2016～2017年天宫二号空间实验室对地观测数据产品集

数据论文 II 区论文（已发表） • 版本 ZH4 Vol 2 (4) 2017

Earth observation data of the Tiangong-2 Space Laboratory (2016–2017)

覃帮勇，李盛阳，郝忠翁，刘康，王博

Qin Bangyong, Li Shengyang, Hao Zhongweng, Liu kang, Wang Bo

DOI: 10.11922/csdata.2017.0003.zh
: 10.11922/sciencedb.522

： 2017 - 11 - 07

： 2017 - 11 - 15

： 2017 - 12 - 20

6754 60 0

摘要&关键词

摘要：天宫二号空间实验室于2016年9月15日成功发射，主要搭载3个对地观测载荷——宽波段成像仪、三维成像微波高度计及多波段紫外临边成像光谱仪。目前天宫二号运行稳定，本数据集存储了2016年9月至今经过预处理后的天宫二号的对地观测数据产品。这些存档的数据产品通过载人航天空间应用数据推广服务平台（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。

关键词：天宫二号；对地观测数据集；宽波段成像仪；三维成像微波高度计；多波段紫外临边成像光谱仪

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

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称 Title	2016～2017年天宫二号空间实验室对地观测数据产品集 Earth observation data of the Tiangong-2 Space Laboratory (2016–2017)
数据作者 Data authors	李盛阳、张万峰、刘志文、谭洪、覃帮勇、郝忠翁、于**、邵雨阳、刘云飞、秦曼、刘康、黑保琴、李轩 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	覃帮勇 Qin Bangyong (qinby@csu.ac.cn)
数据时间范围 Time range	2016年9月至2017年10月 From September 2016 to October 2017
地理区域 Geographical scope	（1）宽波段成像仪数据产品主要覆盖了南北纬43°以内的中国大部分陆地和沿海，占中国国土面积的86％，同时还覆盖了部分其它国家和地区；（2）三维成像微波高度计数据产品主要覆盖了南北纬43°以内的中国部分陆地和沿海，占中国国土面积的30％，同时还覆盖了部分其它国家和地区；（3）多波段紫外临边成像光谱仪数据产品覆盖全球大部分区域10–60km大气层（部分数据10–80km）范围。 (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.
空间分辨率 Spatial resolution	（1）宽波段成像仪：可见近红外谱段（100m）、短波红外谱段（200m）、热红外谱段（400m）；（2）三维成像微波高度计常规：二维图像（100m）、高分二维图像（30m）；（3）多波段紫外临边成像光谱仪：紫外环形图像数据（3km）、紫外前向光谱数据（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).
数据量 Data volume	1.22 TB
数据格式 Data format	.tif,.png,.xml, .jpg, *.h5
数据服务系统网址 Data service system	载人航天空间应用数据推广服务平台 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)
基金项目 Sources of funding	国家科技部国家科技基础条件平台项目“国家基础科学数据共享服务平台”（DKA2017-12-02-23） The National R&D Infrastructure and Facility Development Program of China– Fundamental Science Data Sharing Platform(DKA2017-12-02-23)
数据库（集）组成 Database composition	数据集由3部分数据组成: （1）宽波段成像仪数据产品，包括可见近红外影像、短波红外影像及热红外影像；（2）三维成像微波高度计数据产品，包括常规二维图像和高分二维图像；（3）多波段紫外临边成像光谱仪数据产品，包括紫外前向光谱仪数据产品和紫外环形成像仪数据产品。 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

天宫二号以实施空间科学和应用实验、空间技术试验为主要目标，是中国第一个真正意义上的空间实验室。其搭载了全新的空间科学与应用载荷设备，开展了十余项科学和应用实验和试验，涉及微重力基础物理、微重力流体物理及空间材料科学、空间生命科学、空间天文观测、空间地球科学及应用等多个领域^[1-2]。其中空间地球科学及应用领域有宽波段成像仪、三维成像微波高度计（以下简称微波高度计）和多波段紫外临边成像光谱仪（以下简称紫外光谱仪）3个载荷。

宽波段成像仪是国内首次在单台仪器上，实现可见近红外（0.4～1.0μm）、短波红外（1.0～1.7μm）和热红外（8.0～10.0μm）多光谱大视场推扫成像功能的宽刈幅（约300km）光学遥感器。3个谱段的空间分辨率分别为100m、200m和400m。与美国的中分辨率成像光谱仪MODIS^[3]（空间分辨率为250m、500 m、1000m）和欧洲太空局的中分辨率成像光谱仪MERIS^[4]（空间分辨率为300m、1200m）相比，宽波段成像仪的空间分辨率较高，扩充了国内外中等分辨率尤其是百米级分辨率的成像光谱仪数据集。

