地球观测系统实时探测能力的实现

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摘 要：过去十年，来自卫星遥感的近实时数据在数据可用性和利用率上取得了迅猛增长。实时数据在许多方面的应用，诸如数值天气预测预报、自然灾害监测、防灾减灾、农业和国土安全等。随着数据应用的成熟，这种由原始数据过渡到实际应用能力的需求为提高近实时系统当前和未来的性能提供了机遇。文章重点介绍了美国航空航天局实现陆地和大气近实时数据应用的成果，这些近实时数据来自中分辨率成像光谱仪（MODIS）、大气红外探测仪（AIRS）、高级微波扫描辐射计-地球观测系统 （AMSR-E）、微波临边探测器（MLS）和Terra、Aqua、Aura卫星上的臭氧监测仪（OMI）。

关键词：实时系统；卫星应用；实现

1 概述

美国航空航天局地球观测数据和信息系统（EOSDIS）提供了丰富的有助于支持大气、海洋、陆地科学研究的数据和产品。地球观测系统（EOS）在Terra、Aqua、Aura卫星上的探测设备每天都进行全球探测，探测数据会在8到40小时的观测时间内被加工成高水平的“标准“产品提供给用户使用，主要是地球科学研究人员。然而，旨在利用地球观测系统的近实时数据，进行包括数值天气预报和气候预测预报、自然灾害、生态或外来物种种群、农业、空气质量监测，防灾减灾和国土安全研究和应用的应用用户、业栈构和研究人员，相比通常的科学研究过程，需要数据的时间更为紧迫，通常在3小时以内，而且为了近实时的数据访问也愿意以牺牲产品质量为代价，针对这一需要，美国国家航空航天局为地球观测系统开发出了陆地、 大气近实时探测能力（LANCE）。

2 LANCE的起源

地球观测数据与信息系统（MODIS）起初并不是为了满足近实时用户合理延时的数据需求而设计的。2002年，美国国家航空航天局、国家海洋和大气管理局（NOAA）和国防部（DoD）联合倡议在卫星观测3小时之内向国家海洋和大气管理局（NOAA）卫星用户提供来自地球观测系统的观测数据。然而，随着2001年在蒙大拿州发生的森林火灾，美国林业局（USFS）开始例行要求提供来自中分辨率成像光谱仪（MODIS）实时观测的火情数据。针对这一要求，在美国林业局提供部分支持的情况下，开发了中分辨率成像光谱仪（MODIS）陆地快速反应系统。这个系统利用了来自美国航空航天局NOAA系统的1级数据，提供了易于观察聚焦活动火区的图像。随后这一系统被继续开发，有关洪水、农业和空气质量监测的图像都可以向用户提供。正当地球观测系统数据处理和数据产品提供趋于成熟的时候，来自美国国家航空航天局的其他用户对请求访问近实时数据的兴趣日渐浓厚。在美国航空航天局NOAA系统老化和地球科学相关应用领域近实时数据需求不断增长和扩展的情况下，美国航空航天局地球科学部门（ESD）决定在地球观测数据与信息系统中实现一种近乎实时的探测能力。

在现有地球观测数据与信息系统（MODIS）探测能力的基础上，美国航空航天局地球科学部门（ESD）资助了LANCE系统的开发。LANCE包含了特殊的数据处理单元、地球观测数据与信息系统共处的数据中心和数据处理设备。这些数据处理单元使用优化的科学算法加快了EOS数据和业务系统（EDOS）之间的数据传输，从而将近实时的数据提供给用户。飞行、研究和分析、应用科学项目在美国航空航天局ESD内部联合赞助了LANCE系统的发展。

3 LANCE的体系结构

LANCE的体系结构利用了现有的近实时卫星数据处理系统，该系统由戈达德空间飞行中心（GSFC）的地球科学数据和信息系统 （ESDIS）项目组管理。近实时数据当前覆盖中分辨率成像光谱仪（MODIS）、臭氧监测仪（OMI）、大气红外探测仪（AIRS）、微波临边探测器（MLS）、高级微波扫描辐射计-地球观测系统（AMSR-E）。LANCE的每个单元直接分发数据到终极用户，减少了等待时间。LANCE维持了一个中央网站，方便为用户提供数据和服务。每个单元还计划使用网络冗余、电源和服务器基础架构，以确保数据和服务的高效使用。

LANCE是EOS地面系统（请参见图1）的一部分，LANCE的所有数据都来自Terra、Aqua或基于Aura卫星的设备。新墨西哥州通过跟踪数据中继卫星系统（TDRSS），Terra卫星的仪器数据被下行到白沙试验场。Aqua和Aura卫星的仪器数据被下行到在挪威和阿拉斯加的极地地面站（PGS）。来自三个卫星的数据会被EDOS加工成0级数据，并分发给LANCE的处理单元处理成高级别的产品，整个过程一般在观测后30分钟至两小时内完成，然后每个单元会把原始数据处理成为更高水平的数据产品并提供给用户使用。

