何國金，焦偉利，張兆明，龍騰飛， 王桂周，彭燕,3，尹然宇

1. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094

2. 海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572029

3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

21 世紀(jì)以來，以對地觀測技術(shù)為核心的空間地球信息科技已經(jīng)成為一個國家科技水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和國家安全保障能力的綜合體現(xiàn)。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是進(jìn)行科學(xué)研究、認(rèn)知地學(xué)規(guī)律和實(shí)現(xiàn)有效決策的基礎(chǔ)。綜合對地觀測系統(tǒng)為獲取全球數(shù)據(jù)提供了技術(shù)手段，人類對地球進(jìn)行多尺度、全方位實(shí)時動態(tài)監(jiān)測的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。近年來，對地觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸性增長并得到廣泛應(yīng)用。可以說，對地觀測領(lǐng)域已經(jīng)正式步入了“大數(shù)據(jù)”時代[1]。

近30 年來，中國的對地觀測事業(yè)得到蓬勃發(fā)展。1986 年中國遙感衛(wèi)星地面站的建立是我國遙感技術(shù)與應(yīng)用的里程碑事件。在過去的30 年間，中國遙感衛(wèi)星地面站先后接收了Landsat、SPOT、JERS、Radarsat、ERS、Envisat、CBERS、HJ、ZY、GF 等國內(nèi)外系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄著人類活動和自然變化的痕跡，成為我國最長時間序列的星載陸地觀測數(shù)據(jù)集。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品只進(jìn)行了系統(tǒng)的幾何糾正和輻射校正，不便于長時間序列數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用。為了降低衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用門檻，讓數(shù)據(jù)應(yīng)用者從尋找數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的繁雜工作中解放出來，中國遙感衛(wèi)星地面站遙感信息工程研究團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)了即得即用（Ready To Use，RTU）產(chǎn)品集。

本文以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，介紹了遙感數(shù)據(jù)RTU 產(chǎn)品的定義與組成、RTU 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、RTU 地理格網(wǎng)剖分等，為用戶使用RTU 產(chǎn)品提供參考。

1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)即得即用（RTU）產(chǎn)品的定義與組成

遙感數(shù)據(jù)作為科學(xué)數(shù)據(jù)的一種，具有大數(shù)據(jù)的5V 特征，其潛在的應(yīng)用價(jià)值還沒有被充分發(fā)揮。為此，應(yīng)從工程化的角度理解遙感數(shù)據(jù)，以“數(shù)據(jù)—知識—服務(wù)”為主線，從全生命周期出發(fā)來開展數(shù)據(jù)工程建設(shè)。

遙感數(shù)據(jù)工程建設(shè)的最主要目的之一是為高效的遙感信息挖掘提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這類產(chǎn)品稱為即得即用（Ready To Use，RTU）產(chǎn)品[2]。2013 年，中國遙感衛(wèi)星地面站遙感信息工程研究團(tuán)隊(duì)在“中國科學(xué)院135（一三五）突破項(xiàng)目”支持下，依托中國遙感衛(wèi)星地面站的數(shù)據(jù)資源，逐步開展RTU產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)研發(fā)；進(jìn)一步，2018年在中科院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”—“CASEarth Databank 系統(tǒng)建設(shè)”課題的支持下[3]，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)RTU 產(chǎn)品得到不斷完善與豐富。