微波高度计采用Ku频段小角度干涉测量技术、合成孔径技术，精确获取海面高度信息，是国际上首次实现宽刈幅（约30km）海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计^[5]。该类数据产品填补了国内外成像高度计的数据空白，具有较高的科学研究和应用价值。

紫外光谱仪是国际上首次采用大视场对全球中层大气的紫外临边辐射特性进行准同步探测。经过数据分析后，可获得中间层和低热层的臭氧、大气密度以及大气微量气体的垂直结构和三维动态分布。紫外光谱仪数据进一步丰富了全球临边大气探测手段，可与国内外其它大气探测仪器联合应用^[6]，为大气科学研究和大气环境监测提供数据支撑。

1 数据采集和处理方法

本数据集主要存储宽波段成像仪、微波高度计以及紫外光谱仪的数据产品。各对地观测载荷按需进行数据获取，经地面数据解格式处理、逻辑分景、辐射校正、几何校正等预处理，生成标准数据产品，通过载人航天空间应用数据推广服务平台（以下简称推广服务平台，网址：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 宽波段成像仪数据产品

宽波段成像仪采用推扫成像模式，可见近红外、短波红外与热红外3个谱段单独成像，可见近红外有3个视场，短波红外和热红外各有2个视场。数据下行后，首先进行解格式处理，得到各谱段原始数据；再经过视场拼接和均一性校正，将多个视场组合成一幅宽刈幅影像；接着按照成像时间进行分景处理，将一轨数据分割成多个标准景图像；标准景图像数据经过相对及绝对辐射校正后，得到入瞳处的辐亮度图像，再经过传感器校正和几何投影生成带有地理坐标的图像数据产品。

1.2 微波高度计数据产品

微波高度计具有常规观测和高分观测两种模式，根据需要进行相应的数据获取，两种模式数据处理方法类似。数据下行后，首先进行解格式处理，得到微波高度计原始数据；然后进行图像重建，得到微波二维图像；接着对图像数据进行天线方向图校正和斜距衰减校正，得到辐射校正图像；最后进行地面分辨单元校正及几何校正，生成带有相应地理坐标的图像数据产品。

1.3 紫外光谱仪数据产品

紫外光谱仪由紫外环形成像仪和紫外前向光谱仪组成。两台仪器在数据获取和处理方法上有很大的差别。紫外环形数据包含265nm、295nm和360nm三个通道。数据下行后，首先进行解格式处理，得到各通道的原始数据；然后进行暗背景去除、去Smear效应和辐射归一化处理，得到归一化后的图像数据；接着利用定标参数对图像进行辐亮度校正，得到辐亮度图像；最后进行几何定位处理，生成带有地理位置信息的环形图像数据产品。紫外前向数据下行后，首先经过解格式处理，得到原始数据；然后经过暗背景去除、去Smear效应、非线性校正、杂光校正、辐射归一化等一系列处理，得到归一化后的光谱数据；接着进行漫透板角度修正和辐亮度校正；最后进行几何定位处理，生成前向光谱数据产品。

2 数据样本描述

天宫二号空间实验室对地观测数据产品主要以灰度值存储地面空间信息与地物特征。本数据集采用行业标准数据格式，并配套有完整的元数据信息，方便数据读取及使用。天宫二号数据产品文件名采用“字符串+下划线”的形式。

2.1 宽波段成像仪与微波高度计数据产品

宽波段成像仪与微波高度计的数据产品命名格式如下：

s1_s2_s3_s4_t1_t2_s5_s6_s7_t3_s8.s9

按照前后顺序，具体含义如下：

s1——飞行器代号，如“T2”表示天宫二号；

s2——载荷名称，如“MWI”表示宽波段成像仪，“IALT”表示微波高度计；

s3——产品标识，如“VNI”“SWI”和“INF”分别表示宽波段成像仪中可见近红外谱段、短波红外谱段和热红外谱段，“RIMG”和“HIMG”分别表示微波高度计常规二维模式和高分二维模式；