美国宇航局戈达德飞行中心（GSFC）四个处理单元，即：地球科学数据和信息服务中心（GES DISC）、臭氧监测仪（OMI）科学调查员领导处理系统（SIPS）、高级微波扫描辐射计-地球观测系统（AMSR-E）领导处理系统（SIPS）、中分辨率成像光谱仪（MODIS）自适应处理系统 （MODAPS），一般在卫星观测后30分钟至两小时内，会接收从卫星下行经过地面站传输的缓冲数据或来自延展磁盘操作系统（EDOS）基于会话的生产数据集，然后每个单元会将原始数据处理成更高级别的数据产品并提供给用户。

4 LANCE产品

依靠美国航空航天局在科学算法和产品上的重大投资，LANCE利用近实时数据开发的应用产品具有很强的实用性。从较低级别的数据产品，如标准化的地理定位辐射到更高级别的产品如海冰范围、 雪盖和云层覆盖，用户已经把LANCE数据整合进了预测模型和决策支持系统。表1显示由仪器设备得到的当前近实时产品的类别。

4.1 示例：加速MODIS产品

为了加快数据输入的实时有效性以便于开发近实时MODIS产品，标准数据处理方式经过了多次改进。第一，在标准处理过程中，加入了Terra卫星的姿态和星历数据，而不是飞行动力学系统 （FDS） 产品数据。第二，在标准处理过程中，基于地面姿态确定（GBAD）Aqua姿态和星历数据的缓冲率数据被使用了，而不是24小时全天候飞行动力学产品数据。第三，某些二级代码已修订产品规则以放宽对辅助数据产品的要求。科学团队成员通过制定或审查所有针对标准处理软件的改进方法，来确保在延迟时间要求范围内取得最高水平的达标数据。所有LANCE产品都有类似的科学团队参与其中。

4.2 产品质量

LANCE产品在提供给用户使用之前经过了全面测试和与科学产品的对比，继续从上一节中的MODIS示例，图2比较了来自MODIS 近实时产品和科学产品，科学产品和近乎实时的数据产品之间的差异特征揭示了一些细微的差别，然而总的一致性较高。虽然尽一切努力来创造高品质近乎实时的产品，然而当时间延迟不是关心的主要问题时，还是应该使用科学品质的产品。

图2前两幅图并排比较显示的是在中西部地区陆地表面反射颗粒，产品之间似乎没有差别，然而仔细观察近实时图像后，会发现在五大湖西部有稍多薄雾。相比之下，后两幅图并排比较的是具有同一颗粒物云层的云顶温度，可以发现在五大湖地区有非常明显的差异，这是由于产品对全球数据同化系统辅助数据的敏感性所造成的。

4.3 数据访问

应用程序用户在决策支持系统和领域中，要求及时、方便、可靠的近实时数据访问。以附近的实时数据。LANCE制定了全系统的需求服务，以确保用户可以获取近实时的产品。获得LANCE产品的主要途径是通过FTP和能够推送数据到用户系统的订阅服务。LANCE的所有数据均没有无限期的独占访问权并且是免费的提供的 ；然而，国际同行或其他机构提供的数据可能有与这些组织的谅解备忘录限制。

5 结束语

LANCE系y已在满足应用和业务团队对陆地和大气近实时数据日益增长的需求上取得了成功。美国航空航天局的地球科学司得以利用现有科学研究能力以一种及时的方式，为近实时工作团队提品和图像服务，以支持对灾害的实时监测。

在提供MODIS近实时数据早期努力的基础上，LANCE从四个附加设备发展成可以提品用了不到两年的时间。虽然基于一组不同的设备，每个都有其自己的特殊处理要求，LANCE还是成了一个常见的协作系统。通过中央门户网站的使用，LANCE给用户团队提供了一个共同访问点，同时提供自主开发的各个要素。ESDIS项目在继续完善LANCE系统，项目通过试验和从实践中取得的经验，来提高系统的质量和性能。美国国家航空航天局正在建立LANCE用户工作组来指导系统的开发，并创建相关论坛，分享经验，预计将进一步提高LANCE的性能。

参考文献

[1]Justice C. O.， Giglio L.， Korontzi S.， Owens J.， Morisette J. T.， Roy D.， Descloitres J.， Alleaume S.， Petitcolin F.， and Kaufman Y.， 2002. The MODIS Fire Products. Remote Sensing of Environment， 83， 1-2， 244-262.

[2]Masuoka， E.， Tilmes， C.， Ye， G.， Devine， N.， "Producing global science products for the MODerate resolution Imaging Spectroradiometer （MODIS） in MODAPS"， Proceedings of the Geoscience and Remote Sensing Symposium， 2000，vol.5，pp.2050-2052.Digital Object Identifier：10.1109/IGARSS.2000.858267

作者简介：彭孔阳（1978，12-），男，甘肃合水人，理工大学大气物理学与大气环境专业，研究生。