1 GIOVANNI简介

随着NASA地球观测系统EOS的不断发展, Terra, Aqua, Aura, CALIPSO, Cloudsat等大批卫星观测资料不断增多, 实时和历史卫星遥感资料共享分发任务不断加重, 以往的数据网络共享发布和图像绘制平台已难以满足对海量数据进行有效管理、绘制多种类型科学数据图像的需要。美国国家宇航和航天局Goddard地球科学数据和信息服务中心GES-DISC (Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center) 分布式数据存档中心DAAC (Distributed Active Archive Center) 近年来设计和开发了一个基于Web的交互式在线可视化和分析基础平台GIOVANNI (GES-DISC Interactive Online Visualization ANd aNalysis Infrastructure), 为气象、水文、遥感、地理信息系统、地质等领域用户提供基于网络简单、快速、交互式地对卫星遥感格点化资料及部分幅级资料进行在线获取、分析处理和可视化的先进工具。与以往传统的流程即“从网络服务器上下载大量科学数据到本地, 利用各种算法, 对所获取的数据进行科学分析处理, 然后通过各种图形绘制软件生成图像”不同, GIOVANNI系统面向对全球或区域性地球科学系统长期变化感兴趣的用户, 如气候/天气模式研究人员、全球或区域性气候分析研究人员、教师和学生、为决策服务和政策制定提供数据信息的工作者等, 使其省去数据传输、在本地计算机上进行数据处理的时间, 直接利用GIOVANNI所生成的图形图像结果进行各类研究。

用户利用Web浏览器, 选定感兴趣的地球物理参数产品及其时间、空间范围, 无需下载资料, 无需了解各种复杂的数据格式, 无需掌握复杂的编程技术、数据处理和绘图技术, 就可以直接获得标准、美观的图形图像结果或数据结果用于科学分析和研究, 是目前比较受欢迎的“试探-检验”性研究工具。科研人员因大大减小以往花费在数据定制下载、数据处理上的时间和精力, 从而提高了科学研究的工作效率。

2 GIOVANNI特色

对数据管理和发布人员而言GIOVANNI具有易配置、可拓展、可移植和便携性。

对GIOVANNI用户而言, 它具有以下几方面的特色:可直接获取本地及全球其他地区多个站点的观测资料; 基于服务器能够实现数据集的时间和空间范围选择; 不是利用本地服务器或计算机资料而是利用远程服务器进行数据处理; GIOVANNI系统支持多种资料格式如HDF (分层数据格式), HDFEOS, NetCDF (网络通用数据格式), GRIB (格点化的二进制格式), Binary等, 支持多种分辨率数据的ASCII码格式输出, 可同时选择多个参数进行相互比较; 为满足不同学科和专业方向用户的需求, 易于进行个性化设定。

3 GIOVANNI涵盖的数据内容

目前已业务化运行的GIOVANNI包括13个子系统, 2007年9月将正式推出Beta版。卫星遥感领域用户所熟悉的中分辨率光谱成像仪MODIS、大气红外探测仪AIRS、臭氧监测仪OMI、微波探测仪MLS、热带降雨测量卫星TRMM、大气臭氧总量测绘光谱仪TOMS、海洋水色传感器SeaWiFS等多种仪器观测数据均可通过GIOVANNI系统进行在线分析。GIOVANNI不仅向用户提供了一整套大气化学、大气温度、水汽和云、大气气溶胶、降水、海洋叶绿素、表面温度等数据集, 还提供了对不同资料进行互相检验和验证的工具。

· TRMM近实时降水资料、多颗卫星降水资料分析、地基降水观测资料的在线可视化和分析系统 (TOVAS)

· Terra/Aqua MODIS日/月级及MISR月级气溶胶资料、GOCART模式资料在线可视化和分析系统 (MOVAS)

· Terra/Aqua MODIS气溶胶Collection 4/Collection 5版本资料比较在线可视化和分析系统

· A-Train CloudSat和Aqua/MODIS的温度/湿度资料在线可视化和分析系统 (Beta版)

