一、 背景
當今全球環(huán)境變化研究中的關(guān)鍵問題是明確地球大氣圈、水圈、巖石圈與生物圈之間的相互作用和相互影響，因此，大氣科學、海洋科學、生物科學與地理科學作為一個整體共同構(gòu)成了地球系統(tǒng)科學（ESS）。
為了加強對地球大氣、海洋和陸地的綜合觀測研究，美國國家宇航局（NASA）于1991年發(fā)起了一個綜合性項目，稱為地球科學事業(yè)（ESE），其主要目的是通過衛(wèi)星及其它工具對地球進行更深入的研究。ESE包括三個主要部分：一是地球觀測衛(wèi)星系列（EOS）；二是先進的數(shù)據(jù)系統(tǒng)（EOSDIS）；三是進行資料分析研究的科學隊伍。重點觀測研究領(lǐng)域包括水與能量循環(huán)、海洋、大氣化學、陸地表層系統(tǒng)、水和生態(tài)系統(tǒng)過程、冰川和極地冰蓋以及固體地球。EOS將在近地軌道提供至少18年系統(tǒng)連續(xù)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)用于定量研究地球系統(tǒng)的變化。
Terra作為EOS觀測計劃中的第一顆衛(wèi)星，在美國（國家宇航局）、日本（國際貿(mào)易與工業(yè)廳）、加拿大（空間局、多倫多大學）的共同合作下于1999年12月18日成功發(fā)射，Terra的字源是拉丁語“地球、土地”，由于Terra衛(wèi)星每天上午從北向南通過赤道，因此又被稱為地球觀測第一顆上午星（EOS-AM1）。NASA的EOS第二顆星命名為Aqua,是美國、巴西和日本共同合作研制的，其拉丁語意為“水”，于2002年5月4日發(fā)射成功，為了與Terra衛(wèi)星在數(shù)據(jù)采集時間上相互配合，Aqua衛(wèi)星每天下午從南向北通過赤道，因此被稱為地球觀測第一顆下午星（EOS-PM1）。兩顆星均為太陽同步極軌衛(wèi)星。此外，美國對地觀測系統(tǒng)計劃還將陸續(xù)發(fā)射用于不同觀測內(nèi)容的衛(wèi)星系列，如以觀測大氣化學成分為主的AULA衛(wèi)星（EOS-CHEM）、以觀測冰雪、云層和地面高程為主的ICESAT衛(wèi)星、以觀測太陽輻射及其對氣候影響為主的SORCE衛(wèi)星和以觀測陸地為主的LANDSAT-7衛(wèi)星（1999年已發(fā)射成功）等。
中分辨率成像光譜儀(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) -MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器之一，兩顆星相互配合每1-2天可重復觀測整個地球表面，得到36個波段的觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將有助于我們深入理解全球陸地、海洋和低層大氣內(nèi)的動態(tài)變化過程，因此，MODIS在發(fā)展有效的、全球性的用于預測全球變化的地球系統(tǒng)相互作用模型中起著重要的作用，其精確的預測將有助于決策者制定與環(huán)境保護相關(guān)的重大決策。
MODIS自2000年4月開始正式發(fā)布數(shù)據(jù)，NASA對MODIS數(shù)據(jù)以廣播X波段向全球免費發(fā)送，我國目前已建立了數(shù)個接收站并分別于2001年3月前后開始接收數(shù)據(jù)。由于NASA對MODIS數(shù)據(jù)實行這種全球免費接收的政策，使得MODIS數(shù)據(jù)的獲取十分廉價和方便。
為了建立資料處理模式和算法研究，并指導對MODIS數(shù)據(jù)資料的科學探討 和應用，ESE計劃專門組建了MODIS資料處理和應用的國際研究隊伍，分別由來自美國、澳大利亞和法國等國家的科學家組成，MODIS科學家研究隊伍分為4個學科組，分別是大氣、陸地、海洋和定標組。定標組主要是為MODIS資料的定量應用而開展的標定研究，并且監(jiān)測MODIS儀器狀態(tài)，確定觀測數(shù)據(jù)的精確性和有效性。
Terra 衛(wèi)星的成功發(fā)射是人類對地球觀測歷史上的一個重要里程碑，標志著人類對地球的觀測研究正在進入全面綜合的新時期。人類首次實現(xiàn)了在單一的空間平臺上同時綜合監(jiān)測太陽輻射、大氣、海洋和地球陸地。MODIS將在以下幾方面的全球變化觀測研究中發(fā)揮重要作用：
