TERRAAQUAAURA卫星简介及MODIS数据的获取

TERRA\AQUA\AURA卫星简介及MODIS数据的获取

1.TERRA\AQUA\AURA卫星简介

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（EOS）计划。这个计划分三个阶段：第一阶段－准备工作阶段（1991－1998年）；第二阶段－全面的对地观测阶段（1999－2003）；第三阶段－新一代更为细致的对地观测阶段（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有三颗卫星成为系列特别引起遥感应用界的瞩目。它们是：TERRA、AQUA和AURA。它们分别于1999年12月18日、2002年5月4日和2004年7月15日发射成功，目前均处于正常运转中。

图1 TERRA卫星（来自NASA）

TERRA卫星名字的由来

1991年美国开始了地球观测系统计划。这个计划被认为是人类历史上第一次对这个具有45亿年历史的地球进行全面调查和综合诊断的具有重要历史意义的大型行动计划。在这个计划中，发射卫星是其中最主要的任务之一。在计

划发射的一系列卫星中，第一颗卫星将作为地球观测系统的旌旗（EOS－FLAG）。由于该星是每天地方时上午过境，因此暂定为EOS－AM1，即地球观测系统第一颗上午星。1998年春天，在EOS－AM1发射的前一年，由美国航空航天局（NASA）和美国地球物理联合会（American Geophysical Union － AGU）共同发起对EOS －AM1命名的征集工作。征集的范围限制在全世界8－12年级（初中二年级至高中三年级）的学生，要求用不超过300字的短文说明对EOS－AM1的命名和命名的原由。

在征集通知发出去后的几个月内，评选委员会收到了来自世界各国1，100多篇命名稿件。经过第一轮筛选，评选出了十个不同的候选名字和短文。在这十个候选的名字和短文中，密苏里州圣路易斯市高中三年级学生 Sasha Jones 用她在字句里充满了对地球母亲无限的感激、满腔的热爱和高度的责任感的短文最终感动了评选委员会的全体评委。正象Sasha在她短文中自信的那样，TERRA （取拉丁语义）的名字最终将印在地球观测系统的旌旗上。Sasha及其父母因此获得了1999年12月18日到加里佛尼亚卫星发射基地观看卫星发射过程的全部资助，Sasha所在的学校也因此获得了一台计算机和可以获取TERRA卫星影象数据的全套软件。

这位中学生的短小精炼、充满激情和爱心的TERRA卫星命名篇全文如下：Terra

The woman I believe this satellite should be named after is the most beautiful woman ever. Without her production of food we would not eat. Without her production of fluids we would not drink. Without her tedious care for vegetation we would not be able to build houses, cure the sick, and even breathe. Without her fury we would not be taught lessons, be brought closer together, and learn how to survive against all odds. She is our history, all of it. She is our present, she allows us to be. She is our future, and we must care for her, as she is the most caring and beautiful woman in the universe. She will be the mission of this EOS AM-1, and we should name it after her, in honor of her. She is Terra: Mother Earth.

Terra

我相信这颗卫星以后会以此命名，她是一位仙女，一位从未有过的最漂亮的仙女。没有她提供的食物，我们就没有吃的。没有她提供的液体，我们就没有喝的。没有她对植被的悉心照料，我们就不能建造房屋，我们也不能抵御疾病，甚至我们不能呼吸。没有她的激昂，我们就不能上课，也不能聚集在一起，更不能学到怎样在奇异变化的环境中生存。她是我们的历史，是历史的全部。她是我们的现在，因为有了她才有了我们的今天。她是我们的未来，我们必须照护好她，因为她是宇宙中最赋有同情心，最美的仙女。我们应该把这个名字授予她，把这份荣耀归功于她，她将完成地球观测系统第一颗上午星的历史使命。她就是Terra：地球母亲。

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（EOS－AM1）。

图2 AQUA卫星外形（来自NASA）

AQUA卫星保留了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（EOS－PM1）。

图3 AURA卫星外形（来自https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）

表1 TERRA、AQUA、AURA卫星技术指标

1.1 TERRA卫星搭载的传感器

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：

(1) 云与地球辐射能量系统测量仪-CERES(Clouds and the Earth's Radiant

Energy System)

