遥感反演精度检验之间接检验方法

间接检验方法建立在经过精度验证的高空间分辨率水汽数据基础之上。针对大气水汽遥感产品，间接检验是利用成像传感器数据反演的高空间分辨率、高精度数据产品，检验相对低空间分辨率遥感产品精度的检验方法。间接检验主要基于水汽的质量守恒原理，假设在确定空间范围内，高空间分辨率遥感产品对应的大气水汽含量与低空间分辨率遥感产品对应的大气水汽含量保持一致。待检验遥感产品与高分辨率遥感产品之间的差异，即为遥感产品的误差。

可用于间接检验的数据包括机载成像遥感产品和高分辨率星载遥感产品。红外波段具有反演大气水汽剖面的能力，且红外遥感影像具有比微波遥感影像更高的空间分辨率。因此，机载和星载红外遥感反演的大气水汽产品构成了间接检验的主要数据源。常用的机载遥感红外传感器主要有S-HIS，NASA-I和ARIES等，常用的星载红外遥感传感器有ARIS和IASI等。由于数据产品之间空间分辨率存在差异，间接检验需要将高空间分辨率的遥感产品重采样至待检验遥感产品的分辨率，进而进行产品之间的比较，以确定待检验产品的精度。

间接检验的4种主要方法，分别为散点比较、中间数据比较、直接差值比较和变化趋势比较。散点比较与直接检验方法类似，直接比较空间匹配的产品值，采用误差均值和标准差指标评价产品的精度。中间数据比较采用中间数据作为桥梁，分别比较遥感产品和高分辨率产品与中间产品之间的差值，通过比较差值，间接获得遥感产品的精度信息。直接差值比较通过遥感产品与高空间分辨率产品进行图像相减运算，

得到水汽产品差值的空间分布，是最为直观的检验方法。变化趋势比较通过比较两种水汽产品分别随时间的变化量，间接评价遥感产品的精度。

在当前的水汽遥感产品中，高空间分辨率、高精度的热红外遥感大气水汽产品通常具有比其他水汽遥感产品更高的绝对精度。作为参照基准的大气水汽产品，通常来自于机载和星载的红外遥感反演。机载遥感根据卫星过境时刻确定高空飞机的飞行时间，根据卫星的观测几何角度确定传感器的观测角度，根据精度检验方法确定飞机的飞行高度，以获取既定空间分辨率的影像。机载遥感影像反演大气水汽的方法与星载遥感反演类似，获取的大气水汽产品具有更高的空间分辨率（约2km）和更高的垂直分辨率（数百米）。

星载遥感与机载遥感观测示意图。在卫星高度（约700km），传感器瞬时视场角的覆盖地表范围更大；在飞机飞行高度（1～2km），传感器瞬时视场角覆盖的地标范围则要小得多。机载遥感的缺点在于难以检验高层大气（卫星高度与飞机高度之间的大气）水汽的反演精度。相对微波遥感和无线电掩星产品，星载红外遥感反演的大气水汽具有更高的空间分辨率（>4倍）。这类红外传感器包括AIRS、IASI和CrIS等。AIRS传感器观测范围与MLS微波传感器轨迹的图示。在相近的轨道高度上，AIRS的瞬时视场角小于MLS的瞬时视场角，因此具有更高的空间分辨率。这类红外传感器反演大气水汽通常使用业务化的反演算法，具有较高的精度，适用于大气水汽产品的间接检验。大气水汽遥感产品间接验证实例，包括遥感产品及其空间分辨率、参考大气水汽数据及其空间分辨率。

待检验遥感产品与高空间分辨率遥感产品之间需要进行时空匹配，这是间接检验的关键步骤。对于机载遥感产品，在卫星过境时刻采用高空飞机进行同步观测，时间匹配易于实现。对于高空间分辨率星载遥感产品，通过遥感产品与高空间分辨率遥感产品对应的时间属性数据，选择最短时间间隔的数据参与精度检验。相对于时间匹配，空间匹配更为复杂，主要包括3种方法，即等权计算、加权计算和等权计算前向模型。 3种方法：等权计算将目标范围内的所有水汽含量值取平均值，是最为简单的升尺度方法。加权计算考虑逐像素大气水汽反演质量，对高可信度的反演结果赋子较高的权重，对低可信度的反演结果赋予较低的权重，采用加权平均的方法，确定升尺度后的大气水汽含量值。权重的赋值可根据产品的质量控制数据确定。对于红外遥感大气水汽产品，晴空条件下反演的大气水汽产品精度较高。

