遥感反演精度检验之交义检验方法

交叉检验方法是评价两种数据之间相对精度的主要方法。针对大气水汽遥感产品而言，交叉检验利用不同来源、相似分辨率的数据产品，检验遥感产品精度。不同大气水汽遥感产品反映了相同或相近时刻的大气水汽状态，不同数据产品之间应具有一致性。因此，在同一时空范围内，采用不同算法反演的可见光一近红外遥感、红外遥感和微波遥感大气水汽产品，在水汽含量量级及空间分布规律上理应十分接近。交叉检验回避了遥感产品的绝对精度，但可以获取不同产品之间的一致性和差异性信息，有助于辨识大气水汽反演算法的优势和局限性。基于此，交叉检验在大气水汽的遥感产品精度检验中得到了广泛的应用。

用于交叉检验的数据可以包括所有的大气水汽遥感产品，例如可见光一近红外遥感产品、热红外避感产品和微波遥感产品。用于交叉检验的数据产品还包括全球再分析资料，如NCEP（National Centers for Environmental Prediction）和ECWMF（European Center for Medium-Range Weather Forcast）等。交叉检验主要包括4种方法，分别为散点比较、中间数据比较、直接差值比较和剖面线比较。散点比较通过比较对应空间位置的大气水汽含量反演值，计算大水汽差值的均值和标准差，反映大气水汽产品之间的相对精度。该方法可以通过选取全球不同范围的样本点，评价大气水汽遥感产品在海洋与陆地之间、高纬度与中纬度和低纬度之间的一致性和差异性。中间数据比较通过比较两种产品与中间产品之间的差异，评价产品之间的相对精度。该方法以中间数据为参考，可用于同时评价多种遥感产品的精度。直接差值比较则通过两种产品直接相减的方式，反映产品差异的空间分布，该方法有助于直观判断遥感产品在全球范围的精度差异。剖面线比较通过在两种产品中选择典型剖面（一般以纬向为主），比较剖面线上大气水汽产品的差异。与直接差值比较相比，该方法具有计算量小、可直观反映水汽产品精度的纬向分布特征等优势。

用于交叉检验的水汽遥感产品包括可见光一近红外遥感、热红外遥感和微波遥感的所有大气水汽产品。已经发布的遥感产品，可以从其产品发布网站获取。此外，全球再分析资料、NASA大气水汽观测计划提供的NVAP-M大气水汽数据集等，都可作为大气水汽遥感产品精度检验的参考数据。其中，NVAP-M数据融合了多种遥感反演产品和点位观测数据，时间跨度为1988～2009年，提供了气候、天气和海洋三层数据集，具有较高的精度，能够满足不同用户的需求。用于交叉检验的传感器包括可见光一近红外波段的GOME和MODIS传感器，红外波段的IASI、AIRS传感器，以及微波波段的MLS、SSM/I传感器等。按照平台和传感器类型的差异，交叉检验大致可分为4种情况：同平台、不同传感器之间的交叉检验，不同平台、同种传感器之间的交叉检验，同种数据、不同算法之间的交叉检验，以及其他交叉检验。同平台、不同传感器遥感产品具有相同的成像时间，反映相同的大气状况，是最理想的交叉检验模式。不同平台、同种传感器遥感产品具有相同的反演算法，也是较为理想的交叉检验模式。在绝大部分情况下，大气水汽遥感产品的交叉检验，需要选取不同平台、不同传感器的遥感产品。

与间接检验类似，遥感产品与验证数据之间的时空匹配是交叉检验的前提条件。对于时间匹配，需选择在过境时间上间隔最短的产品参与检验。空间匹配主要包括三种方法：直接重采样、重采样至中间分辨率的方法和视场角插值方法。直接重采样通过邻域平均的方法，将高空间分辨率的遥感产品重采样到低空间分辨率水平，是最简单的大气水汽遥感产品重采样方法。重采样至中间分辨率的方法与直接重采样方法的原理相同，主要适用于中间数据的比较。

视场角插值方法将一种产品瞬时视场角内的大气水汽含量，插值到另一种产品的瞬时视场角内，主要适用于遥感产品具有相近空间分辨率的情况

首先，根据待检验遥感产品的平台和传感器类型，确定参考水汽遥感产品，尽量选择同一遥感平台上其它传感器数据反演的遇感产品，或者过境时间差异不大的同种传感器数据反演的大气水汽产品。此外，NVAP-M大气水汽融合数据和NCEP、ECMWF等再分析资料等都是进行交叉检验的首选参照数据。

其次，与间接检验类似，巡感产品匹配包括时间匹配、水平空间匹配和垂直分辨率匹配三部分。第一，时间匹配旨在选择过境时间相近的传感器。用于反演全球大气水汽的传感器一般具有较短的重访周期（1～2天），常搭载于太阳同步轨道卫星上，每天的过境时间保持一致。可通过建立传感器数据库，通过设置阅值的方法，寻找与待检验传感器过境时间最为接近的一个或多个传感器。根据实际需要（如空间分辨率差异、数据质量情况），选择适用于交又检验的参考水汽数据。第二，与间接检验类似，参考数据和待检验数据之间的水平空间匹配数据旨在获得具有统一空间基准的数据，包括数据的坐标系统和空间位置的统一。坐标系统的选择，应根据地理位置确定，尽量采用全球坐标基准，便于数据共享和其他研究人员的重复利用。空间位置的统一主要采用直接重采样法、重采样至中间分辨率的方法和视场角插值方法实现。对于空间分辨率差异不大的遥感产品，选择直接重采样的方法；对于空间分辨率差异较大的遥感产品，选择重采样到中间分辨率的方法；对于空间分辨率十分接近的遥感产品，选择视场角插值的重采样方法。第三，垂直分辨率匹配旨在统一待检验水汽产品和参考产品的垂直分辨率，使得各压强水平下的大气水汽数据具有直接可比性。垂直分辨率匹配主要有两种方法。一种是将参考产品的大气水汽值，插值到遥感产品对应的压强水平下，该方法原理简单，适用于传感器水汽响应曲线未知的情况；另一种是以参考产品大气水汽剖面为基准，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，该方法基于物理基础，具有较高的计算精度。

最后，对于所获取的时间接近、空间分辨率一致、垂直分辨率相同、相互配准的待检验水汽产品和参考水汽产品，采用散点比较、中间数据比较、直接差值比较和剖面线比较的方法，进行大气水汽产品精度的交叉检验。基于散点的比较方法适用于大气水汽产品的分区比较，可分别选取低纬度、中纬度和高纬度地区，以及陆地和海洋地区的大气水汽反演结果，分别进行散点比较，分析大气水汽产品在不同区域的精度情况。中间数据比较法适用于存在中间产品的情况，通过分别与中间产品的比较的方式，获得待检验产品与参考产品的精度差异。直接差值比较适用于获取大气水汽产品误差在空间上的分布情况，综合评价遥感产品的总体误差和差异程度。剖面线比较的方法适用于细致分析大气水汽产品在某一断面上的误差分布情况，特别是水汽产品误差在纬度方向上的分布情况。