(2) 中分辨率成象光谱仪- MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）

(3) 多角度成像光谱仪－MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）

(4) 先进星载热辐射与反射测量仪 ASTER (Advanced Spaceborn Thermal Emission and reflection Radiometer)

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）

(5)对流层污染测量仪－MOPITT (Measurements Of Pollution In The

Troposphere)

1.2 AQUA卫星星载传感器

AQUA卫星共载有6个传感器，它们分别是：云与地球辐射能量系统测量仪－CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System)、中分辨率成象光谱仪－MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer )、大气红外探测器－AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)、先进微波探测器－AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A)、巴西湿度探测器－ HSB (Humidity Sounder for Brazil)、地球观测系统先进微波扫描辐射计－ AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS)。

(1) 云与地球辐射能量系统测量仪－ CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System)

云与地球辐射能量系统测量仪（CERES）获取数据的目的主要包括：

－用于气候变化分析，提供大气层顶部连续的、包括辐射通量在内的地球辐射收支实验数据

－将大气层顶部和地球表层辐射通量的数据精度提高一倍

－首次提供大气圈内计算辐射通量的长期数据

－提供将大气顶层辐射通量考虑在内的关于云的严格计算数据云与地球辐射能量系统测量仪（CERES）也装载在TERRA卫星上。所不同的是TERRA/CERES不直接向全世界广播，仅在NASA安排的地面站接收；而AQUA/CERES是直接向全世界广播。在AQUA卫星上装载有两个云与地球辐射能量系统测量仪。

表 5 云与地球辐射能量系统测量仪（CERES）的主要技术指标表

（https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,/ceres/ASDceres.html）(2) 中分辨率成象光谱仪－MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer )

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）

(3) 大气红外探测器－AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)

表7 大气红外探测器（AIR S）数据的主要技术指标表

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）

(4) 先进微波探测器－AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A)

先进微波探测器（AMSU）由二个单元组成（A1和A2），共有15个波段。它的主要作用是探测大气中有云和无云区域不同高度的温度和水分蒸发的状态，数据波长分布在50－89GHZ。在1998年5月发射的NOAA－15卫星上也装载了先进微波探测器。

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,/Weapon_Systems/Earth_Sensing/AMSU/或https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,/crad/st/amsuclimate/amsu.html）

(5) 巴西湿度探测器－ HSB (Humidity Sounder for Brazil)

巴西湿度探测器（HSB）主要目的是获取探测云和大气湿度的数据。在150 to 183 GHZ分布区内设计了五个波段。

表9 巴西湿度探测器（HSB）数据的主要技术指标表

：http://www.dss.inpe.br/programas/hsb/ingl/index.html ）

AQUA卫星中AIRS/AMSU/HSB三种数据与以往数据不同的是这套数

据可以揭示大气中天气系统的垂直结构问题。

(6) 地球观测系统先进微波扫描辐射计－ AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS)

地球观测系统先进微波扫描辐射计（AMSR－E）是日本宇宙开发

事业团（NASDA）提供的传感器。在微波6.9－89GHz范围内共有六个

波段。其数据主要包括降水率、水蒸发量、陆地表层水汽含量等方面

信息。

表10地球观测系统先进微波扫描辐射计（AMSR－E）的主要技术指标表

https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,/AMSR）

其中，先进微波扫描辐射计是日本宇宙开发事业团（NASDA）投

资设计的设备，巴西湿度探测器是巴西政府投资设计的设备，其余四

个传感器是美国独自投资的产品。

1.3 AURA卫星星载传感器

AURA卫星有4个星载传感器，它们是：

(1) 高分辨动力发声器－HIRDLS（High Resolution Dynamics Limb Sounder）大小约一立方米左右, 它由美国科罗拉多大学，美国大气研究中心，英国牛津大学和英国Rutherford Appleton实验室设计，由美国洛克西德马丁公司负责制造。