1、土地覆被變化和全球生產(chǎn)力研究--包括區(qū)域土地覆被的變化趨勢和變化模式、生物多樣性以及全球初級生產(chǎn)力
2、季節(jié)到年際氣候預測--提高瞬時短期氣候異常變化的時間和空間預報準確性
3、自然災害--包括火災、火山、洪澇和干旱等災害的特征以及減災研究
長期氣候變化--決定長期氣候變化及其趨勢的機理和因素以及人類活動的影響研究
4、大氣臭氧--監(jiān)測大氣臭氧的變化、誘因及其影響
可見，美國新一代地球觀測系統(tǒng)的發(fā)展模式已構(gòu)成了“數(shù)據(jù)獲?。瓟?shù)據(jù)共享－數(shù)據(jù)應用研究”的基本框架，其中數(shù)據(jù)應用研究是解決全球環(huán)境變化問題的基本出發(fā)點，因此，加深對數(shù)據(jù)的應用研究十分重要。
二、 MODIS主要特征及數(shù)據(jù)產(chǎn)品
MODIS擁有2330 km 的視場寬度并且1-2天可覆蓋地球表面一次，其探測器在0.405-14.385 祄范圍內(nèi)以36個波段進行探測，共有三種空間分辨率250m, 500m和1000m。表6-1和6-2分別是MODIS的技術(shù)指標和波段特征。
MODIS 技術(shù)指標
軌道： 705KM,10:30A.M.降交點(TERRA)，1:30P.M.升交點(AQUA),太陽同步,近極軌,圓形
掃描速率： 20.3 rpm, 垂直軌道
帶寬 2330 km (垂軌) X 10 km (星下點順軌)
望遠鏡： 直徑17.78 cm
大小： 1.0 x 1.6 x 1.0 m
重量 228.7 kg
功耗： 162.5 W (單軌平均)
數(shù)據(jù)率： 10.6 Mbps (日最大); 6.1 Mbps (軌道平均)
量化級數(shù)： 12 bits
空間分辨率： 250 m (1-2波段)；500 m (3-7波段)；1000 m (8-36波段)
設計壽命： 6 年
MODIS共有44種標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于全球變化研究，分別應用于不同的學科領(lǐng)域，如海洋學、生物學、地球科學以及大氣科學，主要產(chǎn)品類型如下：
校正產(chǎn)品：
MOD 01 - 1A級輻射校正
MOD 02 - 1B 級地理定位校正后
MOD 03 – 地理位置數(shù)據(jù)集
大氣產(chǎn)品：
MOD 04 – 氣溶膠產(chǎn)品
MOD 05 – 總降水量(水汽)
MOD 06 – 云產(chǎn)品
MOD 07 – 大氣廓線
MOD 08 – 格網(wǎng)大氣產(chǎn)品
MOD 35 – 云遮掩
陸地產(chǎn)品：
MOD 09 – 表面反射率
MOD 11 – 地表溫度及輻射
MOD 12 – 土地覆被/土地覆被變化
MOD 13 - 網(wǎng)格植被指數(shù)(最大NDVI 和合成MVI)
MOD 14 – 熱異常, 火及生物燃燒
MOD 15 – 葉面積指數(shù)以及FPAR
MOD 16 – 蒸散
MOD 17 – 凈光合作用和初級生產(chǎn)力
MOD 43 – 表面反射
MOD 44 – 植被覆蓋變化
冰雪圈：
MOD 10 – 積雪覆蓋
MOD 29 – 海冰覆蓋
98第六章基于Terra/MODIS數(shù)據(jù)的沙塵特征提取研究
海洋：
MOD 18 - 歸一化離水輻射
MOD 19 – 色素濃度
MOD 20 – 葉綠素熒光散射
MOD 21 – 葉綠素色素濃度
MOD 22 – 光合作用輻射(PAR)
MOD 23 – 固體懸浮物濃度
MOD 24 – 有機質(zhì)濃度
MOD 25 – 藻類濃度
MOD 26 – 海洋水色衰減系數(shù)
MOD 27 – 海洋初級生產(chǎn)力
MOD 28 – 海洋表面溫度
MOD 31 – 藻紅蛋白濃度
MOD 36 – 總吸收效率
MOD 37 – 海洋氣溶膠特性
MOD 39 – 清潔水體發(fā)射率
三、 HDF數(shù)據(jù)格式
