2016～2017年天宮二號空間實驗室對地觀測數據產品集

2016～2017年天宮二號空間實驗室對地觀測數據產品集
作者：覃幫勇　李盛陽　郝忠翁　劉康　王博
2017年12月20日

本作品收錄於《中國科學數據》

覃幫勇, 李盛陽, 郝忠翁, 等. 2016～2017年天宮二號空間實驗室對地觀測數據產品集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2(4). (2017-12-20). DOI:10.11922/csdata.2017.0003.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：天宮二號空間實驗室於2016年9月15日成功發射，主要搭載3個對地觀測載荷——寬波段成像儀、三維成像微波高度計及多波段紫外臨邊成像光譜儀。目前天宮二號運行穩定，本數據集存儲了2016年9月至今經過預處理後的天宮二號的對地觀測數據產品。這些存檔的數據產品通過載人航天空間應用數據推廣服務平台（http://www.msadc.cn）面向国内外应用与研究组织、机构和团体进行分发共享服务。本数据集中的数据产品在发布前经过质量筛选和确认，数据产品质量良好，可在大气、海洋与陆地的中大尺度地物目标监测中发挥重要作用，可开展土地覆盖分类、生态环境评价、海岸线变化监测、海洋动力环境监测、内陆水体水质监测、冰川及地形监测、中上层大气状态与扰动监测和臭氧预报等方面的研究与应用。

關鍵詞：天宮二號；對地觀測數據集；寬波段成像儀；三維成像微波高度計；多波段紫外臨邊成像光譜儀

Abstract & Keywords

Abstract: Tiangong-2 Space Laboratory was successfully launched on September 15, 2016. It carries out three earth observation loads, including Wide-band Imaging Spectrometer, Three-dimensional Imaging Microwave Altimeter and Multi-band Ultraviolet Edge Imaging Spectrometer. Till now, Tiangong-2 runs stable. This data set contains earth observationdata products which were obtained by Tiangong-2 from September 2016 to date, and preprocessed by a ground data processing system. Thesearchived data products have been released on the Space Application Data Promoting Service Platform for China Manned Space Engineering (http://www.msadc.cn), which provides data services for domestic and foreign application and research organizations, institutions and groups. These data products have been filtered and quality-controlled before they are published. The products could be used in the monitoring of large-scale targets in atmosphere, oceans and land, including land cover classification, ecological environment assessment, coastline changes monitoring, marine dynamic environmental monitoring, inland water quality monitoring, glacier and topographic monitoring, upper and middle atmospheric conditions and disturbances monitoring, ozone forecasting and so forth.

Keywords: Tiangong-2 Space Laboratory; earth observation data; Wide-band Imaging Spectrometer; Three-dimensional Imaging Microwave Altimeter; Multi-band Ultraviolet Edge Imaging Spectrometer

