美国对地观测系统

美国对地观测系统（EOS）中分辨率成象光谱仪

（MODIS）遥感数据的特点与应用 刘 闯 （中国科学院地理科学与资源研究所) 葛成辉 （清华大学电子工程系、宇航研究中心）

一、美国对地观测系统（EOS）和TERRA、AQUA 卫星

近几年来，科学界对全球变化研究、以及全球变化对人类生存环境的影响研究逐步走向深入。为了加强对地球表层陆地、海洋、大气和他们之间相互关系的综合性的科学研究，美国国家航空航天局（NASA）自1991年起开始了对地观测系统计划。这个计划分三个阶段：第一阶段－准备工作阶段（1991－1998年）；第二阶段－全面的对地观测阶段（1999－2003）；第三阶段－新一代更为细致的对地观测阶段（2003年以后十年）。NASA新一代的对地观测系统计划主要包括三方面内容：1）发射一系列新一代对地观测卫星；2）以NASA数据中心群（DAAC）为核心管理和散发卫星所获得的数据；3）组织科学家队伍开展对地球多要素的综合研究。重点观测和研究领域包括：水与能量循环，海洋，大气化学，陆地表面，水和生态系统过程，冰川和极地冰盖以及固体地球。作为这一系列对地观测卫星中的第一颗星，TERRA已于1999年12月18日发射成功。TERRA卫星是美国（国家航空航天局）、日本（国际贸易与工业厅）和加拿大（空间局、多伦多大学）共同合作发射的卫星。卫星上共载有五个对地观测传感器，它们分别是：云与地球辐射能量系统测量仪－ CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System)、中分辨率成象光 谱仪－ MODIS （MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）、多 角度成象光谱仪 － MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)、 先进星载热辐射与 反射测 量仪 ASTER (Advanced Spaceborn Thermal Emission and reflection Radiometer)、和对流层污染测量仪－MOPITT (Measurements Of Pollution In The Troposphere)。

TERRA卫星发射成功标志着人类对地观测新的里程的开始。NASA在介绍TERRA卫星意义时采取的比喻是："如果把地球比作一位从来没有做过健康检查的中年人的话，TERRA就是科学家对具有45亿年历史的地球的健康状况第一次进行全面检查和综合诊断的科学工具"。由于TERRA卫星每日地方时上午10：30时过境，因此也把它称作地球观测第一颗上午星（EOS－AM1）。

NASA新一代对地观测卫星的第二颗星是AQUA卫星，它是美国、巴西和日本共同合作的产品。该星计划于2000年12月发射。AQUA卫星的主要任务也是对地观测，它保留了TERRA卫星上已经有了的CERES和MODIS传感器，并在数据采集时间上与TERRA形成补充。它也是太阳同步极轨卫星，每日地方时下午过境，因此称作地球观测第一颗下午星（EOS－PM1）。AQUA卫星上共载有6个传感器，它们分别是：云与地球辐射能量系统测量仪 － CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System)、中分辨率成象光谱仪－MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer )、大气红外探测器－AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)、先进微波探测器－AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A)、巴西湿度探测器 － HSB (Humidity Sounder for Brazil)、和地球观测系统先进微波扫描辐射计 － AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS). AQUA增强了对大气 的观测力度，特别适用于对地球季节性和跨年度时间尺度气候变化的研究。

此外，美国对地观测系统还将陆续发射数颗卫星，包括以观测大气化学成分为主的AULA卫星（计划2002年12月发射，称作地球观测化学星EOS－CHEM），以观测地球冰雪、云层和地面高程为主的ICESAT卫星（计划2001年7月发射），以观测太阳辐射和对地球气候影响为主的SORCE卫星（计划2002年年中发射）和以观测陆地为主的LANDSAT－7卫星（1999年发射成功）等。在TERRA、AQUA、AULA、

ICESAT、SORCE、LANDSAT－7等六颗星上共载有21个包括多光谱扫描仪、微波辐射计、合成孔径雷达等传感器，它们所获得的数据分辨率分别从15米到1000米不等。 二、中分辨率成象光谱遥感数据（MODIS）特点

从数据资源开发利用和经济核算综合平衡的角度来看，更值得世界各国普遍注意的是安装在TERRA和AQUA两颗卫星上的中分辨率成象光谱仪（MODIS）获取的数据。 1. MODIS数据资源的特点

