麻辣油碗的制作方法:TERRA/AQUA MODIS概述

一、 背景
当今全球环境变化研究中的关键问题是明确地球大气圈、水圈、岩石圈与生物圈之间的相互作用和相互影响，因此，大气科学、海洋科学、生物科学与地理科学作为一个整体共同构成了地球系统科学（ESS）。
为了加强对地球大气、海洋和陆地的综合观测研究，美国国家宇航局（NASA）于1991年发起了一个综合性项目，称为地球科学事业（ESE），其主要目的是通过卫星及其它工具对地球进行更深入的研究。ESE包括三个主要部分：一是地球观测卫星系列（EOS）；二是先进的数据系统（EOSDIS）；三是进行资料分析研究的科学队伍。重点观测研究领域包括水与能量循环、海洋、大气化学、陆地表层系统、水和生态系统过程、冰川和极地冰盖以及固体地球。EOS将在近地轨道提供至少18年系统连续的卫星观测数据用于定量研究地球系统的变化。
Terra作为EOS观测计划中的第一颗卫星，在美国（国家宇航局）、日本（国际贸易与工业厅）、加拿大（空间局、多伦多大学）的共同合作下于1999年12月18日成功发射，Terra的字源是拉丁语“地球、土地”，由于Terra卫星每天上午从北向南通过赤道，因此又被称为地球观测第一颗上午星（EOS-AM1）。NASA的EOS第二颗星命名为Aqua,是美国、巴西和日本共同合作研制的，其拉丁语意为“水”，于2002年5月4日发射成功，为了与Terra卫星在数据采集时间上相互配合，Aqua卫星每天下午从南向北通过赤道，因此被称为地球观测第一颗下午星（EOS-PM1）。两颗星均为太阳同步极轨卫星。此外，美国对地观测系统计划还将陆续发射用于不同观测内容的卫星系列，如以观测大气化学成分为主的AULA卫星（EOS-CHEM）、以观测冰雪、云层和地面高程为主的ICESAT卫星、以观测太阳辐射及其对气候影响为主的SORCE卫星和以观测陆地为主的LANDSAT-7卫星（1999年已发射成功）等。
中分辨率成像光谱仪(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) -MODIS是Terra和Aqua卫星上搭载的主要传感器之一，两颗星相互配合每1-2天可重复观测整个地球表面，得到36个波段的观测数据，这些数据将有助于我们深入理解全球陆地、海洋和低层大气内的动态变化过程，因此，MODIS在发展有效的、全球性的用于预测全球变化的地球系统相互作用模型中起着重要的作用，其精确的预测将有助于决策者制定与环境保护相关的重大决策。
MODIS自2000年4月开始正式发布数据，NASA对MODIS数据以广播X波段向全球免费发送，我国目前已建立了数个接收站并分别于2001年3月前后开始接收数据。由于NASA对MODIS数据实行这种全球免费接收的政策，使得MODIS数据的获取十分廉价和方便。
为了建立资料处理模式和算法研究，并指导对MODIS数据资料的科学探讨 和应用，ESE计划专门组建了MODIS资料处理和应用的国际研究队伍，分别由来自美国、澳大利亚和法国等国家的科学家组成，MODIS科学家研究队伍分为4个学科组，分别是大气、陆地、海洋和定标组。定标组主要是为MODIS资料的定量应用而开展的标定研究，并且监测MODIS仪器状态，确定观测数据的精确性和有效性。
Terra 卫星的成功发射是人类对地球观测历史上的一个重要里程碑，标志着人类对地球的观测研究正在进入全面综合的新时期。人类首次实现了在单一的空间平台上同时综合监测太阳辐射、大气、海洋和地球陆地。MODIS将在以下几方面的全球变化观测研究中发挥重要作用：
1、土地覆被变化和全球生产力研究--包括区域土地覆被的变化趋势和变化模式、生物多样性以及全球初级生产力
2、季节到年际气候预测--提高瞬时短期气候异常变化的时间和空间预报准确性
3、自然灾害--包括火灾、火山、洪涝和干旱等灾害的特征以及减灾研究
   长期气候变化--决定长期气候变化及其趋势的机理和因素以及人类活动的影响研究
4、大气臭氧--监测大气臭氧的变化、诱因及其影响
可见，美国新一代地球观测系统的发展模式已构成了“数据获取－数据共享－数据应用研究”的基本框架，其中数据应用研究是解决全球环境变化问题的基本出发点，因此，加深对数据的应用研究十分重要。