(2) 微波分叉发声器－MLS（Microwave Limb Sounder）它由美国宇航局推进动力试验室研制开发。

(3) 臭氧层观测仪－OMI（Ozone Monitoring Instrument）它是由荷兰航空局和芬兰气象所提供，由两家荷兰公司以及三家芬兰公司共同制造。

(4) 对流层放射光谱仪－TES（Tropospheric Emission Spectrometer）它由美国宇航局推进动力试验室研制开发。

2．NASA数据中心的主要产品

2.1 大气观测主要数据产品

为全球气候变化研究获取数据是新一代地球观测系统卫星和传感器发射的重点目标之一。因此，有关云、大气温度、辐射、臭氧层、大气化学等方面的数据在EOS总数据量中占居了重要地位。这些数据总的特点是在时间尺度上数据频率高（很多数据是即时获得）；在空间尺度上不仅包含了水平分布的数据，也包括了反映大气圈不同高度垂直变化的数据；在内容尺度上，由于传感器类型多，波段多，因此反映大气物理、大气化学等方面的数据非常丰富。表4列出的是其中主要的数据产品。

表4 大气观测主要数据产品一览表

2.2 海洋观测主要数据产品

海洋数据产品是美国地球观测系统另一个主要成果。海洋数据产品主要包括海洋温度、海洋生物、海洋颜色、海洋波浪、海洋风、海洋冰雪等有关内容的一系列产品。这些产品包括即时数据产品，也包括日、旬和月度周期的数据产品。主要数据产品列于表5。

表5美国地球观测系统主要海洋数据产品一览表

2.3 陆地观测主要数据产品

美国地球观测系统陆地数据产品的水平分辨率是以15米－1000米的中、高分辨率为主，数据周期包括了日、周、双周、月、季、半年等多种频率，数据内容覆盖了地表温度、多角度地表特征、三维数字地面高程、地表生物、地表水、地表冰雪特征等。这些数据对农、林、牧业生产、灾害监测、林－草火监测、植被覆盖、植物生长量、生态保护等领域的研究将起到非常重要的作用。陆地观测主要数据产品列于表6。

表6 地球观测系统主要陆地数据产品一览表

天科学与技术、地球科学与技术以及信息科学与技术紧密结合的系统工程。可以想象，这项工程的完成必将为人类研究自身生存环境提供前所未有的海量信息。这些信息将极大地帮助我们认识作为一个整体的地球的变化过程和变化机理。同时，这些数据和信息的开发利用必将带动以数据和信息为主体的信息服务产业和信息咨询产业突飞猛进的发展。这项工程的完成为美国到2020年实现“数字地球”的设想奠定了坚实的基础。

3 TERRA/AQUA中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据获取

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。

3.1 MODIS数据的特点

MODIS数据波段范围广，包括了36个波段，数据空间分辨率包括了250米、500米和1000米三个尺度。(表1： MODIS波段分布特征、表2： MODIS波段分布特征－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较高的实用价值；此外，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、应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）和日内频率的地球系统的研究有非常重要的实用价值。

得的数据中，应用最广的是NOAA－AVHRR数据。MODIS保留了AVHRR的功能的同时，在数据波段数目和数据应用范围、数据分辨率、数据接收和数据格式等方面都作了相当大的改进。包括数据分辨率、数据波段数和数据应用范围的改进。NOAA －AVHRR是5个波段，MODIS被设计成36个波段。AVHRR数据的分辨率是1100米。MODIS在36个波段中有2个波段分辨率是250米，5个波段是500米，其余29个波段是1000米。其中250米分辨率的两个波段主要是对陆地的观测。由于MODIS数据在波段和分辨率方面的改进，使得MODIS数据量大幅度地增加（大约相当于AVHRR同期数据量的18倍左右）。

3.2 美国国家航空航天局对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（ NASAGoddard 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NASA Goddard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设计者预期的结果。