MODIS数据主要有三个特点，其一，NASA对MODIS数据实行全世界免费接收的政策（TERRA卫星除MODIS外的其他传感器获取的数据均采取公开有偿接收和有偿使用的政策），这样的数据接收和使用政策对于目前我国大多数科学家来说是不可多得的、廉价并且实用的数据资源；其二，MODIS数据涉及波段范围广（36个波段）、数据分辨率比NOAA－AVHRR有较大的进展（250米、500米和1000米）(表1：MODIS技术指标表、表2： MODIS波段分布特征、表3： MODIS波 段分布特征－续）。这些数据均对地球科学的综合研究和对陆地、大气和海洋进行分门别类的研究有较高的实用价值；其三，TERRA和AQUA卫星都是太阳同步极轨卫星，TERRA在地方时上午过境，AQUA将在地方时下午过境。TERRA与AQUA上的MODIS数据在时间更新频率上相配合，加上晚间过境数据，对于接收MODIS数据来说，可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新数据。这样的数据更新频率，对实时地球观测和应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）有较大的实用价值。

表1：MODIS技术指标表

表2： MODIS波段分布特征

表3： MODIS波段分布特征(续）

2. NASA对MODIS数据接收、处理、管理和应用政策

NASA对MODIS数据在接收、处理和使用方面继承了NOAA对AVHRR的政策，即在全世界范围内免费接收和鼓励推广使用的政策。所不同的是NASA在数据处理和传输方面作了技术改进，增加了数据在星上存储的功能和将存储的数据一次性向地面（ NASAGoddard 空间飞行中 心）传输的功能。这样的技术改进保障了美国获得全球数据将不用再依赖于类似NOAA的地面交换的方式，而是可以每天直接一次性接收到全球数据。同时也保持了世界各地均可以通过地面接收站获取到卫星通过该地区的数据的功能。由于MODIS数据量大，波段多，应用范围广，因此，NASA在数据处理和管理方面采取了分别处理的办法。即陆地数据由美国地质调查局数据中心（EROS）处理，大气和海洋数据由NASAGoddard空间飞行中心（GSFC）负责处理，冰雪数据由位于COLORADO的世界冰雪数据中心处理。这些数据将通过NASA国家级数据中心群DAAC归档管理并提供数据和信息服务。在数据管理的同时，NASA组织了多学科的科学家队伍，并且组织了自1992年以来每年二次的MODIS科学家队伍学术讨论会。2000年6月在马里兰召开了自TERRA成功发射后第一次MODIS科学家队伍科学讨论会。来自美国、日本、加拿大、英国和中国的140余位科学家出席了会议。为MODIS设计、开发和管理工作了14年的Vincent Salomonson博士在会议总结时说，国 际性的更大范围的

MODIS科学家学术会议将在今后几年陆续召开。可以预料，MODIS在全球变化研究中的作用和影响将会得到MODIS设计者预期的结果。 3. TERRA－MODIS与NOAA－AVHRR的对比

到目前为止，在世界各国发射的卫星所获得的数据中，应用最广的是NOAA－AVHRR数据。MODIS保留了AVHRR的功能的同时，在数据波段数目和数据应用范围、数据分辨率、数据接收和数据格式等方面都作了相当大的改进。这些改进构成了MODIS成为AVHRR的换代产品。这些改进主要有： · 数据分辨率、数据波段数和数据应用范围的改进

NOAA－AVHRR（14）是5个波段，MODIS被设计成36个波段。AVHRR数据的分辨率是1100米。MODIS在36个波段中有2个波段分辨率是250米，5个波段是500米，其余29个波段是1000米。其中250米分辨率的二个波段主要是对陆地的观测。由于MODIS数据在波段和分辨率方面的改进，使得MODIS数据量大幅度地增加（大约相当于AVHRR同期数据量的18倍左右）。它们的对比如表4所示：

表4：MODIS与AVHRR数据对比表

注：/后有*注记的为AVHRR数据，其余的为MODIS数据。 · 数据发射与接收的改进

NOAA－AVHRR数据是采用L波段向陆地发送的。TERRA－MODIS改用X波段向陆地发送，并在数据发送上增加了大量纠错能力，以保证用户可以用较小的天线（例如3米）就可以得到优质的信号。 · 数据格式的改进

