MODIS数据分级及数据格式.docx

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MODIS数据分级及数据格式

　MODIS数据分级分类标准规范

MODIS数据产品分级、分类、流程参考规范（草）

（中科院地理科学与资源研究所全球变化信息研究中心）

（讨论和试用稿第一稿2004年9月15日）

前言说明：

美国NASA对MODIS数据分级、分类和数据处理流程给予了比较明确的标准规范。

我国对地观测系统MODIS共享平台建设主要参照了美国的标准，个别地方做了修改。

这是讨论和试用稿（第一稿）。

1　主题内容与适用范围

1.1　主题内容

本标准规定了国家对地观测系统MODIS共享平台数据产品分类、分级和编码标准，用以规范我国MODIS数据产品在产生、归档、保藏、交换和应用中的一致性。

1.2　参考标准

本标准制定主要参用了美国国家航空航天局（NASA）关于对地观测系统MODIS数据分级、分类和数据处理流程规范。

1.3　适用范围

本规范适用于国家科技基础条件平台对地观测系统MODIS共享平台全部标准数据产品和过渡性数据产品。

2　术语

2.1国家对地观测系统MODIS共享平台数据产品：

国家对地观测系统MODIS共享平台数据产品包括标准数据产品和特殊数据产品。

2.2标准数据产品：

利用对地观测系统数据，依据规范和数据分级标准对一定空间分辨率和时间频率进行连续开发的数据产品，定义为标准数据产品。

2.3特殊数据产品：

利用对地观测系统数据，依据非规定的标准、或非规定的空间分辨率、或特定地区、或特定时间频率开发、或预处理过程的数据产品，称为特殊数据产品。

2.4数据产品分级：

根据数据间相互依存关系划分的等级称为数据产品分级。

2.5数据产品分类：

依据数据内容异同划分的数据类型称为数据产品分类。

2.6数据产品编码：

用标识符或标识数字形式对数据产品进行一一确认的过程称为数据产品编码。

3　MODIS数据产品分级

3.1　MODIS数据产品分级系统：

MODIS标准数据产品分级系统由5级数据构成，它们分别是：

0级、1级、2级、3级和4级。

3.2　0级数据：

卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数据信息在内的原始数据为0级数据。

3.3　1级数据：

对没有经过处理的、完全分辨率的仪器数据进行重建，数据时间配准，使用辅助数据注解，计算和增补到0级数据之后为1级数据。

3.4　2级数据：

在1级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地理区域的数据为2级数据。

3.5　3级数据：

3级数据时以统一的时间-空间栅格表达的变量，通常具有一定的完整性和一致性。

在3级水平上，将可以集中进行科学研究，如：

定点时间序列，来自单一技术的观测方程和通用模型等。

3.6　4级数据：

通过分析模型和综合分析3级以下数据得出的结果数据为4级数据。

4　MODIS数据产品分类

4.1　标准数据产品类型：

MODIS标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品，在1B级数据产品之后，划分2－4级数据产品，包括：

陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型，总计分解为44种标准数据产品类型。

它们分别是：

MOD01：

即MODIS1A数据产品。

MOD02：

即MODIS1B数据产品。

MOD03：

即MODIS数据地理定位文件。

MOD04：

大气2、3级标准数据产品，内容为气溶胶产品，Lambert投影空间分辨率1公里，地理坐标30秒空间分辨率，每日数据为2级数据产品，每旬、每月数据合成为3级数据产品。

MOD05：

可降水量。

2级大气产品。

MOD06：

大气2、3级标准数据产品，内容为云产品，Lambert投影空间分辨率1公里，地理坐标30秒空间分辨率，每日数据为2级数据产品，每旬、每月数据合成为3级数据产品。

MOD07：

大气2、3级标准数据产品，内容为大气剖面数据，Lambert投影空间分辨率1公里，地理坐标30秒空间分辨率，每日数据为2级数据产品，每旬、每月数据合成为3级数据产品。

