HJ 1320-2023 生态遥感地面观测与验证技术导则.pdf

中华人民共和国国家生态环境标准HJ13202023生态遥感地面观测与验证技术导则Technical guidelines for ground-based observation and validation ofecological remote sensing本电子版为正式标准文本，由生态环境部环境标准研究所审校排版。2023-11-27 发布2024-06-01 实施生态环境部发 布HJ 13202023i目次前言.1适用范围.12规范性引用文件.13术语和定义.14工作内容及工作流程.35验证场（站）选址.36验证样地样方布设.47观测参数要求.58观测方法要求.59基础设施要求.710遥感产品验证方法.811遥感产品验证的评价要求.9HJ 13202023ii前言为贯彻中华人民共和国环境保护法，规范陆地生态遥感地面观测与验证的基本参数和方法，指导生态遥感地面观测验证网络的建设，制定本标准。本标准规定了陆地生态遥感地面观测与验证工作各环节的基本要求，包括地面验证场（站）选址、验证样地样方布设、观测参数、观测方法、基础设施建设、遥感产品验证及验证精度评价等。本标准为首次发布。本标准由生态环境部生态环境监测司、法规与标准司组织制订。本标准主要起草单位：生态环境部卫星环境应用中心、中国科学院地理科学与资源研究所、中国科学院空天信息创新研究院、山西省生态环境监测和应急保障中心（山西省生态环境科学研究院）、四川省生态环境科学研究院、江苏省环境监测中心。本标准生态环境部 2023 年 11 月 27 日批准。本标准自 2024 年 6 月 1 日起实施。本标准由生态环境部解释。HJ 132020231生态遥感地面观测与验证技术导则1适用范围本标准规定了陆地生态遥感地面观测与验证工作各环节的基本要求，包括地面验证场（站）选址、验证样地样方布设、观测参数、观测方法、基础设施建设、遥感产品验证及验证精度评价等。本标准适用于指导基于生态遥感及地面观测技术的全国及区域遥感产品验证、遥感监测等相关工作。2规范性引用文件本标准引用了下列文件或其中的条款。凡是注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准。凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。GB/T 36296遥感产品真实性检验导则GB/T 39468陆地定量遥感产品真实性检验通用方法GB/T 40034叶面积指数遥感产品真实性检验GB/T 40039土壤水分遥感产品真实性检验HJ 1167全国生态状况调查评估技术规范森林生态系统野外观测HJ 1168全国生态状况调查评估技术规范草地生态系统野外观测HJ 1169全国生态状况调查评估技术规范湿地生态系统野外观测3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1生态遥感ecological remote sensing利用遥感技术对生态系统结构、过程、功能等进行定量或定性观测，获取生态系统的某些属性特征及其变化信息，进而识别和判定生态系统所处状态的分析过程和技术手段。3.2生态系统ecosystem在一定时间和空间内，生物与其生存环境以及生物与生物之间相互作用，彼此通过物质循环、能量流动和信息交换，形成的一个不可分割的自然整体。3.3地面验证场（站）ground validation field(station)以建立生态遥感参数的定量反演模型或者检验生态遥感参数的反演精度为目标，为地面观测获取同类或者相关生态遥感参数而建立的试验场地。3.4地面观测ground-based observation在某地面点通过专门仪器设备直接测量地表参数的过程。HJ 1320202323.5地面验证ground-based validation利用地面观测获取的地表参数对陆地遥感产品真实性进行检验的过程。