自1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星以來，衛(wèi)星遙感走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程。在這個(gè)過程中，新技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造、新方法的研究應(yīng)用以及新產(chǎn)品的開發(fā)制作不斷涌現(xiàn)。作為新一代地球衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）的“掌門人”，隸屬于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的Terra（1999）和Aqua（2002）衛(wèi)星備受矚目。其工作任務(wù)就是對(duì)我們居住的藍(lán)色家園的里里外外、上上下下進(jìn)行不間斷的全方位監(jiān)測(cè)。這里主要介紹其中的一種儀器——MODIS。
MODIS是何方神圣
MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）中文名為中分辨率成像光譜儀，是加載于Terra（EOS-AM1）和Aqua（EOS-PM1）衛(wèi)星上的眼睛（遙感傳感器）。兩顆衛(wèi)星在地球上空700多公里的軌道上，用這顆眼睛獲取地球陸?？崭鞣N信息，并發(fā)送到地面。它具有36個(gè)電磁光譜通道，涵蓋可見光至熱（遠(yuǎn)）紅外波段。由于其光譜通道數(shù)量眾多，MODIS被譽(yù)為圖譜合一的新一代遙感傳感器。正是這些細(xì)致劃分的電磁波段，使得它能出色地完成對(duì)地球大氣圈、水圈、生物圈以及巖石圈等的立體、多尺度觀測(cè)。它能夠看清楚地球表面250米見方的物體。兩顆衛(wèi)星每天可對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行多次觀測(cè)，高質(zhì)量、豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)給地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物科學(xué)、水文學(xué)、氣象氣候?qū)W等學(xué)科研究提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，為近10年來遙感學(xué)科的快速發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。
擁有了豐富的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，如何利用它們便成為首要問題。為了獲得最真實(shí)的地物狀態(tài)信息，更好地服務(wù)于科研工作者和其他用戶，有關(guān)方面專門組建了大氣、陸地、海洋和定標(biāo)四個(gè)科學(xué)小組，為MODIS量身定制了以下多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：地球表面覆蓋變化和全球生產(chǎn)力、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、短期氣候預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期氣候變化研究、大氣臭氧監(jiān)測(cè)。從中我們不難發(fā)現(xiàn)MODIS有兩個(gè)基本探測(cè)目標(biāo)，一是由于人類活動(dòng)對(duì)地球的壓力和影響；二是針對(duì)以上影響，地球的反饋機(jī)制和機(jī)理。
MODIS的應(yīng)用領(lǐng)域
作為多波段光學(xué)遙感傳感器，MODIS可謂“眼觀六路”，其數(shù)據(jù)不僅常常被直接應(yīng)用于火災(zāi)、沙塵暴、冰、雪、洪澇、干旱等多種災(zāi)害的研究和監(jiān)測(cè)工作，它還為短期氣象監(jiān)測(cè)和中長(zhǎng)期氣候預(yù)報(bào)立下汗馬功勞。為了給科學(xué)研究和用戶們提供更加便捷的服務(wù)，MODIS的科學(xué)研究小組開發(fā)了5大類共35種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分為大氣、陸地和海洋3個(gè)大專題。
——大氣應(yīng)用。包裹整個(gè)地球的大氣是一種混合氣體，其中的各種固態(tài)、液態(tài)成分及其含量隨時(shí)間、地域的不規(guī)律變化，不僅對(duì)地球氣候有重要的調(diào)節(jié)作用，甚至?xí)?duì)動(dòng)物、植物乃至人類的發(fā)育和生長(zhǎng)造成一定的影響，因此，分析大氣組成并探尋其演化規(guī)律是地球環(huán)境研究的重要課題。在這一方面，MODIS提供了水汽、氣溶膠、云、大氣剖面、大氣網(wǎng)格、云掩模等6種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
——氣溶膠。氣溶膠是指懸浮在大氣中的各種液態(tài)或固態(tài)微粒，我們通常所說的煙、霧、塵等都是氣溶膠的表現(xiàn)形式，沙塵暴也是氣溶膠的一種。事實(shí)上，氣溶膠不光自身是空氣的污染物，又是許多有毒、有害物質(zhì)的攜帶者，它的組成和分布在一定程度上反映了大氣污染的狀況。作為空氣質(zhì)量（霧、酸雨、沙塵暴等）以及全球氣候變化研究的重要內(nèi)容，氣溶膠也難逃MODIS的“法眼”，MODIS的氣溶膠產(chǎn)品被廣泛用于氣溶膠的來源及種類分析、氣溶膠與云交互作用以及氣候?qū)W等研究中。
——水汽。水汽在大氣中的含量很少，而且主要集中在2至3公里以下的大氣層中，但卻是天氣變化的主要角色。云和霧沒有水汽就不能形成，雨和雪沒有水汽也不能形成，霜和露等凝結(jié)現(xiàn)象沒有水汽同樣不會(huì)出現(xiàn)。水汽一方面通過蒸發(fā)或凝結(jié)吸收或放出潛熱，另一方面又能強(qiáng)烈地吸收和放出長(zhǎng)波輻射，從而影響地面和空氣的溫度。MODIS的近紅外波段17、18、19以及熱紅外波段26、27、28均為理想的大氣水汽探測(cè)波段。由近紅外波段可得到白天1公里分辨率的水汽產(chǎn)品，由熱紅外波段則可得到夜間5公里分辨率的水汽產(chǎn)品。在全球水分循環(huán)、地球能量收支、氣溶膠特性及氣候研究等課題上，MODIS的水汽產(chǎn)品都發(fā)揮了重要的支持作用。