數據庫（集）基本信息簡介

'數據庫（集）名稱'Title	2016～2017年天宮二號空間實驗室對地觀測數據產品集Earth observation data of the Tiangong-2 Space Laboratory (2016–2017)
'數據作者'Data authors	李盛陽、張萬峰、劉志文、譚洪、覃幫勇、郝忠翁、於**、邵雨陽、劉雲飛、秦曼、劉康、黑保琴、李軒LiShengyang, Zhang Wanfeng, Liu Zhiwen, Tan Hong, Qin Bangyong, Hao Zhongweng, Yu Haijun, Shao Yuyang, Liu Yunfei, Qin Man, Liu Kang, Hei Baoqin, Li Xuan
'通信作者'Corresponding author	覃幫勇 Qin Bangyong(qinby@csu.ac.cn)
'數據時間範圍'Time range	2016年9月至2017年10月From September 2016 to October 2017
'地理區域'Geographical scope	（1）寬波段成像儀 數據產品主要覆蓋了南北緯43°以內的中國大部分陸地和沿海，占中國國土面積的86％，同時還覆蓋了部分其它國家和地區；（2）三維成像微波高度計 數據產品主要覆蓋了南北緯43°以內的中國部分陸地和沿海，占中國國土面積的30％，同時還覆蓋了部分其它國家和地區；（3）多波段紫外臨邊成像光譜儀 數據產品覆蓋全球大部分區域10–60km大氣層（部分數據10–80km）範圍。(1) Data products ofWide-band Imaging Spectrometer cover 86 percent of the land and coastal areas in China, and also covers parts of other countries and regions, which within 43 degrees north and south latitude.(2) Data products ofThree-dimensional Imaging Microwave Altimeter cover 30 percent of the land and coastal areasin China, and also covers parts of other countries and regions, which within 43 degrees north and south latitude.(3) Data products of Multi-band Ultraviolet Edge Imaging Spectrometer cover an altitude range of 10 km –60km of the earth’s atmosphere.
'空間分辨率'Spatial resolution	（1）寬波段成像儀 ：可見近紅外譜段（100m）、短波紅外譜段（200m）、熱紅外譜段（400m）；（2）三維成像微波高度計常規： 二維圖像（100m）、高分二維圖像（30m）；（3）多波段紫外臨邊成像光譜儀： 紫外環形圖像數據（3km）、紫外前向光譜數據（3km）。（1）Wide-band Imaging Spectrometer  : visible and near infrared spectrum (100m), short waveinfrared spectrum (200m), thermalinfrared spectrum (400m).（2）Three-dimensional Imaging Microwave Altimeter: regular resolution image (100m), high resolution image (30m).（3）Multi-band Ultraviolet Edge Imaging Spectrometer: ultraviolet forward spectrum data (3km), ultraviolet annular image data (3km).
'數據量'Data volume	1.22 TB
'數據格式'Data format	*.tif,*.png,*.xml, *.jpg, *.h5
'數據服務系統網址'Data service system	載人航天空間應用數據推廣服務平台Space Application Data Promoting Service Platform for China Manned Space Engineering (http://www.msadc.cn);Science Data Bank (http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/522)
'基金項目'Sources of funding	國家科技部國家科技基礎條件平台項目「國家基礎科學數據共享服務平台」（DKA2017-12-02-23）The National R&D Infrastructure and Facility Development Program of China– Fundamental Science Data Sharing Platform(DKA2017-12-02-23)
'數據庫（集）組成'Database composition	數據集由3部分數據組成:（1）寬波段成像儀數據產品，包括可見近紅外影像、短波紅外影像及熱紅外影像；（2）三維成像微波高度計數據產品，包括常規二維圖像和高分二維圖像；（3）多波段紫外臨邊成像光譜儀數據產品，包括紫外前向光譜儀數據產品和紫外環形成像儀數據產品。The dataset consists of three parts:(1) Data product of Wide-band Imaging Spectrometer, which includes visible and near infrared images, short wave infrared images and thermal infrared images.(2) Data product of Three-dimensional Imaging Microwave Altimeter, which includes regular and high resolution images.(3)Data product ofMulti-band Ultraviolet Edge Imaging Spectrometer, which includes ultraviolet forward spectrum data and ultraviolet annular image data.

引 言

天宮二號以實施空間科學和應用實驗、空間技術試驗為主要目標，是中國第一個真正意義上的空間實驗室。其搭載了全新的空間科學與應用載荷設備，開展了十餘項科學和應用實驗和試驗，涉及微重力基礎物理、微重力流體物理及空間材料科學、空間生命科學、空間天文觀測、空間地球科學及應用等多個領域^[1][2]。其中空間地球科學及應用領域有寬波段成像儀、三維成像微波高度計（以下簡稱微波高度計）和多波段紫外臨邊成像光譜儀（以下簡稱紫外光譜儀）3個載荷。

寬波段成像儀是國內首次在單台儀器上，實現可見近紅外（0.4～1.0μm）、短波紅外（1.0～1.7μm）和熱紅外（8.0～10.0μm）多光譜大視場推掃成像功能的寬刈幅（約300km）光學遙感器。3個譜段的空間分辨率分別為100m、200m和400m。與美國的中分辨率成像光譜儀MODIS^[3]（空間分辨率為250m、500 m、1000m）和歐洲太空局的中分辨率成像光譜儀MERIS^[4]（空間分辨率為300m、1200m）相比，寬波段成像儀的空間分辨率較高，擴充了國內外中等分辨率尤其是百米級分辨率的成像光譜儀數據集。

微波高度計採用Ku頻段小角度干涉測量技術、合成孔徑技術，精確獲取海面高度信息，是國際上首次實現寬刈幅（約30km）海面高度測量並能進行三維成像的微波高度計^[5]。該類數據產品填補了國內外成像高度計的數據空白，具有較高的科學研究和應用價值。

紫外光譜儀是國際上首次採用大視場對全球中層大氣的紫外臨邊輻射特性進行准同步探測。經過數據分析後，可獲得中間層和低熱層的臭氧、大氣密度以及大氣微量氣體的垂直結構和三維動態分布。紫外光譜儀數據進一步豐富了全球臨邊大氣探測手段，可與國內外其它大氣探測儀器聯合應用^[6]，為大氣科學研究和大氣環境監測提供數據支撐。