s4——数据类型，如“IMG”表示图像数据，“SCI”表示科学数据；

t1——数据采集开始时间（北京时间），如“20171012094001”表示北京时间2017年10月12日9时40分01秒；

t2——数据采集结束时间，格式同t1；

s5——产品级别，如“L1”表示一级产品，“L2”表示二级产品；

s6——分段号，如宽波段成像仪数据产品的“000”表示整轨影像没有分段，“001”表示分段的第一段，微波高度计产品中的“6”表示整轨影像中的第6段；

s7——分景景号，如宽波段成像仪数据产品的“6”表示该段影像中的第6景，微波高度计产品中的“15”表示该段影像中的第15景；

t3——产品生成时间，格式同t1；

s8——版本号，如“V111”“V211”用于标识不同版本的数据产品；

s9——文件后缀，如“tif”为Geotiff格式的图像数据产品，建议用ENVI、Erdas、ArcGIS等通用遥感图像软件打开，“png”为数据产品的缩略图，“jpg”为数据产品的拇指图，“xml”表示数据产品的元数据文件。

宽波段成像仪数据产品示例如图1：

T2_MWI_VNI_IMG_20171006103056_20171006104833_L2_000_21_20171102114836_V211.tif

图1 宽波段成像仪可见近红外影像与xml文件

微波高度计数据产品示例如图2：

T2_IALT_RIM1_SCI_20171010051108_20171010052036_L2_6_15_20171011041404_V111.tif

图2 微波高度计二维图像与xml文件

从宽波段成像仪与微波高度计数据产品的xml文件中，可获得影像的经纬度坐标与分辨率等信息。

2.2 紫外光谱仪数据产品

紫外光谱仪数据产品命名格式如：s1_s2_s3_s4_t1_t2_s5_t3_s6.s7

按照前后顺序，具体含义如下：

s1——飞行器代号，如“T2”表示天宫二号；

s2——载荷名称，如“ZW”表示多波段紫外临边成像光谱仪；

s3——相机名称，如“ZWF”“ZW265”“ZW295”“ZW360”分别表示紫外前向光谱仪、紫外环形成像仪265nm通道、紫外环形成像仪295nm通道和紫外环形成像仪360nm通道；

s4——产品标识，如“IMG340”“IMG170”和“IMG1024”分别表示像素个数为340×340、170×170和1024×1024的标准图像数据；

t1——数据采集开始时间（北京时间），如“20171013133212”表示北京时间2017年10月13日13时32分12秒；

t2——数据采集结束时间，格式同t1；

s5——产品级别，如“L1”表示1级产品；

t3——产品生成时间，格式同t1；

s6——版本号，如“V101”“V102”等，用于区别不同版本的数据产品；

s7——文件后缀，如“h5”表示hdf5格式，建议用hdf有关应用软件打开。

紫外环形产品如图3：

T2_ZW_ZW295_IMG340_20171013133212_20171013135716_L1_20171014111102_V102.h5

图3 紫外环形成像仪295nm通道一级产品

紫外前向产品示例如图4：

T2_ZW_ZWF_IMG170_20171013150426_20171013152936_L1_20171014125440_V102.h5

图4 紫外前向光谱仪一级产品

图3与图4中左侧是紫外光谱仪一级产品的结构，包含头文件、辅助信息和观测数据等。

3 数据质量控制与评估

天宫二号搭载的宽波段成像仪、微波高度计和紫外光谱仪在发射之前均做过严格的实验室定标，各项功能性能均满足设计指标要求。经在轨测试阶段验证，宽波段成像仪的可见近红外和短波红外谱段的绝对辐射定标精度优于7％，热红外谱段的绝对辐射定标精度优于1.5K；微波高度计的后向散射系数测量精度优于2dB。

天宫二号地面数据处理与服务系统建有数据质量分析与评价系统，定期从辐射质量、几何精度等方面对所处理生成的对地观测数据产品进行质量评估，根据质量评估结果对数据产品进行筛选和质量优化，确保各类型数据产品满足质量和精度要求。

经过质量控制和评估，宽波段成像仪数据产品各波段平均信噪比大于40dB，图像几何定位精度在3个像元以内；微波高度计数据产品图像平均信噪比不低于20dB，图像几何定位精度在10个像元以内；紫外光谱仪数据产品中环形图像数据信噪比大于50dB，前向光谱数据信噪比大于20dB。

