据误差引起的不确定度。

d)几何匹配误差引起的不确定度：按附录B利用统计模拟的手段计算不同模拟情况下的像元尺

度相对真值，把不同模拟情况下计算的像元尺度相对真值的标准差作为几何匹配误差引起的

不确定度。

e)尺度转换的不确定度：模拟不同升尺度模型和不同模型输入参数情况下输出结果之间的差

异。通过对比输出结果在不同模型、不同参数情况下的变化强度来计算其不确定度大小。

f)判断是否存在相关性：各要素引起不确定度之间的相关性分析：把相同时间、相同空间位置

处各要素引起的不确定度进行匹配，分析它们之间的相关性，如果不存在相关性，进行像元

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尺度相对真值的不确定度；如果存在相关性，应先进行去相关，在进行像元尺度相对真值的

不确定度计算。

g)去相关：利用去相关方法（如主成分分析、因子分析）去除不确定性要素之间的相关关系。

h)像元尺度相对真值的不确定度：若各个因素引起的不确定度之间相互独立，则把各个因素引

起的不确定度按照附录B规定的方法执行进行线性累加；若这些因素之间存在相关性，则

需要对这些要素进行去相关处理，去相关后的要素引起的不确定度进行线性累加。

图3基于多尺度验证中像元尺度相对真值不确定度的定量化技术流程

6像元尺度相对真值不确定度报告

6.1封面信息

检验报告封面上的信息，应包括：

a)不确定度报告编号；

b)不确定度报告名称；

c)不确定度分析负责人；

d)不确定度分析单位。

6.2正文信息

6.2.1验证方法的描述

对产品真实性检验的方法进行描述，应包括:

a)验证区域的空间异质性情况，若是长时间序列的验证还应描述空间异质性随时间的变化情况；

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b)数据源，包括地面数据的测量方法，有没有用到高分辨率辅助信息，若有高分辨率辅助信息是作

为先验知识，还是直接参与了像元尺度参考值的计算；

c)升尺度转换方法等。

6.2.2像元尺度相对真值不确定度评价用到的数据和方法

针对不同的真实性检验方法，对不确定度评价用到的数据和方法进行描述：

a)引起像元尺度尺度相对真值不确定度的主要因素；

b)评价像元尺度相对真值不确定度的数据；

c)每种因素引起不确定度的定量化方法描述；

d)确定各种因素引起的不确定度之间相互作用的方法描述。

6.2.3像元尺度相对真值不确定度评价过程

对像元尺度相对真值的不确定度评价过程进行描述，应包括：

a)不确定度评价过程；

b)每种因素引起不确定度的定量结果；

c)像元尺度相对真值总的不确定度的定量结果；

d)不确定度评价过程的记录要求;

e)不确定度评价结果的存档。

6.2.4像元尺度相对真值不确定度评价结论描述

对像元尺度相对真值不确定度评价结果进行描述，应包括：

a)对像元尺度相对真值不确定度总体评价：；

b)分项指标评价：描述引起像元尺度相对真值不确定度的各因素引起的不确定度大小。

6.3辅助信息

对像元尺度相对真值不确定度评价过程中的非常规问题进行说明和描述。

6.4报告简表

像元尺度相对真值不确定度报告简报编制样例见附录A。

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AA

附录A

（资料性）

像元尺度相对真值不确定度评价报告样例——基于地面观测的直接验证

像元尺度相对真值不确定度分析报告

分析单位西南交通大学分析人吴小丹

联系方式四川省成都市郫都区西南交大

1像元尺度相对真值描述

变量名称反照率数据来源地面单个站点观测

计算方法基于代表性评价的方式获取像元尺度相对真值

2像元尺度相对真值不确定度分析

不确定度评

经过质量评价的30m的环境反照率数据

价数据

引起不确定度的因素总的不确定度

种类地面观测误差空间代表性误差两个因素的不确定度相互

定量化模型均方根按附录B计算独立，按附录B线性累加

定量化结果0.010.030.04

3不确定度评价结果总的描述

像元尺度相对真值的不确定性主要由地面观测误差和空间代表性误差引起，两者引起的不确

性相互独立，不确度大小分别为0.01和0.03，像元尺度相对真值总的不确定度为0.04

签字：

盖章：

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BB

附录B

（资料性）

不确定度评价方法

观测误差引起不确定度的定量化方法

观测误差引起的不确定度要根据验证方法的特点来确定：

对于基于地面单个观测的直接验证，观测误差引起的不确定度u(x1)可表示为其标准差：

u(x)=1（1）

对于基于地面多个观测的直接验证，观测误差引起的不确定度u(x1)可表示为观测误差的标准差

和观测权重系数的函数：

222222

푢(푥1)=√푘1휎1+푘2휎2+⋯+푘푟휎푟（2）

对于基于地面观测和更高分辨率辅助数据的多尺度验证，观测误差引起的不确定度需同时考虑

辅助数据和地面观测的误差，其不确定度大小在数值上等于更高分辨率参考图的不确定度大小uhigh。

u(x)=u1high（3）

代表性误差引起不确定度的定量化方法

1）选择跟地面观测足迹大小接近的、经过质量评估的对应目标变量的高分辨率辅助数据；

2）提取地面站点所在的高分辨率像元，值记为A1；

3）提取待验证像元内所有高分辨率像元，计算他们聚合到待验证像元尺度的值，记为A2；

4）代表性误差引起的不确定度数值上等于A1和A2差值的标准差σ（A1-A2）。

几何匹配误差引起不确定度的定量化方法

1）选择经过几何校正的高分辨率遥感数据，并对其进行投影转换，转至待验证产品的投影信息；

2）提取待验证像元的空间范围，作为模板的初始位置；

3）将模板在跨轨道方向和沿轨道方向以高分辨率数据的空间分辨率为步长模拟几何偏差，设置最

大偏移为半个待验证像元；

4）每模拟一次，提取模板内包含的高分辨率像元，计算其平均值，作为待验证像元尺度的模拟值

Ai，所有模拟情况对应的待验证像元尺度模拟值的平均值记为A，这些模拟值的标准差记为ux()2，

该标准差即为待验证像元几何匹配误差引起的不确定度大小；

为了进行区分，这里把待验证像元的分辨率称为低分辨率Scoarse，把机载数据的分辨率称为高分辨

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率Shigh，几何匹配误差引起的不确定度ux()2定量表示为

N

2

()AAi−

u(x)=i1=(4)

2N

N

式中，表示模拟的几何偏差情况，与低分辨率像元分辨率Scoarse和模拟的步长Sstep有关：

SScoarsecoarse

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

SSstepstep

式中，模拟的步长在数值上等于机载数据的空间分辨率。

经过几何校正的高低分辨率遥感

分辨率数据产品

提取待验证像元空间范

+Y

转投影围，作为模板初始位置

将模板分别在跨轨道和沿轨

投影一致的高分辨率数据道方向以一定的步长偏移模板

每模拟一次，提取模板范围-Y

内的高分辨像元

计算这些像元的平均值，作

为待验证像元尺度模拟值

统计所有模拟情况对应的待验

证像元尺度模拟值的标准差

待验证像元几何不匹配引起的

不确定度

图4几何匹配误差引起不确定度的定量化技术流程

尺度转换引起不确定度的定量化方法

尺度效应误差引起的不确定度要根据尺度转换方法的特点来确定：

对于基于地面单个观测的直接验证，尺度效应引起的不确定度u(x3)主要取决于地面观测的空间

代表性误差。空间代表性误差借助高分辨率辅助数据模拟。

ux()3=