美国对地观测系统

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1、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（19911998 年）； 第二阶段全面的对地观测阶段（19992003）；第三阶段新一代更为细致的对地观测

2、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

3、球辐 射能量系统测量仪一CERES（Clouds and the Earths Radiant Energy System）、中分辨率成象光 谱仪一 MODIS （MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）、多 角度成象光谱仪 一 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一MOPITT （Measureme

4、nts 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（EOSAM1）。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

5、 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（EOSPM1）。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 一 CERES（Clouds and the Earths Radiant Energy System）、中分辨率成 象光谱仪一MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer ）、大气红外探测器一AIRS （Atmospheric Infrared Sounder）、先进微波探

6、测器一AMSU-A （Advanced Microwave Sounding Unit-A）、 巴西湿度探测器一HSB （Humidity Sounder for Brazil）、和地球观测系统先进微波扫描辐射计一 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EOSCHEM），以观测地球冰雪、云层和地面高程为主的

7、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LANDSAT7卫星（1999年发射成功）等。在TERRA、AQUA、AULA、ICESAT、SORCE、LANDSAT7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（M ODIS）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

8、. 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NOAAAVHRR有较大的进展（250米、500米和1000米）俵 1： MODIS技术指标表、表2： MODIS波段分布特征、表3： MODIS波 段分布特征一续）。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

9、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技术指标表项目指标轨道705公里，降轨上午10:30过境，升轨下午1:30过境，太阳同 步，近极地园轨道扫描频率每分钟20.3转，与轨道垂直测绘带宽2330公里x10公里望远镜直径17.78厘米体积1.

10、0 米x1.6 米x1.0 米重量250公功耗225瓦数据率11兆比特/秒量化12比特空间分辨率250 米、500 米、1000 米设计寿命5年表2： MODIS波段分布特征基本用途波段序号波段宽度nm光谱灵敏度信噪比W/m2-mm-sr陆地与云的界限1620 67021.8128同上2841 87624.7201陆地与云的性质3459 47935.3243同上4545 56529.0228同上51230 12505.474同上61628 16527.3275同上72105 21551.0110海洋颜色、水体表层性质、生物化学8405 42044.9880同上9438 44841.9838同上

11、10483 49332.1802同上11526 53627.9754同上12546 55621.0750同上13662 6729.5910同上14673 6838.71087同上15743 75310.2586同上16862 8776.2516大气水分17890 92010.0167同上189319413.657同上19915 96515.0250表 3 ： MODIS 波段分布特征（ 续）基本用途波段序号波段宽度mm光谱灵敏度W/m2-mm-sr等效噪声温度差（K）地表/云温度203.660-3.8400.45(300K)0.05同上213.929-3.9892.38(335K)2.00同上

12、223.929-3.9890.67(300K)0.07同上234.020-4.0800.79(300K)0.07大气温度244.433-4.4980.17(250K)0.25同上254.482-4.5490.59(275K)0.25卷云261.360-1.3906.00150(SNR)水汽276.535-6.8951.16(240K)0.25同上287.175-7.4752.18(250K)0.25同上298.400-8.7009.58(300K)0.05臭氧309.580-9.8803.69(250K)0.25地表/云温度3110.780-11.2809.55(300K)0.05同上3211

13、.770-12.2708.94(300K)0.05云顶高度3313.185-13.4854.52(260K)0.25同上3413.485-13.7853.76(250K)0.25同上3513.785-14.0853.11(240K)0.25同上3614.085-14.3852.08(220K)0.252. 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（ N

14、ASAGoddard 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