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全球MODI遥感数据的局部使用方法：Vaccess/MAGIC

John J. Qu, Menas Kafatos, Xianjun Hao, Swarvanu Dasgupta and

Kwang-Su Yang

1. 引言

中分辨率成像光谱仪（MODIS），作为研究的重要手段，早在1999年12月18日就成功发射并运载于Terra（之前称为EOS AM-1）卫星之上。第二个MODIS仪器在2002年5月发射运载于Aqua卫星（EOS pm1）上（http://modis.gsfc.nasa.gov）。因为MODIS能检测出地表所有的36个光谱波段并生成可见（0.415mu;m）红外光谱（14.235mu;m），在最低点1公里的空间分辨率为500米和250米（Justice et al.， 1998）。对相关的遥感应用感兴趣的不仅是土地、海洋和大气学科的研究人员，还有应用程序人员、跨学科学者和环境科学家（Salamonson et al.， 1989， 2005）。

MODIS产品可以被使用于大量的地区性和全球性等级的应用。尽管MODIS与全球地球观测和遥感（RS）传感器一样是被作为一种关注全球变化的研究手段，已被证明至少是一种非常有用的环境应用程序。有这样一个大量利用已被收集的大西洋中部地区的地球观测数据的协会:被称为弗吉尼亚访问-大西洋中部地理空间信息协会（Virginia Access—Middle Atlantic Geospatial Information Consortium，MAGIC）以下简称：MAGIC，这是一个大西洋中部大学用来开发一个以遥感应用为导向的地理空间/时间数据和信息系统（http://cpgis.gmu.edu/vaccess/mission.htm）它主要关注两个方面：跟随NASA地球科学应用重点的国家优先事项的数据使用；和通过一些连接到NASA系统的可以共同操作的系统进行的数据传播，并且促进启动资源解决方案和标准。所以，目标就是促进美国国家航空航天局（NASA）的地球数据可以被广泛的团体使用。MAGIC的雏形关注湿地，农业，全球气候现象对当地的影响，林业，当地、区域性和国家层面的公共卫生和污染等的环境应用（Kafatos et al.， 2002）。它进行由符合NASA地球科学应用主题“扩大并促进地球科学的经济效益和社会效益，信息和技术效益”的用户团体定义的重要议题驱动的应用性研究（Earth Science Enterprise Applications Plan）。上述的两个方面，数据使用和传输，在所有的MAGIC产品中有所显示：环境的重要应用程序开发，潜在的利益相关者被确定，与联邦机构合作伙伴的关系在一定程度上发展成为可能的地方，区域和国家的关系被确定。MAGIC团队开发的适用的增值数据和信息产品，融合了美国宇航局的使命。此外，决策支持系统（DSS）和决策支持工具（DST）确定适用于这些应用领域。

随着空间对地观测卫星数量的增加，大量的遥感数据正率超过每天几百万兆字节产生。传统的遥感数据处理和传输方法可能不足以支持不同的终端用户群体，其中可能包括新手、中级和高级用户，为他们的应用而有效地使用这样的数据集。量身定制的信息和知识传输的发展，可以帮助更有效地使用数据。

遥感数据处理与传输将面临新的挑战， 即以易于访问的形式保持数据的增长量，并满足非常多样化的用户群体的需求。 这些智能挑战至少是等同于创建和发射先进的硬件到太空的挑战。 信息提取（via， e.g. data mining）和传送也许和数据传送一样重要。以下的论题被认为对于广泛使用地球观测/遥感数据集来说是关键的：（1）巨大的数据量，每天都超过许多字节和比率；（2）复杂的数据格式，比如，分层数据格式（HDF）和地球观测系统分层数据格式（HDF-EOS）；（3）不同的地图投影；（4）地理信息系统（GIS）应用；（5）通信协议和网络功能；（6）处理时间。终端用户需要通过有效形式获得地球观测/遥感数据。因此，定制实时遥感数据与GIS / Web-GIS兼容的格式对于许多终端用户群体来说是必要的。另一方面， 更多广泛分布的地球观测和遥感数据以不同的格式通过多样化的协议将导致未来地球观测数据的更好使用。

为了解决上述问题，数据压缩和预处理（子集和二次抽样），数据格式转换（易访问数据格式如GIS兼容格式）、GIS和开放GIS应用程序，和对未来地球观测卫星系统的实时数据的简单处理在这儿进行了讨论。在这一章，我们强调一些使用MODIS产品的大西洋中部地区，这是MAGIC的主要关注点。

1. 区域使用的MODIS数据的处理

乔治.梅森大学和美国国家航空航天局戈达德地球科学（GES）数据和信息服务中心（DISC）一直通过遥感信息合作伙伴（RSIP）项目共同从事地球科学遥感数据的新应用。戈达德地球科学（GES）数据和信息服务中心（DISC）的RSIP项目的目的是提供给参与机构能够便宜覆盖全球的GES数据股份的机会和惯常获得任何/所有这些数据作为当地使用或为未来的传输的能力（Qu et al.，2001，2002; Serafino et al.，2002）。戈达德地球科学分布式主动归档中心（GES DAAC）从NASA这种安排中得到的好处就是确保NASA地球科学遥感数据被更广泛分布以便更好的使用从而对得起美国国家航空航天局的努力。VAccess /MAGIC维护着重新分配增值MODIS数据的RSIP管道。

我们关注MODIS应用的危害，特别是森林火灾/烟雾和干旱监测。我们已经确定了MODIS潜在的本地用户和产品，并且研发了结合了Terra 和Aqua卫星的MODIS应用产品，如地表蒸发产品（MOD16）。此外，我们还提供客户定制的MODIS 250m表面反射率和植被指数给VAccess /MAGIC的土地和环境科学家与定义需求的本地用户。在这一章里，我们只关注一些没有实时MODIS数据的样品，如植被指数和云掩膜，以及实时数据处理。