3.6遥感产品remote sensing products通过遥感方式获取并被生产出来以满足特定需求的数据，包括遥感传感器直接获取的数据和利用模型间接获得的数据，以及经过更高级层次处理而满足行业应用需求的数据结果。本标准中遥感产品指卫星遥感产品。3.7地表反射率surface reflectance（SR）地面太阳反射辐射和入射太阳总辐射之比。3.8地表反照率surface albedo地表向半球（2）空间反射的辐射通量与半球（2）空间入射在地表上的辐射通量之比。3.9黑天空反照率black sky albedo仅考虑直射光照射的情况下，物体表面向半球（2）空间反射的辐射通量与入射的直射辐射通量之比。3.10白天空反照率white sky albedo仅考虑散射光照射的情况下，物体表面向半球（2）空间反射的辐射通量与入射的散射辐射通量之比。3.11真实反照率actual albedo入射辐射同时包括直射光照射和散射光照射的自然界真实情况下，物体表面向半球（2）空间反射的辐射通量与入射的辐射通量之比。3.12叶面积指数leaf area index（LAI）一定土地面积内的植物叶片总面积与土地面积的比值。3.13植被覆盖度fractional vegetation cover（FVC）单位面积内植被冠层（包括叶、茎、枝）垂直投影面积所占的比例。3.14光合有效辐射吸收比率fraction of absorbed photosynthetically active radiation（FPAR）植被吸收的光合有效辐射在总光合有效辐射中所占的比例。其中，光合有效辐射是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，一般指波长为 400 nm700 nm 的太阳辐射。3.15土壤水分soil moisture（SM）吸附于土壤颗粒和存在于土壤孔隙中的水，分为体积含水量和重量含水量。本标准中的土壤水分是指体积含水量，即单位体积土壤包含的液态水体积。HJ 1320202334工作内容及工作流程主要工作流程如下：首先，选取和设立验证场（站），确定观测和验证的空间范围；然后，在验证场（站）范围内按一定要求选取样地，明确作业区域；其次，确定需要观测的参数，设定观测频次、布设样地样方，明确参数的观测方法，实现数据观测、传输、存储；最后，设定产品验证方法和评价方法，依托数据中心实现遥感产品的验证及评价。具体见图 1。验证场（站）选址样地样方布设观测参数设定观测方法设计观测结果数据中心待检验遥感产品产品验证与分析基础设施建设地面观测设施建设数据汇交系统建设数据传输数据管理图 1主要工作流程5验证场（站）选址5.1区域代表性综合考虑自然地理和生态系统的空间分布特征，选择自然地理条件具有代表性、生态系统类型具有多样性的区域范围，建设生态遥感验证场（站）。在满足卫星遥感影像像元尺度匹配的前提下，以最小的空间面积代表最大范围的区域生态系统。5.2地表特征除所需验证的产品对地形有特殊需求外，要选择地势相对平坦的区域。不同地表类型的面积不宜太小、地表类型不宜过度破碎，连续斑块区域面积尽可能大于 10 km10 km。场站投入使用后，如土地利用类型发生明显变化（人为干扰面积明显扩大，或影响样地、样方布设及参数观测），则就近调整场站的范围、规模、位置。HJ 1320202345.3周边环境在满足区域代表性的前提下，要避开道路、防护林、房屋、高压线等地物，区域大气干洁、稳定。尽量选择交通便利、生活方便、后勤保障容易的区域。6验证样地样方布设6.1样地布设在地面验证场（站）及其周边一定范围内，针对不同类型生态系统，以及同一生态系统类型但不同植被长势的地表，尽量选择地势平坦的区域设置不同的固定样地。样地数量需要根据区域空间异质性及生态系统类型进行合理确定，场站内每个生态系统类型至少设置 1 个。综合考虑卫星遥感数据和参数产品的像元大小、像元偏移及几何误差等因素，样地大小设置为：对于空间分辨率在 250 m 到 1 km 之间（包含 250 m 和 1 km）的遥感产品，验证样地大小应至少设置为3 km3 km；对于空间分辨率优于 250 m 的遥感产品，验证样地大小应至少设置为 750 m750 m。