NOAA－AVHRR是采用串符型数据格式存储，例如BIP、BSQ、FIL等格式存储。这样的存储格式比较简单，容易操作。MODIS在数据格式方面作了较大的改进。MODIS除了采用在美国空间通信方面通用的空间数据结构集团（CCSDS－Consulting Consortium of Space Data System) 的数据通信方式外，还采用分层次的串块型数据格式－HDF （Hierarchical Data Format)。这样的数据格式更适用于大数据量的快速 传输、存储和提取。

三、MODIS数据在我国的应用前景和在应用中应该注意的几个问题

我国是一个地学大国，科学家对地学数据的需求量很大。但是目前我国自产的数据量很少，满足不了需求。由于NASA在MODIS数据上的使用政策，使得我们有可能少花钱就可以得到在250米－1000米分辨率的、每天2－4次的、多波段的数据。这些数据可以应用在科学家对大气温度、降水、辐射、臭氧等方面的研究上；可以支持关于宏观的土地覆盖变化、生物生长量变化、生态环境监测等方面的研究，包括植被指数、叶面积指数、生物量、粮食估产、沙漠化监测、冰雪分布、森林和草原火灾监测等；可以为海洋温度、海洋生物和海洋污染的研究提供信息。可以预料，MODIS在我国会逐步推广应用起来。在我国推广应用MODIS应注意以下几个问题： · 从AVHRR逐步向MODIS转换的问题

据不完全统计，目前我国大约有百余个单位安装了NOAA－AVHRR数据接收站。这些接收站有的常年接收数据，有的偶尔接收数据。由于MODIS是AVHRR的换代产品，估计我国AVHRR的用户会逐步转向MODIS。建议我国AVHRR用户在转向MODIS时应根据具体情况具体解决。对于那些需要实时监测的应用问题和有特殊需求的地区，例如气象监测、森林火灾监测、海洋污染监测、冰雪监测等需要建站解决，其余的用户则应该尽量通过数据共享的途径解决科学研究所需信息问题。 · MODIS数据共享的问题

NASA通过美国的数据中心向全世界提供网上数据共享。这个数据资源应该得到我国地学科学家们广泛的注意。但是，由于全球数据量特别大，数据上网一般要滞后一段时间。另外，目前我国计算机网络传输的速度对于MODIS数据来说还是太慢，我国国际网络传输的收费政策也将造成MODIS数据在我国的使用造价太高。根据这种情况，在我国建设为数据共享服务的MODIS数据地面接收站是必要的。国家有关部门应该专项支持这项工作。从目前我国数据共享存在的问题上看，既涉及到社会学问题、经济学问题，也涉及到科学问题和技术问题。但是，前者的影响程度要大于后者。因此，建议国家有关部门重视MODIS数据在我国共享过程中的政策协调问题。 · MODIS数据应用关键技术培训和推广问题

数据是科学研究的基础，也是科学研究的导向。MODIS数据的产生必将在地球科学研究中引起相当大的反响。如果在我国MODIS数据共享的工作做得比较成功的话，剩下的关键问题是MODIS以及其他有关地球科学数据应用的关键技术是否能够得到推广和应用。目前，我国大多数地学科学家自如地应用现代信息技术的程度与科学家承担的科学任务相比相差很大。要改变这种现象，数据和信息应用技术的推广和培训的工作十分必要。建议国家有关部门对地球科学数据应用技术推广培训的工作应该与对数据共享的工作一样给予重视。

· MODIS数据与其他有关数据综合应用的问题

对于地球科学研究来讲，任何单一的数据和信息都不可能解决综合性的科学问题。对于MODIS数据也不例外。在MODIS应用过程中，与实地调查数据、长期地面观测数据的综合应用应该提倡。此外，与其他遥感数据的综合应用也应该得到重视。从数据资源应用的角度来看，更值得注意的是与LANDSAT-7的ETM＋（Enhanced Thematic Mapper Plus）的数据综合应用的问题。对于我国大多数地学科学家们 来讲，对LANDSAT产生的TM数据并不陌生。在LANDSAT一系列卫星中，最新的LANDSAT－7作了很大的改进。其一、ETM＋的分辨率比较高，它包括1个15米、6个30米和1个60米分辨率共8个波段的数据。其二、LANDSAT－7的数据接收费用在大幅度下降，从经济费用来讲基本可以达到大多数科学研究项目可以承担得起的程度。可以预料，高频率、多波段的MODIS数据与高分辨率的ETM＋数据的综合应用一定会在我国地球科学研究中开创一个新的起点。 参考文献

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