1 數據採集和處理方法

本數據集主要存儲寬波段成像儀、微波高度計以及紫外光譜儀的數據產品。各對地觀測載荷按需進行數據獲取，經地面數據解格式處理、邏輯分景、輻射校正、幾何校正等預處理，生成標準數據產品，通過載人航天空間應用數據推廣服務平台（以下簡稱推廣服務平台，網址：http://www.msadc.cn）进行发布。授权用户可通过推广服务平台进行数据产品的查询、浏览和下载。

1.1 寬波段成像儀數據產品

寬波段成像儀採用推掃成像模式，可見近紅外、短波紅外與熱紅外3個譜段單獨成像，可見近紅外有3個視場，短波紅外和熱紅外各有2個視場。數據下行後，首先進行解格式處理，得到各譜段原始數據；再經過視場拼接和均一性校正，將多個視場組合成一幅寬刈幅影像；接着按照成像時間進行分景處理，將一軌數據分割成多個標準景圖像；標準景圖像數據經過相對及絕對輻射校正後，得到入瞳處的輻亮度圖像，再經過傳感器校正和幾何投影生成帶有地理坐標的圖像數據產品。

1.2 微波高度計數據產品

微波高度計具有常規觀測和高分觀測兩種模式，根據需要進行相應的數據獲取，兩種模式數據處理方法類似。數據下行後，首先進行解格式處理，得到微波高度計原始數據；然後進行圖像重建，得到微波二維圖像；接着對圖像數據進行天線方向圖校正和斜距衰減校正，得到輻射校正圖像；最後進行地面分辨單元校正及幾何校正，生成帶有相應地理坐標的圖像數據產品。

1.3 紫外光譜儀數據產品

紫外光譜儀由紫外環形成像儀和紫外前向光譜儀組成。兩台儀器在數據獲取和處理方法上有很大的差別。紫外環形數據包含265nm、295nm和360nm三個通道。數據下行後，首先進行解格式處理，得到各通道的原始數據；然後進行暗背景去除、去Smear效應和輻射歸一化處理，得到歸一化後的圖像數據；接着利用定標參數對圖像進行輻亮度校正，得到輻亮度圖像；最後進行幾何定位處理，生成帶有地理位置信息的環形圖像數據產品。紫外前向數據下行後，首先經過解格式處理，得到原始數據；然後經過暗背景去除、去Smear效應、非線性校正、雜光校正、輻射歸一化等一系列處理，得到歸一化後的光譜數據；接着進行漫透板角度修正和輻亮度校正；最後進行幾何定位處理，生成前向光譜數據產品。

2 數據樣本描述

天宮二號空間實驗室對地觀測數據產品主要以灰度值存儲地面空間信息與地物特徵。本數據集採用行業標準數據格式，並配套有完整的元數據信息，方便數據讀取及使用。天宮二號數據產品文件名採用「字符串+下劃線」的形式。

2.1 寬波段成像儀與微波高度計數據產品

寬波段成像儀與微波高度計的數據產品命名格式如下：

s1_s2_s3_s4_t1_t2_s5_s6_s7_t3_s8.s9

按照前後順序，具體含義如下：

s1——飛行器代號，如「T2」表示天宮二號；

s2——載荷名稱，如「MWI」表示寬波段成像儀，「IALT」表示微波高度計；

s3——產品標識，如「VNI」「SWI」和「INF」分別表示寬波段成像儀中可見近紅外譜段、短波紅外譜段和熱紅外譜段，「RIMG」和「HIMG」分別表示微波高度計常規二維模式和高分二維模式；

s4——數據類型，如「IMG」表示圖像數據，「SCI」表示科學數據；

t1——數據採集開始時間（北京時間），如「20171012094001」表示北京時間2017年10月12日9時40分01秒；

t2——數據採集結束時間，格式同t1；

s5——產品級別，如「L1」表示一級產品，「L2」表示二級產品；

s6——分段號，如寬波段成像儀數據產品的「000」表示整軌影像沒有分段，「001」表示分段的第一段，微波高度計產品中的「6」表示整軌影像中的第6段；

s7——分景景號，如寬波段成像儀數據產品的「6」表示該段影像中的第6景，微波高度計產品中的「15」表示該段影像中的第15景；

t3——產品生成時間，格式同t1；

s8——版本號，如「V111」「V211」用於標識不同版本的數據產品；

s9——文件後綴，如「tif」為Geotiff格式的圖像數據產品，建議用ENVI、Erdas、ArcGIS等通用遙感圖像軟件打開，「png」為數據產品的縮略圖，「jpg」為數據產品的拇指圖，「xml」表示數據產品的元數據文件。