MOD08：

大气3级标准数据产品，内容为栅格大气产品，1公里空间分辨率。

每日、每旬、每月合成数据。

MOD09：

陆地2级标准数据产品，内容为表面反射；空间分辨率250m；白天每日数据。

MOD10：

陆地2、3级标准数据产品，内容为雪覆盖，每日数据为2级数据，空间分辨率500米，旬、月数据合成为3级数据，空间分辨率500米。

MOD11：

陆地2、3级标准数据产品，内容为地表温度和辐射率，Lambert投影，空间分辨率1公里，地理坐标为30秒，每日数据为2级数据，每旬、每月数据合成为3级数据。

MOD12：

陆地3级标准数据产品，内容为土地覆盖/土地覆盖变化，1km，1/4º，季节的，生物地球化学循环，土地覆盖变化，3级数据产品。

MOD13：

陆地2级标准数据产品，内容为栅格的归一化植被指数和增强型植被指数（NDVI/EVI），空间分辨率250m。

MOD14：

陆地2级标准数据产品，内容为热异常-火灾和生物量燃烧，空间分辨率1km，确定火灾发生的位置、火灾等级以及暗火与燃烧比。

MOD15：

陆地3级标准数据产品，内容为叶面积指数和光合有效辐射，空间分辨率1km，每天的及旬、月合成产品。

MOD16：

陆地4级标准数据产品，内容为蒸腾作用，空间分辨率1km，旬、月合成产品。

MOD17：

陆地4级标准数据产品，内容为植被产品，NPP，空间分辨率为250米，1公里，旬、月度频率。

MOD18：

海洋2、3级标准数据产品，内容为标准的水面辐射，全球洋面，空间分辨率1km，日、旬、月，海洋叶绿素。

MOD19：

海洋2、3级标准数据产品，内容为色素浓度，全球洋面，空间分辨率1km，日、旬、月度数据。

MOD20：

海洋2、3级标准数据产品，内容为叶绿素荧光性，全球洋面，空间分辨率1km，叶绿素水平大于2.0mg/m3，日、旬、月度数据。

MOD21：

海洋2级标准数据产品，内容为叶绿素-色素浓度，空间分辨率1km，日、旬、月度数据。

MOD22：

海洋2、3级标准数据产品，内容为光合可利用辐射（PAR），全球洋面，1km，日、旬、月度数据。

MOD23：

海洋3级标准数据产品，内容为悬浮物浓度。

MOD24：

海洋3级标准数据产品，内容为有机质浓度。

MOD25：

海洋2、3级标准数据产品，内容为球石浓度，全球洋面，空间分辨率1km、20km，日、旬、月度数据。

MOD26：

海洋3级标准数据产品，内容为海洋水衰减系数。

MOD27：

海洋2、3级标准数据产品，内容为海洋初级生产力，全球洋面，空间分辨率1km，日、旬、月度数据。

MOD28：

海洋2、3级标准数据产品，内容为海面温度，全球洋面，空间分辨率1km，每天的，每周的/昼夜的，能量和水平衡，气候变化模型。

MOD29：

海洋2级标准数据产品，内容为海冰覆盖，海洋，1公里分辨率，日、旬数据。

MOD30：

（未定）

MOD31：

海洋2、3级标准数据产品，内容为藻红蛋白浓度，1公里分辨率，日、旬、月度数据。

