地球觀測系統(tǒng)實時探測能力的實現(xiàn)

摘 要：過去十年，來自衛(wèi)星遙感的近實時數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)可用性和利用率上取得了迅猛增長。實時數(shù)據(jù)在許多方面的應(yīng)用，諸如數(shù)值天氣預(yù)測預(yù)報、自然災(zāi)害監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)和國土安全等。隨著數(shù)據(jù)應(yīng)用的成熟，這種由原始數(shù)據(jù)過渡到實際應(yīng)用能力的需求為提高近實時系統(tǒng)當(dāng)前和未來的性能提供了機(jī)遇。文章重點介紹了美國航空航天局實現(xiàn)陸地和大氣近實時數(shù)據(jù)應(yīng)用的成果，這些近實時數(shù)據(jù)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(tǒng) （AMSR-E）、微波臨邊探測器（MLS）和Terra、Aqua、Aura衛(wèi)星上的臭氧監(jiān)測儀（OMI）。

關(guān)鍵詞：實時系統(tǒng)；衛(wèi)星應(yīng)用；實現(xiàn)

1 概述

美國航空航天局地球觀測數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)（EOSDIS）提供了豐富的有助于支持大氣、海洋、陸地科學(xué)研究的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。地球觀測系統(tǒng)（EOS）在Terra、Aqua、Aura衛(wèi)星上的探測設(shè)備每天都進(jìn)行全球探測，探測數(shù)據(jù)會在8到40小時的觀測時間內(nèi)被加工成高水平的“標(biāo)準(zhǔn)“產(chǎn)品提供給用戶使用，主要是地球科學(xué)研究人員。然而，旨在利用地球觀測系統(tǒng)的近實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行包括數(shù)值天氣預(yù)報和氣候預(yù)測預(yù)報、自然災(zāi)害、生態(tài)或外來物種種群、農(nóng)業(yè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測，防災(zāi)減災(zāi)和國土安全研究和應(yīng)用的應(yīng)用用戶、業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)和研究人員，相比通常的科學(xué)研究過程，需要數(shù)據(jù)的時間更為緊迫，通常在3小時以內(nèi)，而且為了近實時的數(shù)據(jù)訪問也愿意以犧牲產(chǎn)品質(zhì)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(tǒng)開發(fā)出了陸地、 大氣近實時探測能力（LANCE）。

2 LANCE的起源

地球觀測數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)（MODIS）起初并不是為了滿足近實時用戶合理延時的數(shù)據(jù)需求而設(shè)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(lián)合倡議在衛(wèi)星觀測3小時之內(nèi)向國家海洋和大氣管理局（NOAA）衛(wèi)星用戶提供來自地球觀測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)。然而，隨著2001年在蒙大拿州發(fā)生的森林火災(zāi)，美國林業(yè)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(shù)據(jù)。針對這一要求，在美國林業(yè)局提供部分支持的情況下，開發(fā)了中分辨率成像光譜儀（MODIS）陸地快速反應(yīng)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)利用了來自美國航空航天局NOAA系統(tǒng)的1級數(shù)據(jù)，提供了易于觀察聚焦活動火區(qū)的圖像。隨后這一系統(tǒng)被繼續(xù)開發(fā)，有關(guān)洪水、農(nóng)業(yè)和空氣質(zhì)量監(jiān)測的圖像都可以向用戶提供。正當(dāng)?shù)厍蛴^測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)產(chǎn)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(shù)據(jù)的興趣日漸濃厚。在美國航空航天局NOAA系統(tǒng)老化和地球科學(xué)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域近實時數(shù)據(jù)需求不斷增長和擴(kuò)展的情況下，美國航空航天局地球科學(xué)部門（ESD）決定在地球觀測數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)中實現(xiàn)一種近乎實時的探測能力。

在現(xiàn)有地球觀測數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)（MODIS）探測能力的基礎(chǔ)上，美國航空航天局地球科學(xué)部門（ESD）資助了LANCE系統(tǒng)的開發(fā)。LANCE包含了特殊的數(shù)據(jù)處理單元、地球觀測數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)共處的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。這些數(shù)據(jù)處理單元使用優(yōu)化的科學(xué)算法加快了EOS數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)（EDOS）之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而將近實時的數(shù)據(jù)提供給用戶。飛行、研究和分析、應(yīng)用科學(xué)項目在美國航空航天局ESD內(nèi)部聯(lián)合贊助了LANCE系統(tǒng)的發(fā)展。

3 LANCE的體系結(jié)構(gòu)

LANCE的體系結(jié)構(gòu)利用了現(xiàn)有的近實時衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由戈達(dá)德空間飛行中心（GSFC）的地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng) （ESDIS）項目組管理。近實時數(shù)據(jù)當(dāng)前覆蓋中分辨率成像光譜儀（MODIS）、臭氧監(jiān)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(tǒng)（AMSR-E）。LANCE的每個單元直接分發(fā)數(shù)據(jù)到終極用戶，減少了等待時間。LANCE維持了一個中央網(wǎng)站，方便為用戶提供數(shù)據(jù)和服務(wù)。每個單元還計劃使用網(wǎng)絡(luò)冗余、電源和服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)，以確保數(shù)據(jù)和服務(wù)的高效使用。