HDF（Hierarchical Data Format）最初是1987年美國國家高級計算應用中心（National Center for Supercomputing Applications –NCSA） 研制的一種用于存儲科學數(shù)據(jù)的物理文件格式，主要作為一種在不同計算機平臺之間寫入、操作、顯示和分析數(shù)據(jù)的工具。HDF的最低層是用于存儲科學數(shù)據(jù)的物理文件格式，最頂層是以操作、顯示和分析HDF文件的工具和應用程序集，中間層則是一些提供高級APIs和低級數(shù)據(jù)界面的軟件庫。
HDF的主要任務是發(fā)展、提升、配置和支持開放自由的促進科學數(shù)據(jù)交換、獲取、分析、歸檔和發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。HDF項目包括科學數(shù)據(jù)管理的軟件和數(shù)據(jù)文件格式的開發(fā)和支撐，軟件包括用于科學數(shù)據(jù)分析、可視化和轉(zhuǎn)換的I/O庫和工具。目前共有兩種HDF格式：HDF（HDF4.x及其以前的版本）和HDF5，兩種格式完全不同且不兼容。目前使用HDF的科學項目包括NASA的HDF-EOS項目、DOE的高級模擬和計算項目。
HDF采用層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式管理科學數(shù)據(jù)，通過總體目錄結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同平臺間的數(shù)據(jù)共享，具有自述性、通用性、靈活性、獨立性和可擴展性等特點。HDF有6種主要的數(shù)據(jù)類型：柵格圖像、調(diào)色板、科學數(shù)據(jù)庫、注釋、Vdata 和Vgroup。
在樹目錄結(jié)構(gòu)中每個HDF數(shù)據(jù)對象用不同的圖標表示并予以識別，如SDS 科學數(shù)據(jù)庫中共7種數(shù)據(jù)集：一維數(shù)據(jù)集、二維數(shù)據(jù)集、三維數(shù)據(jù)集、屬性數(shù)據(jù)、數(shù)字屬性、預定義屬性、預定義數(shù)字屬性。
四、 HDF-EOS格式
1993年NASA選擇NCSA的HDF文件格式作為存儲地球觀測系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（主要是衛(wèi)星）所獲取數(shù)據(jù)的標準文件格式，用以支持全球變化研究項目。由于NASA選擇了HDF，NCSA便開始與NASA合作以應對來自于未來EOS大量數(shù)據(jù)管理的挑戰(zhàn)，其中包括開發(fā)HDF的特殊形式HDF-EOS，專門用于EOS生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。Terra 作為EOS的第一顆衛(wèi)星，于2000年4月開始正式發(fā)布數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)采用HDF-EOS格式，其后的Aqua 和Aura 也采用HDF-EOS數(shù)據(jù)格式。
HDF-EOS在采用標準HDF對象（包括影像、表、文本以及數(shù)據(jù)陣列等）的同時還定義了另外三種基于HDF對象的數(shù)據(jù)類型：網(wǎng)格、點和帶寬（swath），這三種數(shù)據(jù)類型使文件中包含了地球坐標參考系統(tǒng)，如經(jīng)緯度和時間。網(wǎng)格數(shù)據(jù)類型采用眾多標準投影中的某一種將數(shù)據(jù)置于網(wǎng)格中，帶寬數(shù)據(jù)表示時間順序的數(shù)據(jù)，點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示時間和地理空間上不規(guī)則的數(shù)據(jù)如氣象站數(shù)據(jù)或浮船上的儀器測量數(shù)據(jù)等。
以MODIS的250米分辨率合成1KM分辨率后的數(shù)據(jù)集為例，HDF 格式定義描述如下：
Dataset #3: Earth View 250M Aggregated 1km Reflective Solar Bands Scaled Integers
數(shù)據(jù)集序號3：
Dims: UINT (1354 x 1110 x 2)
數(shù)據(jù)維數(shù)： (1354 x 1110 x 2)
Attribute 3-1: "long_name"