MOD32：

海洋2级标准数据产品，内容为处理框架和匹配的数据库，1公里分辨率，日、旬、月度数据，用于海洋叶绿素、海洋生产力计算。

MOD33：

陆地3级标准数据产品，内容为雪覆盖，空间分辨率500米，日、旬、月度数据。

MOD34：

（未定）

MOD35：

大气2级标准数据产品，内容为云掩膜，空间分辨率为250m和1公里，日数据。

MOD36：

海洋3级标准数据产品，内容为总吸收系数，空间分辨率为1公里，日、旬、月度数据

MOD37：

海洋2、3级标准数据产品，内容为海洋气溶胶特性，空间分辨率1km，日、旬、月度数据。

MOD38：

（未定）

MOD39：

海洋2、3级标准数据产品，内容为纯水势，空间分辨率1km，日、旬、月度数据。

MOD40：

陆地3级标准数据产品，内容为栅格的热异常，空间分辨率1公里，日、旬、月度数据。

MOD41：

（未定）

MOD42：

海洋3级标准数据产品，内容为海冰覆盖，空间分辨率1公里，日、旬、月度数据。

MOD43：

陆地3级标准数据产品，内容为表面反射，BRDF/Albedo参数，空间分辨率1公里，日、旬、月度数据。

MOD44：

陆地3级标准数据产品，内容为植被覆盖转换，250m，季度、年度，判定植被覆盖转换的发生和类型。

4.2　特殊数据产品类型

MOD45：

在MOD02（1B）数据基础上，经过BOWTIE处理后的数据产品。

MOD46：

在MOD02（1B）数据基础上，经过BOWTIE处理后，并经过除云后的数据产品。

（其他特殊数据产品待列）。

5　数据产品生产过程规范

5.1陆地数据处理过程规范

MODIS陆地产品流程图

5.2　大气数据产品处理过程规范

MODIS大气产品

处理流程

MOD02

经过辐射校正的L1B数据

仪器数据包

MOD03

1A级

MOD02MOD03

MOD03

地理定位文件

0级

1级

MOD07

大气廓线

∙臭氧总量

∙稳定性指数

∙温度与湿度廓线

∙可降水量

MOD35

云掩膜

2级

MOD02MOD03MOD07MOD35

MOD06

云产品

∙云顶性质

（温度，高度，辐射）

∙云粒相

∙云比例

∙云光学性质（光学厚度和粒径大小）

L2G地表反射

MOD11

L2G级地表温度

MOD21

L2G级叶绿素含量

MOD33

前期雪盖

MOD04

气溶胶产品

∙光学厚度

∙粒经分布

MOD05

可降水产品

∙太阳算法

∙红外算法

MOD03，2级大气产品

MOD08

3级大气（联合）产品：

（日、旬、月）

∙气溶胶

∙水汽

∙云

∙稳定性参数

∙臭氧

MODIS大气产品流程图

3级

5.3　海洋数据产品处理过程规范

MODIS

海洋产品处理流程

0级

仪器数据包

1级

2级

海洋水色

MOD05

可降水量

MOD28

每周合成，

3级数据

（前期）

ε"

