地球觀測系統實時探測能力的實現

摘 要：過去十年，來自衛星遙感的近實時數據在數據可用性和利用率上取得了迅猛增長。實時數據在許多方面的應用，諸如數值天氣預測預報、自然災害監測、防災減災、農業和國土安全等。隨著數據應用的成熟，這種由原始數據過渡到實際應用能力的需求為提高近實時系統當前和未來的性能提供了機遇。文章重點介紹了美國航空航天局實現陸地和大氣近實時數據應用的成果，這些近實時數據來自中分辨率成像光譜儀（MODIS）、大氣紅外探測儀（AIRS）、高級微波掃描輻射計-地球觀測系統 （AMSR-E）、微波臨邊探測器（MLS）和Terra、Aqua、Aura衛星上的臭氧監測儀（OMI）。

關鍵詞：實時系統；衛星應用；實現

1 概述

美國航空航天局地球觀測數據和信息系統（EOSDIS）提供了豐富的有助于支持大氣、海洋、陸地科學研究的數據和產品。地球觀測系統（EOS）在Terra、Aqua、Aura衛星上的探測設備每天都進行全球探測，探測數據會在8到40小時的觀測時間內被加工成高水平的“標準“產品提供給用戶使用，主要是地球科學研究人員。然而，旨在利用地球觀測系統的近實時數據，進行包括數值天氣預報和氣候預測預報、自然災害、生態或外來物種種群、農業、空氣質量監測，防災減災和國土安全研究和應用的應用用戶、業務機構和研究人員，相比通常的科學研究過程，需要數據的時間更為緊迫，通常在3小時以內，而且為了近實時的數據訪問也愿意以犧牲產品質量為代價，針對這一需要，美國國家航空航天局為地球觀測系統開發出了陸地、 大氣近實時探測能力（LANCE）。

2 LANCE的起源

地球觀測數據與信息系統（MODIS）起初并不是為了滿足近實時用戶合理延時的數據需求而設計的。2002年，美國國家航空航天局、國家海洋和大氣管理局（NOAA）和國防部（DoD）聯合倡議在衛星觀測3小時之內向國家海洋和大氣管理局（NOAA）衛星用戶提供來自地球觀測系統的觀測數據。然而，隨著2001年在蒙大拿州發生的森林火災，美國林業局（USFS）開始例行要求提供來自中分辨率成像光譜儀（MODIS）實時觀測的火情數據。針對這一要求，在美國林業局提供部分支持的情況下，開發了中分辨率成像光譜儀（MODIS）陸地快速反應系統。這個系統利用了來自美國航空航天局NOAA系統的1級數據，提供了易于觀察聚焦活動火區的圖像。隨后這一系統被繼續開發，有關洪水、農業和空氣質量監測的圖像都可以向用戶提供。正當地球觀測系統數據處理和數據產品提供趨于成熟的時候，來自美國國家航空航天局的其他用戶對請求訪問近實時數據的興趣日漸濃厚。在美國航空航天局NOAA系統老化和地球科學相關應用領域近實時數據需求不斷增長和擴展的情況下，美國航空航天局地球科學部門（ESD）決定在地球觀測數據與信息系統中實現一種近乎實時的探測能力。

在現有地球觀測數據與信息系統（MODIS）探測能力的基礎上，美國航空航天局地球科學部門（ESD）資助了LANCE系統的開發。LANCE包含了特殊的數據處理單元、地球觀測數據與信息系統共處的數據中心和數據處理設備。這些數據處理單元使用優化的科學算法加快了EOS數據和業務系統（EDOS）之間的數據傳輸，從而將近實時的數據提供給用戶。飛行、研究和分析、應用科學項目在美國航空航天局ESD內部聯合贊助了LANCE系統的發展。

3 LANCE的體系結構

LANCE的體系結構利用了現有的近實時衛星數據處理系統，該系統由戈達德空間飛行中心（GSFC）的地球科學數據和信息系統 （ESDIS）項目組管理。近實時數據當前覆蓋中分辨率成像光譜儀（MODIS）、臭氧監測儀（OMI）、大氣紅外探測儀（AIRS）、微波臨邊探測器（MLS）、高級微波掃描輻射計-地球觀測系統（AMSR-E）。LANCE的每個單元直接分發數據到終極用戶，減少了等待時間。LANCE維持了一個中央網站，方便為用戶提供數據和服務。每個單元還計劃使用網絡冗余、電源和服務器基礎架構，以確保數據和服務的高效使用。