满足发布要求的影像数据，作为天宫二号对地观测数据产品集在推广服务平台进行分发共享。

4 数据价值

宽波段成像仪是中等空间分辨率、通道可编程和三谱段可同时推扫成像的对地观测光学成像系统，针对中、大尺度地物目标监测，具有广泛的应用前景。在海洋应用中，该成像仪数据产品可用于海洋中叶绿素、悬浊物浓度、溶解有机物等水色参数反演以及海表温度反演^[7]，还可以应用于赤潮监测、浮游生物量和初级生产力估算、海岸带制图等方面。在陆地应用中，该成像仪可见近红外谱段数据产品可用于国土资源、农林应用、城市环境监测等方面信息提取及土地利用/土地覆盖分类^[8]，还可用于内陆大型水体综合监测、生态环境评价以及突发性灾害监测等；短波红外谱段数据产品可用于土壤湿度、农作物长势监测、云监测等；其热红外谱段数据产品可用于地表温度反演^[9]、火灾监测等。

微波高度计是具有宽刈幅、高精度、海陆干涉和二维成像观测能力的观测系统，可用于海洋动力环境（包括海平面高度、海面风浪和洋流）监测及海洋预报^[10-11]、陆地地形测量^[12-13]、冰川及大型水体监测等应用领域。此外，作为国际上首个微波成像高度计，该类数据也具有重要的科学研究价值。

紫外光谱仪数据产品可监测中上层大气状态与扰动，研究全球整层大气密度、臭氧分布^[14]和气溶胶微量成分的垂直结构和三维分布等。可以与欧洲太空局的扫描成像吸收光谱大气制图仪SCIAMACHY^[15]和美国的臭氧成像廓线仪OMPS^[16]等联合应用，为大气科学研究和大气环境监测提供数据支撑。

作者分工职责

李盛阳（1976—），男，山东人，博士，研究员，研究方向为航天地面数据系统技术、空间科学大数据、遥感信息智能处理。主要承担工作：地面处理与服务系统的架构设计与研发。

张万峰（1982—），男，内蒙古人，博士，副研究员，研究方向为基于高性能计算的空间科学数据并行处理与并发调度技术。主要承担工作：地面数据处理系统的架构设计、载荷数据处理算法CPU+GPU并行化、系统运行及维护。

刘志文（1979—），男，湖北人，博士，助理研究员，研究方向为遥感图像几何校正技术。主要承担工作：宽波段成像仪数据产品处理算法实现。

谭洪（1982—），男，湖南人，博士，助理研究员，研究方向为合成孔径雷达和微波成像高度计数据处理。主要承担工作：三维成像微波高度计数据产品处理算法实现。

覃帮勇（1987—），男，重庆人，博士，助理研究员，研究方向为航天数据处理、数据质量分析与控制。主要承担工作：多波段紫外临边成像光谱仪数据产品处理算法实现，数据质量分析与评价系统设计、研发及运行维护。

郝忠翁（1987—），男，河北人，硕士，工程师，研究方向为大数据存储管理。主要承担工作：数据归档系统的设计、研发及运行维护，载人航天数据推广服务平台运行维护。

于**（1987—），男，山东人，硕士，工程师，研究方向为数据可视化技术及其应用。主要承担工作：数据处理系统数据产品格式生成、三维地球数据可视化管理系统的设计与研发。

王博（1992—），女，山西人，硕士，工程师，研究方向为数据存储容错技术。主要承担工作：数据归档系统的运行维护，载人航天数据推广服务平台运行维护。

邵雨阳（1985—），男，吉林人，硕士，助理研究员，研究方向为数据利用技术。主要承担工作：宽波段成像仪、三维成像微波高度计快视系统的设计、研发及运行维护。

刘云飞（1989—），男，安徽人，硕士，工程师，研究方向为地理信息系统、数据可视化与可视分析。主要承担工作：可视化数据归档管理系统的设计与研发。

秦曼（1991—），女，河北人，硕士，工程师，研究方向为软件工程、机器视觉。主要承担工作：数据运营软件设计与研发、数据应用成果管理系统设计与研发。

刘康（1989—），女，山西人，硕士，工程师，研究方向为生态遥感应用。主要承担工作：数据分发服务及应用研究。

黑保琴（1975—），女，宁夏人，硕士，高级工程师，研究方向为数据预处理技术。主要承担工作：数据预处理与标准化。

李轩（1987—），男，北京市人，博士，工程师，研究方向为遥感图像目标识别。主要承担工作：数据处理与专题图制作。

致谢

感谢载人航天工程提供天宫二号宽波段成像仪、三维成像微波高度计和多波段紫外临边成像光谱仪数据。

[1]

文汇. 天宫二号空间实验室实现多项“首次”验证[J]. 中国航天, 2016: 4–7.