MOD03

地理定位数据

MOD01

L1A

MOD28

海洋表

面温度

MOD35

云掩膜

MOD04

气溶胶产品

海洋水色

MOD18归一化水面辐射量

MOD19色素浓度

MOD20叶绿素荧光性

MOD21叶绿素浓度

MOD22光合有效辐射

MOD23固体悬浮物浓度

MOD24有机物浓度

MOD25地球石质浓度

MOD26水体衰减系数

MOD31藻红蛋白浓度

MOD36总体吸收系数

MOD37气溶胶性质

MOD39清水的ε

MOD02MOD03

MOD02

经过校正的L1B辐射值

MOD28

海洋表面温度

海洋水色

3级

MOD27

海洋生产力

（年）

4级

MODIS海洋产品处理流程图

第五章MODIS数据格式

第一节TERRA/AQUA－MODIS下行数据格式

MODIS的下行数据（RawData）利用CCSDS进行了封装，使用RS（255，223）进行纠错。

CCSDS中有一个非常重要的概念――虚拟通道（VC，VirtualChannel），不同的TERRA数据通过虚拟通道的ID（VCID）进行区分（图1）。

整个CCSDS包（包括同步码4个字节）长度为1024字节。

其中Reed－SolomonCoding用来对整个CodedVCDU进行纠错。

MODISCCSDS包的Reed－SolomonCoding部分共有32×4＝128字节，采用RS（255，223）。

每个包可纠16×4＝64个字节错误。

MODIS扫描周期为1.477秒。

如图2，每条扫描线沿扫描方向有1354点（Pixels），沿轨道方向有10个IFOV（瞬时视场）。

在每个IFOV中，1KM分辨率波段有1个采样，500M分辨率波段有4个采样，250M波段有16个采样。

白天扫描每个点在两个MODIS包中传输，第一个包传输IFOV1～5，第二个包传输IFOV6～10。

在每个包中，数据依照IFOV序号的大小顺次排放。

在每个IFOV中，数据按照波段号顺次排放。

在每个波段中，依照采样的序号顺次排放。

采样序号由Det和Sample确定，例如对于IFOV2中的波段1，其Det范围是5～8，Sample范围是1～4，采样的排放顺序是（Det5,Sample1）、（Det5,Sample2）、（Det5,Sample3）、（Det5,Sample4）、（Det6,Sample1）……（Det7,Sample1）……（Det8,Sample4）。

帧处理

解包

PN解码

PDS数据产品

Terra解调器

图1TERRA/AQUAQMODIS接收信号到0级数据产品处理流程

在上面的第二个绿色的方框，代表了裸数据。

裸数据是最原始的地面接收数据，它含有满足CCSDS标准（CCSDS102.0-B-4）的数据包（CADU）。

它经过格式化同步、去扰、RS纠错、格式转变等相应的步骤和程序，处理成为MODIS0级数据产品（PDS文件）。

CADU

编码的VCDU

VCDU

同步字（Sync）

VCDU导头

VCDU数据单元

（CCSDS信息包）

R－S编码

主导头

副导头

源数据

MODIS数据头

MODIS数据

和检查

CCSDS信息包

1.1　虚拟信道数据单元（VCDU）

VCDU主导头

下面是VCDU的说明,其中下面的数字为各字段长度（用bit表示）：

版本号

2

VCDU标识

虚拟信道数据单元计数

24

信号字段

VCDU导头差错控制（可选）

（16）

航天器ID

8

虚拟信道ID

6

回放标志

1

备用

7

VCDU字尾（可选）

VCDU插入区（可选）

变长

VCDU数据单元

变长

操作控制字段（可选）

（32）

VCDU误差控制字段（可选）

（16）

虚拟信道数据单元（VCDU）格式

图2MODIS扫描数据的排列次序

1.2　源信息包

源信息包包含在VCDU中的数据单元中，它的定义如下（字段长度用bit表示）：

信息包数据字段

信息包主导头

版本号

3

信息包标识

信息包顺序控制

信息包数据长度

16

信息包副导头（可选）

变长

源数据

变长

类型指示

1

副导头标记

1

应用处理程序标识

11

顺序标记

2

信息包序列计数

14

CCSDS源信息包格式

1.3　MODIS下行数据中各字段说明

起始字节

字节

比特

项

说明

值

备注

CADU

0

4

32

同步字

1ACFFC1D

未经过R-S编码

VCDU主导头

在Aqua上使用了PN编码

4

2

2

版本号

01

8

航天器ID

Terra卫星：

2A，Aqua卫星：

9A

6

虚拟信道ID

Terra卫星:

2A用于MODIS,29用于MISR,3F用于fill;Aqua卫星:

1E用于MODIS

6

3

24

虚拟信道数据单元计数

0表示已满,或1至...

9

1

1

回放标记

0

7

备用

886

VCDU数据

PN随机化

M_PDU数据头

10

2

5

备用

11

CCSDS第一数据头指针

字节表示的偏移量，无数据头用7FF表示

偏移量从该数据头开始起算

CCSDS源信息包主导头

+0

2

3

版本号

0

1

类型

0=常规,1=检验

1

副导头标记

1

11

应用处理程序标识APID

MODIS:

64to127

+2

2

2

顺序标记

01=第一个,10=second,11=onlypacket

14

包计数

0to16383

+4

2

16

信息包长度

副导头长度+数据长度-1

CCSDS副导头

+6

2

16

时间：

天

从1958-01-01开始起算

+8

4

32

时间：

毫秒

一天中的ms计时

+12

2

16

时间：

微秒

ms中的微秒计时

+14

1

1

快视标记

如果选择了快视，则为1

3

信息包类型

000=白天,001=夜间,010=eng1,100=eng2

白天有两个长数据包，晚上有一个短数据包

3

扫描计数

0to7

1

镜面标识

0=side1,1=side2

CCSDS数据

MODIS数据头

+15

3

1

数据源标识

0=地球观测,1=定标数据

11

数据标识

0=eng.,1至1354用于采样计数

10

FPA/AEM配置

对于不同探测器的设置

1

科学数据状态

0=试验,1=标准

1

科学数据是否反常

0=反常,1=正常

MODIS数据

+18

622.5或256.5

4980或2052

白天/工程数据，夜间数据

1.5

12

总和检查

编码的VCDU

896

128

1024

R-S编码

第二节PDS-MODIS0级数据格式（待补）

第三节HDF－MODIS1级数据格式

由于L1A、L1B、Geolocation数据均使用HDF－EOS格式，因此在介绍L1A、L1B、Geolocation数据格式之前有必要对HDF－EOS进行简要的说明。

HDF-EOS是NASA为遥感应用而对NCSA（NationalCenterforSupercomputingApplications美国国家超级计算中心）的HDF（HierarchicalDataFormat分级数据格式）进行的扩充。

HDF（HierarchicalDataFormat分级数据格式）是一种多对象的文件格式（图3），以便在分布环境中共享科学数据。

NCSA提出HDF的目的是解决将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）（见图2）。

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（DataObject）。

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HDFAPI，而可以完全忽略低层细节，剩下的工作由HDF函数完成。

HDFAPI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－bitrasterimages）、24比特光栅图（24－bitrasterimages）、调色板（Palettes）、科学数据数组（ScientificArrays）、元数据（注解）（MetaData/Annotation）、多变量数据（MultivariateData）。

HDF－EOSAPI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。

图3包含两个数据描述块的HDF文件

点（Point）

图4一个简单的点数据序列

点数据序列是不同时间间隔、不同地理位置的一系列数据。

图3所示为一个简单的point数据序列。

左图中的每个方块代表一个站（ReportingStation）。

在点数据序列的每条记录中包含了每个站的位置（经纬度）信息和温度。

线（Swath）

HDF-EOS线数据的概念是基于典型的卫星扫描线的。

在这种情况下，卫星沿着轨道运行的过程中，摄取一系列垂直于轨迹（CrossTrack）的扫描线。

线数据非常适用于的另一种类型的数据是垂直剖面（VerticalProfiles）。

在这种情况下，卫星传感器获取的不是垂直于轨迹的扫描线，而是沿着轨迹的垂直剖面。

将这两种数据组合，线数据可以用于记录一系列垂直于轨迹（CrossTrack）的垂直剖面（VerticalProfiles），这是一种三维数据。

网格（Grid）

网格数据和线数据有些类似，它们都包含了一系列二维以上的数据域。

二者的主要不同在于他们的地理定位信息。

线数据将包含的数据点看成是一系列孤立的点来对待，由此给出定位信息。

而网格数据的定位信息则紧凑的多。

网格数据包含了一系列投影方程及其相关参数，二者组合起来给出了网格中所有点的定位信息。

随着遥感事业的发展，数据共享及充分利用已经越来越成为急需解决的问题。

HDF为统一数据格式提供了基础，必将获得越来越广泛的应用。

3.1MODISL1A（MOD01）数据格式

本文对L1A格式的描述分为6个部分：

全局元数据（GlobalMetadata）、扫描级元数据（Scan-LevelMetadata）、像元质量数据（PixelQualityData）、扫描数据（ScanData）、丢弃的包（DiscardedPackets）和工程数据（EngineeringData）。

全局元数据（GlobalMetadata）全局元数据用来对MODIS数据进行搜索、归类、提取。

全局元数据包括ECS亚元数据和MODISL1A亚元数据。

ECS亚元数据包括ECS清单元数据和ECS文档元数据。

ECS清单元数据中包含数据名称、时间范围、白天/黑夜标识、轨道数、穿越赤道经度、穿越赤道时间、边界经纬度等信息。

ECS文档元数据中当前尚不包含任