RTU 產(chǎn)品具有幾何標(biāo)準(zhǔn)化、輻射歸一化等特點(diǎn)，便于用戶直接應(yīng)用。幾何標(biāo)準(zhǔn)化通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)高精度的正射處理來實(shí)現(xiàn)，地表反射率和地表溫度的高精度反演則是衛(wèi)星數(shù)據(jù)輻射歸一化的前提。在幾何標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品、輻射歸一化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了大區(qū)域鑲嵌產(chǎn)品和指數(shù)產(chǎn)品，如全球一張圖、全國一張圖以及歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）、增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（SAVI）、改進(jìn)的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSAVI）、歸一化差值水體指數(shù)（NDWI）、歸一化差值水分指數(shù)（NDMI）、歸一化燃燒指數(shù)（NBR）產(chǎn)品。這些產(chǎn)品目前構(gòu)成RTU 產(chǎn)品的基本內(nèi)容，它們按網(wǎng)格化進(jìn)行剖分和管理，為后續(xù)遙感數(shù)據(jù)處智能理與時序分析的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。RTU 產(chǎn)品名稱及縮寫如表1 所示。這些產(chǎn)品的主要算法、處理過程等將在《衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)即得即用（RTU）產(chǎn)品集專題》的其他文章中進(jìn)行闡述。

表1 RTU 產(chǎn)品名稱縮略表

2 RTU 產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

元數(shù)據(jù)Metadata：關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。包含數(shù)據(jù)的標(biāo)識、覆蓋范圍、質(zhì)量、空間和時間模式、空間參照系及分發(fā)等信息。

元數(shù)據(jù)的組成和結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一建模語言（UML）描述。元數(shù)據(jù)由一個或多個元數(shù)據(jù)子集構(gòu)成，元數(shù)據(jù)子集又包含一個或多個元數(shù)據(jù)實(shí)體。采用UML 描述元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實(shí)體和元數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系。用UML 中的包表示元數(shù)據(jù)子集，類表示元數(shù)據(jù)實(shí)體，屬性表示元數(shù)據(jù)元素。元數(shù)據(jù)文件類型為XML。元數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)標(biāo)志為Metadata。

RTU 產(chǎn)品元數(shù)據(jù)包分為兩類（圖1）：第一類是全局元數(shù)據(jù)包（圖2）、第二類是分波段元數(shù)據(jù)包（圖3）。全局元數(shù)據(jù)包包括數(shù)據(jù)提供者、衛(wèi)星名稱、傳感器名稱、數(shù)據(jù)獲取日期、景中心時間、整幅影像的云量、影像中陸地部分的云量、太陽天頂角和方位角、日地距離、衛(wèi)星軌道號、輻射定標(biāo)系數(shù)/熱波段常數(shù)（遙感指數(shù)產(chǎn)品無該項(xiàng)）、影像經(jīng)緯度范圍、投影信息和衛(wèi)星側(cè)視角，未來的RTU產(chǎn)品可根據(jù)需要對全局元數(shù)據(jù)包進(jìn)行擴(kuò)充。分波段元數(shù)據(jù)包則是對各波段數(shù)據(jù)文件及質(zhì)量標(biāo)識文件元數(shù)據(jù)的描述，包括像元質(zhì)量評價(jià)元數(shù)據(jù)（Pixel QA Metadata）、RTU 產(chǎn)品各波段數(shù)據(jù)文件元數(shù)據(jù)、氣溶膠光學(xué)厚度質(zhì)量評價(jià)元數(shù)據(jù)（LSR-AEROSOL Metadata）和輻射飽和度質(zhì)量評價(jià)元數(shù)據(jù)（Radiometric Saturation QA Metadata），未來的RTU 產(chǎn)品可根據(jù)需要對分波段元數(shù)據(jù)包進(jìn)行擴(kuò)充。

圖1 RTU 產(chǎn)品元數(shù)據(jù)包

圖2 全局元數(shù)據(jù)包的類關(guān)系

圖3 分波段元數(shù)據(jù)包的類關(guān)系

像元質(zhì)量標(biāo)識元數(shù)據(jù)包括文件名、像元大小、重采樣方法、數(shù)據(jù)單位、位圖說明、軟件版本和生產(chǎn)日期。

各波段數(shù)據(jù)文件元數(shù)據(jù)包括文件名、像元大小、重采樣方法、數(shù)據(jù)單位（遙感指數(shù)產(chǎn)品無該項(xiàng)）、產(chǎn)品名全稱、有效值范圍、軟件版本和生產(chǎn)日期。