寬波段成像儀數據產品示例如圖1：

T2_MWI_VNI_IMG_20171006103056_20171006104833_L2_000_21_20171102114836_V211.tif

圖片

圖1 寬波段成像儀可見近紅外影像與xml文件

微波高度計數據產品示例如圖2：

T2_IALT_RIM1_SCI_20171010051108_20171010052036_L2_6_15_20171011041404_V111.tif

圖片

圖2 微波高度計二維圖像與xml文件

從寬波段成像儀與微波高度計數據產品的xml文件中，可獲得影像的經緯度坐標與分辨率等信息。

2.2 紫外光譜儀數據產品

紫外光譜儀數據產品命名格式如：s1_s2_s3_s4_t1_t2_s5_t3_s6.s7

按照前後順序，具體含義如下：

s1——飛行器代號，如「T2」表示天宮二號；

s2——載荷名稱，如「ZW」表示多波段紫外臨邊成像光譜儀；

s3——相機名稱，如「ZWF」「ZW265」「ZW295」「ZW360」分別表示紫外前向光譜儀、紫外環形成像儀265nm通道、紫外環形成像儀295nm通道和紫外環形成像儀360nm通道；

s4——產品標識，如「IMG340」「IMG170」和「IMG1024」分別表示像素個數為340×340、170×170和1024×1024的標準圖像數據；

t1——數據採集開始時間（北京時間），如「20171013133212」表示北京時間2017年10月13日13時32分12秒；

t2——數據採集結束時間，格式同t1；

s5——產品級別，如「L1」表示1級產品；

t3——產品生成時間，格式同t1；

s6——版本號，如「V101」「V102」等，用於區別不同版本的數據產品；

s7——文件後綴，如「h5」表示hdf5格式，建議用hdf有關應用軟件打開。

紫外環形產品如圖3：

T2_ZW_ZW295_IMG340_20171013133212_20171013135716_L1_20171014111102_V102.h5

圖片

圖3 紫外環形成像儀295nm通道一級產品

紫外前向產品示例如圖4：

T2_ZW_ZWF_IMG170_20171013150426_20171013152936_L1_20171014125440_V102.h5

圖片

圖4 紫外前向光譜儀一級產品

圖3與圖4中左側是紫外光譜儀一級產品的結構，包含頭文件、輔助信息和觀測數據等。

3 數據質量控制與評估

天宮二號搭載的寬波段成像儀、微波高度計和紫外光譜儀在發射之前均做過嚴格的實驗室定標，各項功能性能均滿足設計指標要求。經在軌測試階段驗證，寬波段成像儀的可見近紅外和短波紅外譜段的絕對輻射定標精度優於7％，熱紅外譜段的絕對輻射定標精度優於1.5K；微波高度計的後向散射係數測量精度優於2dB。

天宮二號地面數據處理與服務系統建有數據質量分析與評價系統，定期從輻射質量、幾何精度等方面對所處理生成的對地觀測數據產品進行質量評估，根據質量評估結果對數據產品進行篩選和質量優化，確保各類型數據產品滿足質量和精度要求。

經過質量控制和評估，寬波段成像儀數據產品各波段平均信噪比大於40dB，圖像幾何定位精度在3個像元以內；微波高度計數據產品圖像平均信噪比不低於20dB，圖像幾何定位精度在10個像元以內；紫外光譜儀數據產品中環形圖像數據信噪比大於50dB，前向光譜數據信噪比大於20dB。

滿足發布要求的影像數據，作為天宮二號對地觀測數據產品集在推廣服務平台進行分發共享。

4 數據價值

寬波段成像儀是中等空間分辨率、通道可編程和三譜段可同時推掃成像的對地觀測光學成像系統，針對中、大尺度地物目標監測，具有廣泛的應用前景。在海洋應用中，該成像儀數據產品可用於海洋中葉綠素、懸濁物濃度、溶解有機物等水色參數反演以及海表溫度反演^[7]，還可以應用於赤潮監測、浮游生物量和初級生產力估算、海岸帶製圖等方面。在陸地應用中，該成像儀可見近紅外譜段數據產品可用於國土資源、農林應用、城市環境監測等方面信息提取及土地利用/土地覆蓋分類^[8]，還可用於內陸大型水體綜合監測、生態環境評價以及突發性災害監測等；短波紅外譜段數據產品可用於土壤濕度、農作物長勢監測、雲監測等；其熱紅外譜段數據產品可用於地表溫度反演^[9]、火災監測等。