——海洋應(yīng)用。海洋對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展和整個(gè)地球氣候及生態(tài)環(huán)境的巨大影響力是不言而喻的。在海洋觀測(cè)方面MODIS的性能同樣出色，其科學(xué)組開發(fā)了多種海洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，幫助人們更加理性地認(rèn)識(shí)海洋，從而合理地進(jìn)行海洋資源的開發(fā)和利用。同為混合物的海水，由于含有葉綠素、泥沙以及多種有機(jī)微粒這些有色成分，隨著其含量和種類的不同而有相應(yīng)的顏色變化，這些物質(zhì)也因此被稱為海洋水色要素，研究它們的來源、種類、含量以及隨時(shí)間、地域的變化規(guī)律，是海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估的重要內(nèi)容。 MODIS的8至16波段是海洋水色要素探測(cè)的專用波段，所提供的葉綠素濃度產(chǎn)品、懸浮固體濃度產(chǎn)品、有機(jī)物濃度產(chǎn)品等在洋流、噴流、羽流等海洋特征的研究方面有重要作用，為全球生化模式和氣候模式的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
——赤潮。赤潮的發(fā)生，往往會(huì)破壞海洋的正常生態(tài)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程，從而威脅海洋生物的生存，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作為陸地和海洋的“雙料”遙感探測(cè)器，MODIS在赤潮的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方面作出了突出的貢獻(xiàn)，它不僅利用赤潮的光譜特性對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)，海水葉綠素濃度、海表面溫度、有機(jī)物濃度等其他海洋環(huán)境產(chǎn)品有力地輔助了赤潮種類、來源的判斷和分析。
——洋流。洋流是具有明顯冷、暖特征的大規(guī)模水團(tuán)的移動(dòng)，洋流的動(dòng)能巨大，僅佛羅里達(dá)洋流所具有的動(dòng)能即約為全球所有河流總能量的50倍，可謂地球能量及水汽平衡、全球氣候變化的“決策者”，對(duì)其研究的重要性和必要性不言而喻。由MODIS紅外波段反演得到的海表面溫度、海表面亮度溫度數(shù)據(jù)能夠較好地反映出洋流的走向、溫度分布、細(xì)部特征以及發(fā)展趨勢(shì)等。
——陸地應(yīng)用。作為地球觀測(cè)系統(tǒng)EOS計(jì)劃的重要組成部分，MODIS在陸地環(huán)境監(jiān)測(cè)方面同樣具有不俗的實(shí)力，提供了地表反射比、地表溫度、葉面積指數(shù)等10種陸地產(chǎn)品，為陸地自然資源監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境評(píng)估以及其他環(huán)境相關(guān)學(xué)科的研究做出了重要的貢獻(xiàn)。
——自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)。MODIS提供的多種陸地表面觀測(cè)產(chǎn)品為自然災(zāi)害的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)提供了良好的數(shù)據(jù)支持，在洪水、旱災(zāi)、火災(zāi)、霧、雪、沙塵暴等方面均有突出應(yīng)用。由于其光譜波段細(xì)致分布于可見光及熱紅外波段，可進(jìn)行災(zāi)害時(shí)段內(nèi)地物光譜特征的深入分析，從而準(zhǔn)確判斷其成因，同時(shí)，250米、500米和1公里3種空間分辨率和密集的過境時(shí)間大大豐富了災(zāi)情數(shù)據(jù)，使得長(zhǎng)期、大范圍的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能。
——全球氣候變化監(jiān)測(cè)。厄爾尼諾是太平洋中東部海水溫度異常變暖的現(xiàn)象，拉尼娜則與之相反，其產(chǎn)生與大氣環(huán)流有密切聯(lián)系，多引全球范圍的臺(tái)風(fēng)、暴雨以及干旱等強(qiáng)、極端天氣現(xiàn)象。據(jù)悉，2008年年初中國(guó)中部大部分地區(qū)的持續(xù)冰雪災(zāi)害即是拉尼娜的所作所為。MODIS的全球海表面溫度產(chǎn)品為研究此類大規(guī)模氣候現(xiàn)象提供了優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源，能夠準(zhǔn)確捕捉其變化，為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及有關(guān)影響的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)提供可靠的數(shù)據(jù)保障。
自1999年Terra發(fā)射至今，加載于其上的MODIS一直向我們提供了包括大氣、海洋和陸地在內(nèi)的地球觀測(cè)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)不僅被各國(guó)的科研院所廣為采納，應(yīng)用于地球科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，也為眾多科學(xué)愛好者提供了良好的數(shù)據(jù)服務(wù)。