LANCE是EOS地面系統（請參見圖1）的一部分，LANCE的所有數據都來自Terra、Aqua或基于Aura衛星的設備。新墨西哥州通過跟蹤數據中繼衛星系統（TDRSS），Terra衛星的儀器數據被下行到白沙試驗場。Aqua和Aura衛星的儀器數據被下行到在挪威和阿拉斯加的極地地面站（PGS）。來自三個衛星的數據會被EDOS加工成0級數據，并分發給LANCE的處理單元處理成高級別的產品，整個過程一般在觀測后30分鐘至兩小時內完成，然后每個單元會把原始數據處理成為更高水平的數據產品并提供給用戶使用。

美國宇航局戈達德飛行中心（GSFC）四個處理單元，即：地球科學數據和信息服務中心（GES DISC）、臭氧監測儀（OMI）科學調查員領導處理系統（SIPS）、高級微波掃描輻射計-地球觀測系統（AMSR-E）領導處理系統（SIPS）、中分辨率成像光譜儀（MODIS）自適應處理系統 （MODAPS），一般在衛星觀測后30分鐘至兩小時內，會接收從衛星下行經過地面站傳輸的緩沖數據或來自延展磁盤操作系統（EDOS）基于會話的生產數據集，然后每個單元會將原始數據處理成更高級別的數據產品并提供給用戶。

4 LANCE產品

依靠美國航空航天局在科學算法和產品上的重大投資，LANCE利用近實時數據開發的應用產品具有很強的實用性。從較低級別的數據產品，如標準化的地理定位輻射到更高級別的產品如海冰范圍、 雪蓋和云層覆蓋，用戶已經把LANCE數據整合進了預測模型和決策支持系統。表1顯示由儀器設備得到的當前近實時產品的類別。

4.1 示例：加速MODIS產品發布

為了加快數據輸入的實時有效性以便于開發近實時MODIS產品，標準數據處理方式經過了多次改進。第一，在標準處理過程中，加入了Terra衛星的姿態和星歷數據，而不是飛行動力學系統 （FDS） 產品數據。第二，在標準處理過程中，基于地面姿態確定（GBAD）Aqua姿態和星歷數據的緩沖率數據被使用了，而不是24小時全天候飛行動力學產品數據。第三，某些二級代碼已修訂產品規則以放寬對輔助數據產品的要求。科學團隊成員通過制定或審查所有針對標準處理軟件的改進方法，來確保在延遲時間要求范圍內取得最高水平的達標數據。所有LANCE產品都有類似的科學團隊參與其中。

4.2 產品質量

LANCE產品在提供給用戶使用之前經過了全面測試和與科學產品的對比，繼續從上一節中的MODIS示例，圖2比較了來自MODIS 近實時產品和科學產品，科學產品和近乎實時的數據產品之間的差異特征揭示了一些細微的差別，然而總的一致性較高。雖然盡一切努力來創造高品質近乎實時的產品，然而當時間延遲不是關心的主要問題時，還是應該使用科學品質的產品。

圖2前兩幅圖并排比較顯示的是在中西部地區陸地表面反射顆粒，產品之間似乎沒有差別，然而仔細觀察近實時圖像后，會發現在五大湖西部有稍多薄霧。相比之下，后兩幅圖并排比較的是具有同一顆粒物云層的云頂溫度，可以發現在五大湖地區有非常明顯的差異，這是由于產品對全球數據同化系統輔助數據的敏感性所造成的。

4.3 數據訪問

應用程序用戶在決策支持系統和領域中，要求及時、方便、可靠的近實時數據訪問。以附近的實時數據。LANCE制定了全系統的需求服務，以確保用戶可以獲取近實時的產品。獲得LANCE產品的主要途徑是通過FTP和能夠推送數據到用戶系統的訂閱服務。LANCE的所有數據均沒有無限期的獨占訪問權并且是免費的提供的 ；然而，國際同行或其他機構提供的數據可能有與這些組織的諒解備忘錄限制。

5 結束語

LANCE系統已在滿足應用和業務團隊對陸地和大氣近實時數據日益增長的需求上取得了成功。美國航空航天局的地球科學司得以利用現有科學研究能力以一種及時的方式，為近實時工作團隊提供產品和圖像服務，以支持對災害的實時監測。

在提供MODIS近實時數據早期努力的基礎上，LANCE從四個附加設備發展成可以提供產品用了不到兩年的時間。雖然基于一組不同的設備，每個都有其自己的特殊處理要求，LANCE還是成了一個常見的協作系統。通過中央門戶網站的使用，LANCE給用戶團隊提供了一個共同訪問點，同時提供自主開發的各個要素。ESDIS項目在繼續完善LANCE系統，項目通過試驗和從實踐中取得的經驗，來提高系統的質量和性能。美國國家航空航天局正在建立LANCE用戶工作組來指導系統的開發，并創建相關論壇，分享經驗，預計將進一步提高LANCE的性能。

參考文獻

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[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

作者簡介：彭孔陽（1978，12-），男，甘肅合水人，解放軍理工大學大氣物理學與大氣環境專業，研究生。