微波高度計是具有寬刈幅、高精度、海陸干涉和二維成像觀測能力的觀測系統，可用於海洋動力環境（包括海平面高度、海面風浪和洋流）監測及海洋預報^[10][11]、陸地地形測量^[12][13]、冰川及大型水體監測等應用領域。此外，作為國際上首個微波成像高度計，該類數據也具有重要的科學研究價值。

紫外光譜儀數據產品可監測中上層大氣狀態與擾動，研究全球整層大氣密度、臭氧分布^[14]和氣溶膠微量成分的垂直結構和三維分布等。可以與歐洲太空局的掃描成像吸收光譜大氣製圖儀SCIAMACHY^[15]和美國的臭氧成像廓線儀OMPS^[16]等聯合應用，為大氣科學研究和大氣環境監測提供數據支撐。

作者分工職責

李盛陽（1976—），男，山東人，博士，研究員，研究方向為航天地面數據系統技術、空間科學大數據、遙感信息智能處理。主要承擔工作：地面處理與服務系統的架構設計與研發。

張萬峰（1982—），男，內蒙古人，博士，副研究員，研究方向為基於高性能計算的空間科學數據並行處理與並發調度技術。主要承擔工作：地面數據處理系統的架構設計、載荷數據處理算法CPU+GPU並行化、系統運行及維護。

劉志文（1979—），男，湖北人，博士，助理研究員，研究方向為遙感圖像幾何校正技術。主要承擔工作：寬波段成像儀數據產品處理算法實現。

譚洪（1982—），男，湖南人，博士，助理研究員，研究方向為合成孔徑雷達和微波成像高度計數據處理。主要承擔工作：三維成像微波高度計數據產品處理算法實現。

覃幫勇（1987—），男，重慶人，博士，助理研究員，研究方向為航天數據處理、數據質量分析與控制。主要承擔工作：多波段紫外臨邊成像光譜儀數據產品處理算法實現，數據質量分析與評價系統設計、研發及運行維護。

郝忠翁（1987—），男，河北人，碩士，工程師，研究方向為大數據存儲管理。主要承擔工作：數據歸檔系統的設計、研發及運行維護，載人航天數據推廣服務平台運行維護。

於**（1987—），男，山東人，碩士，工程師，研究方向為數據可視化技術及其應用。主要承擔工作：數據處理系統數據產品格式生成、三維地球數據可視化管理系統的設計與研發。

王博（1992—），女，山西人，碩士，工程師，研究方向為數據存儲容錯技術。主要承擔工作：數據歸檔系統的運行維護，載人航天數據推廣服務平台運行維護。

邵雨陽（1985—），男，吉林人，碩士，助理研究員，研究方向為數據利用技術。主要承擔工作：寬波段成像儀、三維成像微波高度計快視系統的設計、研發及運行維護。

劉雲飛（1989—），男，安徽人，碩士，工程師，研究方向為地理信息系統、數據可視化與可視分析。主要承擔工作：可視化數據歸檔管理系統的設計與研發。

秦曼（1991—），女，河北人，碩士，工程師，研究方向為軟件工程、機器視覺。主要承擔工作：數據運營軟件設計與研發、數據應用成果管理系統設計與研發。

劉康（1989—），女，山西人，碩士，工程師，研究方向為生態遙感應用。主要承擔工作：數據分發服務及應用研究。

黑保琴（1975—），女，寧夏人，碩士，高級工程師，研究方向為數據預處理技術。主要承擔工作：數據預處理與標準化。

李軒（1987—），男，北京市人，博士，工程師，研究方向為遙感圖像目標識別。主要承擔工作：數據處理與專題圖製作。

致 謝

感謝載人航天工程提供天宮二號寬波段成像儀、三維成像微波高度計和多波段紫外臨邊成像光譜儀數據。

參考文獻

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數據引用格式

李盛陽,張萬峰,劉志文, 等. 2016～2017年天宮二號空間實驗室對地觀測數據產品集[DB/OL]. Science Data Bank, 2017. (2017-11-11). DOI:10.11922/sciencedb.522.