3.3 MODIS数据的获取

美国国家航空航天局为MODIS建立了一系列网站服务器和数据网络直接下载服务器。提供无偿网络共享的数据涵盖了全球每天的数据。在线数据保持10天，10天以前的数据通过订购，NASA经过一定时间调取数据，然后传给数据要求者。主网址（https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,/）采用图的方式连接了与MODIS 算法、格式标准、技术、软件以及相关进展报道的网站。NASA将美国获取的MODIS 数据通过NASA哥达飞行中心、美国地质调查局数据中心和美国科罗拉多大学冰雪数据中心等三个中心通过美国国家级数据归档中心（DAACs）系统共同承担向全民提供数据无偿共享服务（https://www.360docs.net/doc/d616261516.html,）。

如果你是第一次进入此网站，最好先在“my account”的“become a registered user”注册用户。然后安以下步骤申请数据：

１．点击＂Ｅnter as a registered user＂，输入用户名和密码并点击＂ok＂．

2、确定进入搜索页面，选择需要的MODIS数据。

3、确定下载数据的区域和时间，点击开始搜索。

4、进入下面界面后等待搜索数据。

5、选择所要下载的数据，然后添加到订购单中。

6、点击接受。

7、点击“choose optios”决定订购数据的方式。

8、进入第二步，签写订购卡，然后点击订购数据。

3.4 MODIS数据格式

HDF－EOS是NASA为遥感应用而对NCSA（National Center for Supercomputing Applications 美国国家超级计算中心）的HDF（Hierarchical Data Format 分级数据格式）进行的扩充。

HDF（Hierarchical Data Format 分级数据格式）是一种多对象的文件格式，以便在分布环境中共享科学数据。NCSA提出HDF的目的是解决工作于同一工程的科学家分散于不同地区（大学、研究所、公司………）的问题。一个大型的科学研究项目，常常由许多科学家及许多研究机构共同完成，他们各有分工。而让这些科学家集中在一起工作常常是不可能的，他们之间必须存在一套良好的数据

共享机制。HDF解决了存储科学数据的许多要求，这包括：

- 支持科学家常用的数据类型。

- 存储和处理大型数据的有效性。

- 平台独立性。

- 可扩充性和对其他标准格式的适应性。

- 自描述性。HDF文件是自描述的，这是指文件中的每一个HDF数据结构，文件中都有关于数据的充分信息，以及它在文件中的位置。多种类型的数据可以包含在一个文件中。例如，通过利用相应的HDF数据结构，可以将标号数据、数值数据、图像数据放在同一个HDF文件中。

目前国际上已经出现许多处理、浏览、管理HDF及HDF－EOS的共享软件。国外MODIS产品都是基于HDF－EOS格式的。NASA正在创建的EOSDIS的数据也是基于HDF－EOS的。国内开发MODIS接收/处理系统不可避免的也应使用HDF－EOS格式。

HDF文件包括文件头、一个以上的数据描述块和若干数据块（可能为0个）。其中，文件头用来标识HDF文件。数据描述块中包含若干的数据描述。每个数据描述和相应的数据元共同组成一个数据对象（Data Object）。

数据对象包括数据描述和数据元。数据元包含实际的数据。而数据描述顾名思义则给出了数据元的类型、大小、位置信息。HDF文件的这种组织方式使得HDF 文件具有自定义性。

HDF的文件结构尽管如此复杂，但是用户大可不必为此担心。因为HDF提供了丰富的API，使得用户根本不必理会低层处理。HDF程序员要做的只是在适当的时候调用相应的HDF API，而可以完全忽略低层细节，剩下的工作由HDF函数完成。

HDF API库提供了所有HDF支持的数据类型的相关API。这些数据类型包括：8比特光栅图（8－bit raster images）、24比特光栅图（24－bit raster images）、调色板(Palettes)、科学数据组(Scientific Arrays)、元数据(注解)(MetaData/Annotation)、多变量数据（Multivariate Data）。HDF－EOS API 库提供了HDF－EOS支持的所有数据类型的相关API。

HDF－EOS相对于HDF增加了三种数据对象：网格（Grid）、点（Point）、线（Swath）并提供了相应的API。