氣溶膠光學(xué)厚度是地表反射率反演的一個關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，氣溶膠光學(xué)厚度反演的質(zhì)量在很大程度上影響著最終地表反射率反演的精度，因此在地表反射率產(chǎn)品元數(shù)據(jù)中加入了氣溶膠光學(xué)厚度質(zhì)量標(biāo)識元數(shù)據(jù)。氣溶膠光學(xué)厚度質(zhì)量標(biāo)識元數(shù)據(jù)和輻射飽和度質(zhì)量標(biāo)識元數(shù)據(jù)相同，即文件名、像元大小、重采樣方法、數(shù)據(jù)單位、有效值范圍、位圖說明、軟件版本和生產(chǎn)日期。

以地表反射率產(chǎn)品（LSR）為例說明其包含的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。表2 給出RTU 產(chǎn)品元數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容和釋義。

表2 RTU 產(chǎn)品元數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容和釋義

參數(shù)名稱 屬性值 參數(shù)描述/說明 塊按從左到右，從上到下順序編號 center_point 景中心經(jīng)緯度 productID 產(chǎn)品號（針對國產(chǎn)數(shù)據(jù)，Landsat 系列無產(chǎn)品號信息可為空）

3 RTU 地理格網(wǎng)剖分

遙感影像是一種平面柵格數(shù)據(jù)，以一定的平面投影方式反映地球表面的表象。常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)遙感影像分幅產(chǎn)品是以一定的規(guī)則按照景來分幅的，不同的衛(wèi)星影像，景的分幅和編碼規(guī)則不同。遙感影像的景沒有完全與地球上的地理坐標(biāo)對應(yīng)。為便于長時序影像的查詢、分析和管理，可對RTU 產(chǎn)品進(jìn)行地理格網(wǎng)剖分，即將全球影像按照定義的格網(wǎng)系統(tǒng)剖分為具有空間分辨率、角點(diǎn)坐標(biāo)、格網(wǎng)大小、產(chǎn)品類型等屬性的數(shù)據(jù)格網(wǎng)，形成按照空間維和時間維組織的產(chǎn)品集。

RTU 經(jīng)緯度分幅產(chǎn)品和直角坐標(biāo)格網(wǎng)分幅產(chǎn)品的分幅與編碼方法參考《遙感數(shù)據(jù)即得即用（Ready To Use，RTU）地理格網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)范》，該方法適用于不同空間分辨率的遙感影像按照地理格網(wǎng)的劃分與編碼，為遙感影像共享和遙感信息整合提供以格網(wǎng)為單元的空間參照，便于長時序遙感影像的分析和應(yīng)用。

RTU 地理格網(wǎng)產(chǎn)品的名稱應(yīng)由產(chǎn)品名稱和擴(kuò)展名兩部分組成，其表現(xiàn)形式如下：

影像格網(wǎng)的編碼_起始時間_結(jié)束時間_版本號_產(chǎn)品名稱.擴(kuò)展名

示例1：2015 年全國一張圖產(chǎn)品中格網(wǎng)編碼為2BN59E01 的文件名稱如下：

2BN59E01_20150101_20151231_V01_ChinaM.XML

2BN59E01_20150101_20151231_V01_ChinaM.TIF

2BN59E01_20150101_20151231_V01_ChinaM.JPG

2BN59E01_20150101_20151231_V01_ChinaM_THUMB.JPG（可選）

2BN59E01_20150101_20151231_V01_ChinaM_PIXEL-QA.TIF

RTU 地理格網(wǎng)產(chǎn)品元數(shù)據(jù)在用于分幅影像元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加有關(guān)格網(wǎng)信息。

致 謝

感謝中科院A 類先導(dǎo)專項(xiàng)“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”（XDA190090300）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61731022）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0600302）對本研究的支持。