地球观测系统实时探测能力的实现

1、地球观测系统实时探测能力的实现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

2、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 XX局,XX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 XX局,XX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XX局,XX局（USFS 开始例行要求

3、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XX局,XX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（E

4、SD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 LANCET统的发 展。3 LANCE的体系结构LANC啲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

5、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（0M）、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

6、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（OM） 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

7、（ SIPS 、中分辨率成像光谱仪（MODIS自适应处理系统 （MODAPS, 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

8、品的类别。4.1示例：加速MODIS产品发布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品都有类

9、似的科学团队参与其中4.2 产品质量LANC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

10、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。LANCB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勺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 团队提供产品和图像服务，以支持对灾害的实时监测。在提供MODISH实时数据早期努力的基础上，LANCET四个附加设备发展成可以提供产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。