二、 MODIS主要特征及数据产品
MODIS拥有2330 km 的视场宽度并且1-2天可覆盖地球表面一次，其探测器在0.405-14.385 祄范围内以36个波段进行探测，共有三种空间分辨率250m, 500m和1000m。表6-1和6-2分别是MODIS的技术指标和波段特征。

MODIS 技术指标
轨道：   705KM,10:30A.M.降交点(TERRA)，1:30P.M.升交点(AQUA),太阳同步,近极轨,圆形
扫描速率：   20.3 rpm, 垂直轨道
带宽 2330 km (垂轨) X 10 km (星下点顺轨)
望远镜：   直径17.78 cm
大小：   1.0 x 1.6 x 1.0 m
重量 228.7 kg
功耗：   162.5 W (单轨平均)
数据率：   10.6 Mbps (日最大); 6.1 Mbps (轨道平均)
量化级数：   12 bits
空间分辨率：   250 m (1-2波段)；500 m (3-7波段)；1000 m (8-36波段)
设计寿命：   6 年

MODIS共有44种标准数据产品可用于全球变化研究，分别应用于不同的学科领域，如海洋学、生物学、地球科学以及大气科学，主要产品类型如下：
校正产品：
   MOD 01 - 1A级辐射校正
   MOD 02 - 1B 级地理定位校正后
   MOD 03 – 地理位置数据集
大气产品：
   MOD 04 – 气溶胶产品
   MOD 05 – 总降水量(水汽)
   MOD 06 – 云产品
   MOD 07 – 大气廓线
   MOD 08 – 格网大气产品
   MOD 35 – 云遮掩
陆地产品：
   MOD 09 – 表面反射率
   MOD 11 – 地表温度及辐射
   MOD 12 – 土地覆被/土地覆被变化
   MOD 13 - 网格植被指数(最大NDVI 和合成MVI)
   MOD 14 – 热异常, 火及生物燃烧
   MOD 15 – 叶面积指数以及FPAR
   MOD 16 – 蒸散
   MOD 17 – 净光合作用和初级生产力
   MOD 43 – 表面反射
   MOD 44 – 植被覆盖变化
冰雪圈：
   MOD 10 – 积雪覆盖
   MOD 29 – 海冰覆盖
98第六章基于Terra/MODIS数据的沙尘特征提取研究
海洋：
   MOD 18 - 归一化离水辐射
   MOD 19 – 色素浓度
   MOD 20 – 叶绿素荧光散射
   MOD 21 – 叶绿素色素浓度
   MOD 22 – 光合作用辐射(PAR)
   MOD 23 – 固体悬浮物浓度
   MOD 24 – 有机质浓度
   MOD 25 – 藻类浓度
   MOD 26 – 海洋水色衰减系数
   MOD 27 – 海洋初级生产力
   MOD 28 – 海洋表面温度
   MOD 31 – 藻红蛋白浓度
   MOD 36 – 总吸收效率
   MOD 37 – 海洋气溶胶特性
   MOD 39 – 清洁水体发射率

三、 HDF数据格式
HDF（Hierarchical Data Format）最初是1987年美国国家高级计算应用中心（National Center for Supercomputing Applications –NCSA） 研制的一种用于存储科学数据的物理文件格式，主要作为一种在不同计算机平台之间写入、操作、显示和分析数据的工具。HDF的最低层是用于存储科学数据的物理文件格式，最顶层是以操作、显示和分析HDF文件的工具和应用程序集，中间层则是一些提供高级APIs和低级数据界面的软件库。
HDF的主要任务是发展、提升、配置和支持开放自由的促进科学数据交换、获取、分析、归档和发现的技术。HDF项目包括科学数据管理的软件和数据文件格式的开发和支撑，软件包括用于科学数据分析、可视化和转换的I/O库和工具。目前共有两种HDF格式：HDF（HDF4.x及其以前的版本）和HDF5，两种格式完全不同且不兼容。目前使用HDF的科学项目包括NASA的HDF-EOS项目、DOE的高级模拟和计算项目。
HDF采用层次数据结构方式管理科学数据，通过总体目录结构实现不同平台间的数据共享，具有自述性、通用性、灵活性、独立性和可扩展性等特点。HDF有6种主要的数据类型：栅格图像、调色板、科学数据库、注释、Vdata 和Vgroup。
在树目录结构中每个HDF数据对象用不同的图标表示并予以识别，如SDS 科学数据库中共7种数据集：一维数据集、二维数据集、三维数据集、属性数据、数字属性、预定义属性、预定义数字属性。