为了区域内的使用，MODIS数据需要在某些步骤，如马赛克、重采样、构造子集，二次投影等进行处理。GES DAAC的 MODIS数据支持团队（MDST）投入了太多的时间去研究，测试，和增强各种软件包处理和操作MODIS数据的性能，这些工具都是可免费在线获取的（http://daac.gsfc.nasa.gov/MODIS/software.shtml）。一些商业软件如ENVI，IDL，Matlab等，也可以用于MODIS数据处理，但通常需要更多的努力。我们主要关注HDFLook-MODIS和MODIS二次投影工具的使用（MRT），这是来自MDST的操作MODIS数据的两个重要工具。

由于LOA USTL，法国和GES DAAC之间的联合协作， HDFLook-MODIS是为MODIS产品而设计的一个功能强大的数据处理和可视化工具。它可以在图形用户界面模式或批量处理模式运行，并集成MsPhinx连接形成一个全面的数据分析环境。HDFLook-MODIS的主要功能包括:

（1）所有截幅（级别1和2）和网格（级别3和4）MODIS数据产品的访问和可视化;

（2） 重新映射和二次投影；

（3） 构造子集和重采样;

（4） 提取元数据;

（5） 数据格式转换;

（6） 大气校正。

MODIS 投影工具软件设计reproject MODIS产品更标准的地图投影网格数据。捷运的核心是两个可执行程序，mrtmosaic重新取样，分别镶嵌和重新取样MODIS数据，他们可以从命令行运行或捷运图形用户界面（GUI）。

MODIS投影工具是为将MODIS栅格数据产品投影成更多的标准地图投影而设计的软件。MRT的核心是两个可执行程序，mrtmosaic和重采样，分别镶嵌和重新取样MODIS数据，并且它们可以从命令或从图形用户界面（GUI）运行。

在中大西洋地区，我们主要处理MODIS数据产品。本文中，我们只展示了使用MODIS植被指数产品，MODIS 叶面积指数产品和MODIS云产品 。

2.1、MODIS植被指数和叶面积指数数据的处理

MODIS植被指数产品包含两个植被指标，归一化植被指数（NDVI）和增强型植被指数（EVI）。 归一化植被指数是一个“连续性指数”——现有的多时相NDVI由过去的二十年间获得。植被指数（EVI）是一种被开发来提高在高生物量区植被信号的灵敏度和降低冠层背景信号影响和以及大气的影响的MODIS特定光谱指数。MODIS（Terraamp;Aqua）L3植被指数产品提供归一化植被指数（NDVI）和增强型植被指数（EVI）在为期16天的基础上的空间分辨率250米，500米，1公里的栅格。MODIS叶面积指数（LAI）是另一个提供植物树冠的结构属性信息的重要参数。MODIS的叶面积指数产品提供为期8天的基础上空间分辨率为1公里的数据。MODIS植被指数与叶面积指数产品可以从EOS数据网关得到命令 （http://delenn.gsfc.nasa.gov/~imswww/pub/imswelcome）。为利用这些产品进行科学研究和实际应用，一些基本的处理程序是必要的，即：镶嵌、投影、重采样、裁剪，和可视化。

（1）镶嵌

感兴趣的特定区域可以覆盖几个图斑;镶嵌是必要的并且是数据处理的第一步。MODIS植被指数（VI）和叶面积指数产品的镶嵌可以与MRT或HDFLook一起以批量处理模式完成。

（2）二次投影，重采样和构造子集

MODIS植被指数与LAI产品由指定的空间分辨率网格提供。二次投影、重采样和构造子集可能需要可视化和分析。MRT支持二次投影，重采样，和以批量处理模式和图形用户界面模式构造子集，输出文件的格式可以是HDF-EOS或二进制或geotiff。利用MRT进行投影，重取样和建立MODIS植被指数和叶面积指数产品的子集很方便。HDFLook也支持二次投影、重采样，和以批量处理模式构造子集，输出文件的格式可以HDF-EOS或二进制。在这一步中，感兴趣区域的数据伴随指定的地图投影和空间分辨率生成。

（3）可视化和分析

对NDVI，EVI与LAI产品的可视化和分析，需要考虑的几个问题：

①比例因子和偏移量:测量数据产品中的值。为获得正真正的值，比例因子和偏移量必须应用到。

②有效范围和填补值: 有效范围内数据的可视化像素和无效数据范围内的马克像素。

③数据质量标志:多数情况下，数据质量是至关重要的，它可能必须按照指定的数据质量要求过滤数据。

④彩色地图:最好使用彩色地图那样可以反映出归一化植被指数、增强型植被指数和叶面积指数的含义，使图像更容易解释和分析。

图1显示了VAccess /MAGIC区域的归一化植被指数、增强型植被指数和叶面积指数的三个例子

VAccess /MAGIC地区的MODIS 归一化植被指数、增强型植被指数和叶面积指数图像

（a）增强型植被指数图像，（b）归一化植被指数和（c）叶面积指数

图1

2.2、MODIS云掩膜数据处理

MODIS 2级云掩膜数据产品（MOD35 MYD35）已利用HDFLook脚本为VAcess /MAGIC地区建立了子集。这一地区的覆盖空间是西经84度到西经75度，北纬36度到北纬41度。云掩膜数据产品包含了八个字节的云掩码信息。第一个字节提供的主要信息，如表14.1所示，可以提取的主要类别分类。

表1 云掩膜第一个字节的位域解释

（http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD35_L2/format.html）

这可能会导致在非光滑映射区域的重叠 。二进制文件，位运算应用于获得C程序中的每一个像素的类别。图2显示了VAcess /MAGI

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