"Earth View 250M Aggregated 1km Reflective Solar Bands Scaled Integers"
屬性3-1：全名“地球觀測250m合成1km反射太陽波段整型值”
Attribute 3-2: "units"
"none"
屬性3-2：單位無
Attribute 3-3: "valid_range"
0, 32767
屬性3-3：數(shù)據(jù)有效范圍0-32767
Attribute 3-4: "_Fillvalue"
65535
屬性3-4：填充值65535
Attribute 3-5: "band_names"
"1,2"
屬性3-5：波段名稱“1，2”
Attribute 3-6: "radiance_scales"
0.02711501, 0.01112971
屬性3-6：輻射校正系數(shù)，0.02711501, 0.01112971
Attribute 3-7: "radiance_offsets"
0.00000000, 0.00000000
屬性3-7：輻射偏移量，0.00000000, 0.00000000
Attribute 3-8: "radiance_units"
"Watts/m^2/micrometer/steradian"
屬性3-8：輻射單位"Watts/m^2/micrometer/steradian"
Attribute 3-9: "reflectance_scales"
0.00005260, 0.00003495
屬性3-9：反射率比例系數(shù)0.00005260, 0.00003495
Attribute 3-10: "reflectance_offsets"
0.00000000, 0.00000000
屬性3-10：反射率偏移量0.00000000, 0.00000000
Attribute 3-11: "reflectance_units"
"none"
屬性3-11：反射率單位無
Attribute 3-12: "corrected_counts_scales"
0.12497330, 0.12497330
屬性3-12：校正計數(shù)比例0.12497330, 0.12497330
Attribute 3-13: "corrected_counts_offsets"
0.00000000, 0.00000000
屬性3-13：校正計數(shù)偏移量0.00000000, 0.00000000
Attribute 3-14: "corrected_counts_units"
"counts"
屬性3-14：校正計數(shù)單位無
根據(jù)數(shù)據(jù)集的描述可知道數(shù)據(jù)的14個屬性特征，其它數(shù)據(jù)集也具有相應的屬性定義及描述，對于一個HDF文件，除了數(shù)據(jù)子集的描述外，還有關(guān)于HDF文件整體屬性的描述。
HDF-EOS文件是自我描述型的，有助于科學數(shù)據(jù)的處理。對于HDF文件中的每一個數(shù)據(jù)對象都預先定義了信息識別標記如數(shù)據(jù)類型、維數(shù)、文件中的位置等。這種自我描述的能力使得僅根據(jù)一個文件中的信息就能完全理解文件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容成為可能，同時，由于HDF所提供的眾多功能，使得它也是一種復雜的文件格式，因此，支持HDF-EOS的軟件程序目前還十分有限。
盡管Terra衛(wèi)星上的多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)采用了HDF-EOS文件格式，但HDF-EOS文件格式并不是適用于所有數(shù)據(jù)，如云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是以基本HDF文件格式存儲的。但是，HDF-EOS最重要的優(yōu)點是它能使科學家無須另寫程序就可以實現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)之間的結(jié)合。
根據(jù)上述MODIS的特征可知，MODIS是目前最新、最全面的綜合遙感數(shù)據(jù)獲取平臺，不僅適應資源環(huán)境領(lǐng)域的科學研究全球化、系統(tǒng)化、定量化的發(fā)展趨勢，也揭開了定量遙感應用的新篇章。