6.2样方布设6.2.1样方类型根据待检验参数特点、观测要求和观测方法，采用固定样方和流动样方相结合的方式，在固定样地范围内，选取地势平坦、一致性较高的区域设置样方。其中，固定样方观测是在具有确定位置和范围的样方内进行观测，通常利用固定安装的设备仪器自动获取，主要用于长时间序列参数的连续观测；流动样方观测是根据具体情况临时选取样方进行观测，通常利用便携式的设备仪器或工具获取，主要应用于短时间内相对稳定的生态参数观测，以及卫星遥感产品参数的卫星准同步观测。6.2.2样方分布根据地表异质性的不同，样方分布有所不同。可依据 HJ 1167、HJ 1168、HJ 1169 相关要求执行，对于均一地面样地，样方应在区域内均匀分布，至少设置 5 个；对于非均一地面样地，应根据样地内空间异质程度进行分层，要求层内相对均一，样方在层内均匀分布，每层至少设置 3 个。为保证遥感产品验证时有充足的样方来对应像元，样方可适当加密。6.2.3样方大小森林生态系统的样方不小于 20 m20 m，灌丛生态系统的样方不小于 10 m10 m，草地生态系统的样方不小于 1 m1 m，农田生态系统的样方不小于 1 m1 m。对于湿地生态系统，森林湿地、灌丛湿地、草本湿地的样方大小分别参照森林、灌丛、草地生态系统设置。具体可参照 HJ 1167、HJ 1168、HJ 1169 执行。草地、农田生态系统的样方可验证遥感产品的空间分辨率最高为 1 m；森林、灌丛生态系统的样方可验证遥感产品的空间分辨率最高分别为 20 m 和 10 m，如样方必须用于更高空间分辨率的遥感产品验证，则需根据实际情况适当调整样方大小；湿地生态系统样方可验证的遥感产品空间分辨率，可根据情况参照森林、灌丛、草地生态系统。HJ 1320202357观测参数要求陆地生态系统分析中地表辐射特征和地表生态系统特征常用的观测参数和要求见表 1。表 1观测参数及要求参数类型测量参数观测频次观测方式地表辐射特征地表反射率按需观测。在晴天观测，观测时间为卫星过境的前后10 分钟内。移动观测地表反照率1 次/10 分钟固定连续观测地表温度1 次/10 分钟固定连续观测地表生态系统特征叶面积指数按需观测。在晴天观测，观测时间为待验证遥感产品所对应的当天时间。移动观测1 次/10 分钟固定连续观测植被覆盖度生长季 2 次/月，非生长季 1 次/月，具体可根据不同区域气候特点调整。移动观测光合有效辐射吸收比率1 次/10 分钟固定连续观测土壤水分1 次/小时固定连续观测按需观测。避开雨雪天气，观测时间为卫星过境的前后 10 分钟内。移动观测8观测方法要求8.1样方基本信息记录样方的大小、位置、海拔、生态系统类型、优势物种、主要物种、群落高度。其中，位置、海拔信息通过手持北斗卫星定位测量仪测量获得；生态系统类型、优势物种、主要物种通过人工判别和相机拍照的方式获得、记录；对于群落高度观测，森林、灌丛的单株高度用测高仪测量获得，草地、农田的单株高度用标尺测量获得，湿地的单株高度视植被类型选取测高仪或标尺测量获得，群落高度为多株高度平均值。具体可参考 HJ 1167、HJ 1168、HJ 1169 相关规定执行。8.2地表反射率地表反射率的观测时段控制在卫星过境的前后 10 分钟。天气晴好，光照稳定，天空云量宜为无云或少云，风力应不大于 3 级，太阳天顶角不大于 55。对于森林、灌丛等植被高度较高的生态系统，宜利用无人机搭载多光谱相机或高光谱成像仪进行观测；对于草地、农田等植被高度较低的生态系统，宜利用无人机搭载的或便携式的多光谱相机或高光谱成像仪进行观测。根据观测结果和标准板的观测结果，通过公式（1）和（2）计算得到地表反射率。其中，多光谱相机的观测波段至少包括蓝、绿、红、近红外，波段宽度和中心波长根据常用待验证遥感产品实际情况而定；高光谱成像仪的光谱波段观测范围至少为 400 nm1000 nm，光谱分辨率优于 3 nm。