四、 HDF-EOS格式
1993年NASA选择NCSA的HDF文件格式作为存储地球观测系统的传感器数据获取系统（主要是卫星）所获取数据的标准文件格式，用以支持全球变化研究项目。由于NASA选择了HDF，NCSA便开始与NASA合作以应对来自于未来EOS大量数据管理的挑战，其中包括开发HDF的特殊形式HDF-EOS，专门用于EOS生产的数据。Terra 作为EOS的第一颗卫星，于2000年4月开始正式发布数据，其数据采用HDF-EOS格式，其后的Aqua 和Aura 也采用HDF-EOS数据格式。
HDF-EOS在采用标准HDF对象（包括影像、表、文本以及数据阵列等）的同时还定义了另外三种基于HDF对象的数据类型：网格、点和带宽（swath），这三种数据类型使文件中包含了地球坐标参考系统，如经纬度和时间。网格数据类型采用众多标准投影中的某一种将数据置于网格中，带宽数据表示时间顺序的数据，点数据结构表示时间和地理空间上不规则的数据如气象站数据或浮船上的仪器测量数据等。
以MODIS的250米分辨率合成1KM分辨率后的数据集为例，HDF 格式定义描述如下：
Dataset #3: Earth View 250M Aggregated 1km Reflective Solar Bands Scaled Integers
数据集序号3：
Dims: UINT (1354 x 1110 x 2)
数据维数： (1354 x 1110 x 2)
Attribute 3-1: "long_name"
"Earth View 250M Aggregated 1km Reflective Solar Bands Scaled Integers"
属性3-1：全名“地球观测250m合成1km反射太阳波段整型值”
Attribute 3-2: "units"
"none"
属性3-2：单位无
Attribute 3-3: "valid_range"
0, 32767
属性3-3：数据有效范围0-32767
Attribute 3-4: "_Fillvalue"
65535
属性3-4：填充值65535
Attribute 3-5: "band_names"
"1,2"
属性3-5：波段名称“1，2”
Attribute 3-6: "radiance_scales"
0.02711501, 0.01112971
属性3-6：辐射校正系数，0.02711501, 0.01112971
Attribute 3-7: "radiance_offsets"
0.00000000, 0.00000000
属性3-7：辐射偏移量，0.00000000, 0.00000000
Attribute 3-8: "radiance_units"
"Watts/m^2/micrometer/steradian"
属性3-8：辐射单位"Watts/m^2/micrometer/steradian"
Attribute 3-9: "reflectance_scales"
0.00005260, 0.00003495
属性3-9：反射率比例系数0.00005260, 0.00003495
Attribute 3-10: "reflectance_offsets"
0.00000000, 0.00000000
属性3-10：反射率偏移量0.00000000, 0.00000000
Attribute 3-11: "reflectance_units"
"none"
属性3-11：反射率单位无
Attribute 3-12: "corrected_counts_scales"
0.12497330, 0.12497330
属性3-12：校正计数比例0.12497330, 0.12497330
Attribute 3-13: "corrected_counts_offsets"
0.00000000, 0.00000000
属性3-13：校正计数偏移量0.00000000, 0.00000000
Attribute 3-14: "corrected_counts_units"
"counts"
属性3-14：校正计数单位无
根据数据集的描述可知道数据的14个属性特征，其它数据集也具有相应的属性定义及描述，对于一个HDF文件，除了数据子集的描述外，还有关于HDF文件整体属性的描述。
HDF-EOS文件是自我描述型的，有助于科学数据的处理。对于HDF文件中的每一个数据对象都预先定义了信息识别标记如数据类型、维数、文件中的位置等。这种自我描述的能力使得仅根据一个文件中的信息就能完全理解文件中的数据结构和内容成为可能，同时，由于HDF所提供的众多功能，使得它也是一种复杂的文件格式，因此，支持HDF-EOS的软件程序目前还十分有限。
尽管Terra卫星上的多数传感器数据采用了HDF-EOS文件格式，但HDF-EOS文件格式并不是适用于所有数据，如云和地球辐射能量系统（CERES）传感器产生的数据是以基本HDF文件格式存储的。但是，HDF-EOS最重要的优点是它能使科学家无须另写程序就可以实现不同传感器数据之间的结合。
根据上述MODIS的特征可知，MODIS是目前最新、最全面的综合遥感数据获取平台，不仅适应资源环境领域的科学研究全球化、系统化、定量化的发展趋势，也揭开了定量遥感应用的新篇章。