受云剔除算法等影响，在云空条件下红外遥感反演大气水汽产品的精度相对较低。因此，采用加权计算确定云天条件下升尺度大气水汽含量值更加可靠。等权计算前向模型在等权计算或加权计算的基础上，对平均后的水汽数据使用前向模型进行平滑处理，以模拟待检验遥感传感器反演的大气水汽含量值。该方法需要逐像元使用前向模型平滑函数，计算量较大，但具备一定物理基础，在理论上具有更高精度。

间接检验建立在高空间分辨率、具有已知高精度的参考大气水汽产品基础上，包括高空间分辨率遥感产品的获取、遥感产品的时空匹配以及精度评估等三大步骤。

首先，因遥感产品而异，用于间接检验高空间分辨率大气水汽数据，需要根据遥感产品的空间分辨率确定。对于低空间分辨率的微波遥感水汽产品或无线电掩星大气水汽产品，过境时刻相近的红外遥感大气水汽产品可以满足检验要求。红外遥感大气水汽产品可从相关产品发布部门获取。对于具有相对高空间分辨率（优于100km）的遥感水汽产品，高空飞机遥感反演的大气水汽数据更适用于间接检验。

其次，避感产品的匹配包括时间匹配、空间匹配和垂直分辨率匹配3部分。第一，时间匹配旨在选择与特检验数据成像时间最为接近的参考数据，用于精度检验。当机载遥感数据作为参考数据时，需要根据星载遥感数据的成像时间和成像时刻的卫星姿态角，确定飞机的飞行时间和飞行参数。当星载遥感数据作为参考数据时，需要综合考虑各种备选参考数据的过境时间信息，选择与待检验数据过境时刻最为接近的数据参与检验。对于海量的存档数据，可以通过设定一定的时间阀值，遴选满足条件的数据对用于历史数据的精度检验。第二，空间匹配旨在统一参考数据和待检验数据的空间基准，包括数据的坐标系统和空间位置。坐标系统的统一是数据检验的前提条件，坐标系统根据数据验证的区域确定。空间位置的匹配主要包括尺度的统一，可采用前面介绍的3种升尺度方法，将高空间分辨率遥感产品重采样到遥感产品对应的空间分辨率。在一般情况下，可使用等权计算的方法；在已知高空间分辨率产品质量控制信息的情况下，可使用加权计算的方法：在已知传感器前向模型的情况下，可使用等权计算前向模型获得更接近于遥感产品反演值的重采样数据。第三，垂直分辨率重采样旨在确保参考数据和待检验数据在各分层高度上具有可比性。热红外大气探测仪一般具有较高的垂直分辨率，可近似认为大气水汽在垂直方向上具有连续的分布。垂直分辨率重采样可分为两种主要的方法。第一种方法是根据近似连续的水汽剖面插值到待检验数据对应的压强水平下，采用数理统计方法，其原理和方法较为简单，第二种方法是根据待检验传感器的水汽响应曲线，确定各压强水平下的大气水汽含量，该方法建立在物理基础上，具有相对较高的精度.

最后，对于所获取的时间相近、空间基准统一、垂直分辨率一致的参考数据和待检验数据，采用散点比较、中间数据比较、直接差值比较和变化趋势比较等方法需定遥感产品的精度信息，遥感数据的检验主要通过散点比较和中间数据比较的方式实现，散点比较可通过选取参考影像和待检验影像对应像素的水汽反演值，通过平均误差和误差方差的形式表示产品的精度。中间数据比较通过参考数据和待检验数据分别与中间数据的差异，间接比较两种数据的差异。直接差值比较通过待检验产品和参考产品的差值评价遥感产品误差在空间上的分布情况，通过差值的形式表示产品的精度。变化趋势比较通过比较两种产品在不同时段大气水汽的各自的变化量间接比较两种产品的精度。