·欧洲大陆北部研究计划月级资料在线可视化和分析系统

· Aura MLS日级近全球廓线资料在线可视化和分析系统

· Aura OMI L2G及TOMS型日级资料在线可视化和分析系统

· Earth Probe和Nimbus 7卫星TOMS资料在线可视化和分析系统

· Aqua MODIS月级及SeaWiFS月级/8日级海洋水色资料在线可视化和分析系统

·应用TRMM卫星资料及其他降水资料的农业在线可视化和分析系统 (AOVAS)

· Aqua AIRS日级/月级全球图像及大气廓线资料在线可视化和分析系统

· Aqua AIRS日级/月级全球图像及大气廓线资料在线可视化和分析系统 (Beta版)

·高层大气研究卫星UARS卤素掩星试验HALOE大气廓线资料在线可视化和分析系统

4 GIOVANNI图像输出类型

GIOVANNI支持多种图像输出类型, 用户也可以选择将分析结果保存为ASCII码格式的数据进行输出。输出的图像可选择保存为bmp或gif格式。新版本的GIOVANNI系统中亦支持HDF格式的输出。标准的输出类型如表 1所示, 表 2是附加输出类型, 能更好地实现多参数相互比较这一功能。

5 GIOVANNI网络系统结构和可视化处理

运行于Linux, SGI及SUN工作平台上的GIOVANNI由HTML模板组成, 利用Perl语言和气象图形显示和分析系统软件GrADS (Grid Analysis and Display System), CGI, Python脚本语句编写, 远程服务器GrADS分布式海洋科学数据系统GrADS-DODS (Distributed Oceanographic Data System) 负责进行数据存储和运行。内嵌的图形图像Java applet程序使用户能够很方便地选择感兴趣的空间范围。GIOVANNI将客户端所有工作放在服务器端操作完成, 然后将最后的结果返回给客户。

GIOVANNI选择GrADS进行绘图, 因其具有广泛适用性、易于获得、易于操作、适于对地球科学数据进行可视化处理, 且支持多种数据格式如二进制、GRIB, HDF, HDF-EOS。GrADS分布式海洋科学数据系统GrADS DODS具有在服务器端对数据集进行时间/空间/参数选取的功能, 同时内嵌多种包括基本数据函数如平均、平滑、相关、回归等在内的数据分析处理方法, 彻底减小了基于网络传输的数据量, 从而提高了数据共享发布的整体性能。

6 使用指南和建议

从用户的角度来看GIOVANNI就是一个简单的Web应用程序。由于GIOVANNI系统涵盖的数据可以免费获得, 因此GIOVANNI的数据分析结果或图像结果也是免费的。用户首先从http://daac.gsfc.nasa.gov/techlab/giovanni/网页上找到感兴趣的数据内容进入GIOVANNI某子站点, 选择使用内嵌Java或非Java版本的GIOVANNI选取时空范围, 选取地球物理参数, 确定输出格式, 从而得到ASCII码数据源文件以进行后期处理, 或经过分析的如表 1或表 2所列不同类型的图像结果。在执行在线绘图命令时用户还可以选择不同的颜色设置、图像分辨率, 在线浏览认为比较满意后直接下载图像结果。在线绘图处理的时间与所选定的参数时空范围有关, 大多数任务都能在几秒钟以内完成。GIOVANNI网上论坛地址为http://disc.gsfc.nasa.gov/user_forum.shtm。

近些年来GIOVANNI多次在美国地球物理协会会议AGU (American Geophysical Union) 上成为关注的焦点。虽然目前GIOVANNI还具有一定局限性, 如涵盖的数据内容有限、对绝大多数GIOVANNI系统而言仅限于格点化资料 (目前仅OMI, MLS和A-Train涉及到幅级资料)、实时更新尚未实现 (时间滞后性一般约半个月, Beta版TRMM资料约3~6 h)、生成的图像分辨率较粗等。GIOVANNI设计和开发团队在改善上述问题的同时, 还致力于发展多参数互相比较功能、多个格点上多种仪器智能化综合分析能力、对适用于地理信息系统GIS数据输出格式如GeoTIFF提供全面支持、提供质量控制码以说明由资料缺失引起的误差信息、开发“我自己的GIOVANNI”即个性化的、根据用户的意图和目的由用户进行自行设计/设置的EOS系统资料在线分析和可视化系统等。

致谢 美国国家宇航和航天局Goddard地球科学数据和信息服务中心毛建平博士对本文提出了很多宝贵意见, 特此致谢。