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

美國宇航局戈達(dá)德飛行中心（GSFC）四個處理單元，即：地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心（GES DISC）、臭氧監(jiān)測儀（OMI）科學(xué)調(diào)查員領(lǐng)導(dǎo)處理系統(tǒng)（SIPS）、高級微波掃描輻射計-地球觀測系統(tǒng)（AMSR-E）領(lǐng)導(dǎo)處理系統(tǒng)（SIPS）、中分辨率成像光譜儀（MODIS）自適應(yīng)處理系統(tǒng) （MODAPS），一般在衛(wèi)星觀測后30分鐘至兩小時內(nèi)，會接收從衛(wèi)星下行經(jīng)過地面站傳輸?shù)木彌_數(shù)據(jù)或來自延展磁盤操作系統(tǒng)（EDOS）基于會話的生產(chǎn)數(shù)據(jù)集，然后每個單元會將原始數(shù)據(jù)處理成更高級別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品并提供給用戶。

4 LANCE產(chǎn)品

依靠美國航空航天局在科學(xué)算法和產(chǎn)品上的重大投資，LANCE利用近實時數(shù)據(jù)開發(fā)的應(yīng)用產(chǎn)品具有很強(qiáng)的實用性。從較低級別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如標(biāo)準(zhǔn)化的地理定位輻射到更高級別的產(chǎn)品如海冰范圍、 雪蓋和云層覆蓋，用戶已經(jīng)把LANCE數(shù)據(jù)整合進(jìn)了預(yù)測模型和決策支持系統(tǒng)。表1顯示由儀器設(shè)備得到的當(dāng)前近實時產(chǎn)品的類別。

4.1 示例：加速M(fèi)ODIS產(chǎn)品發(fā)布

為了加快數(shù)據(jù)輸入的實時有效性以便于開發(fā)近實時MODIS產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方式經(jīng)過了多次改進(jìn)。第一，在標(biāo)準(zhǔn)處理過程中，加入了Terra衛(wèi)星的姿態(tài)和星歷數(shù)據(jù)，而不是飛行動力學(xué)系統(tǒng) （FDS） 產(chǎn)品數(shù)據(jù)。第二，在標(biāo)準(zhǔn)處理過程中，基于地面姿態(tài)確定（GBAD）Aqua姿態(tài)和星歷數(shù)據(jù)的緩沖率數(shù)據(jù)被使用了，而不是24小時全天候飛行動力學(xué)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。第三，某些二級代碼已修訂產(chǎn)品規(guī)則以放寬對輔助數(shù)據(jù)產(chǎn)品的要求。科學(xué)團(tuán)隊成員通過制定或?qū)彶樗嗅槍?biāo)準(zhǔn)處理軟件的改進(jìn)方法，來確保在延遲時間要求范圍內(nèi)取得最高水平的達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)。所有LANCE產(chǎn)品都有類似的科學(xué)團(tuán)隊參與其中。

4.2 產(chǎn)品質(zhì)量

LANCE產(chǎn)品在提供給用戶使用之前經(jīng)過了全面測試和與科學(xué)產(chǎn)品的對比，繼續(xù)從上一節(jié)中的MODIS示例，圖2比較了來自MODIS 近實時產(chǎn)品和科學(xué)產(chǎn)品，科學(xué)產(chǎn)品和近乎實時的數(shù)據(jù)產(chǎn)品之間的差異特征揭示了一些細(xì)微的差別，然而總的一致性較高。雖然盡一切努力來創(chuàng)造高品質(zhì)近乎實時的產(chǎn)品，然而當(dāng)時間延遲不是關(guān)心的主要問題時，還是應(yīng)該使用科學(xué)品質(zhì)的產(chǎn)品。

圖2前兩幅圖并排比較顯示的是在中西部地區(qū)陸地表面反射顆粒，產(chǎn)品之間似乎沒有差別，然而仔細(xì)觀察近實時圖像后，會發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)在五大湖地區(qū)有非常明顯的差異，這是由于產(chǎn)品對全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)輔助數(shù)據(jù)的敏感性所造成的。

4.3 數(shù)據(jù)訪問

應(yīng)用程序用戶在決策支持系統(tǒng)和領(lǐng)域中，要求及時、方便、可靠的近實時數(shù)據(jù)訪問。以附近的實時數(shù)據(jù)。LANCE制定了全系統(tǒng)的需求服務(wù)，以確保用戶可以獲取近實時的產(chǎn)品。獲得LANCE產(chǎn)品的主要途徑是通過FTP和能夠推送數(shù)據(jù)到用戶系統(tǒng)的訂閱服務(wù)。LANCE的所有數(shù)據(jù)均沒有無限期的獨(dú)占訪問權(quán)并且是免費(fèi)的提供的 ；然而，國際同行或其他機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)可能有與這些組織的諒解備忘錄限制。

5 結(jié)束語

LANCE系統(tǒng)已在滿足應(yīng)用和業(yè)務(wù)團(tuán)隊對陸地和大氣近實時數(shù)據(jù)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(xué)司得以利用現(xiàn)有科學(xué)研究能力以一種及時的方式，為近實時工作團(tuán)隊提供產(chǎn)品和圖像服務(wù)，以支持對災(zāi)害的實時監(jiān)測。

在提供MODIS近實時數(shù)據(jù)早期努力的基礎(chǔ)上，LANCE從四個附加設(shè)備發(fā)展成可以提供產(chǎn)品用了不到兩年的時間。雖然基于一組不同的設(shè)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(xié)作系統(tǒng)。通過中央門戶網(wǎng)站的使用，LANCE給用戶團(tuán)隊提供了一個共同訪問點，同時提供自主開發(fā)的各個要素。ESDIS項目在繼續(xù)完善LANCE系統(tǒng)，項目通過試驗和從實踐中取得的經(jīng)驗，來提高系統(tǒng)的質(zhì)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(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)，并創(chuàng)建相關(guān)論壇，分享經(jīng)驗，預(yù)計將進(jìn)一步提高LANCE的性能。

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