從比鞋盒還小的雷達儀器到牛奶盒大小的輻射計，如今科學家可用於觀測複雜地球系統的工具比以往任何時候都要多。但是，如此豐富的可用感測器也帶來了獨特的挑戰：研究人員如何以最有效的方式組織這些不同的儀器，用於實地活動和科學任務？美國國家航空暨太空總署的OSSE 工具有助於規劃動態地球觀測任務，該工具具有成本估算功能，並能夠納入不同類型的星載感測器。

為了幫助研究人員最大限度地提高科學任務的價值，馬裡蘭大學土木與環境工程系副教授巴特-福曼（Bart Forman）與來自史蒂文斯理工學院（Stevens Institute of Technology）和美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心（NASA’s Goddard Space Flight Center）的研究人員組成的團隊，設計了一個觀測系統模擬實驗（OSSE）原型，用於設計專門監測陸地淡水儲存的科學任務。

“現在我們有不同類型的感測器，雷達、輻射計、雷射雷達…每一種都在測量電磁波譜的不同組成部分，”馬裡蘭大學土木與環境工程系副教授Bart Forman 說。 “不同的觀測結果有不同的優勢。”

利用美國國家航空暨太空總署重力恢復與氣候實驗衛星（GRACE）的資料繪製的淡水累積（藍色）和流失（紅色）地圖。一項新的觀測系統模擬實驗（OSSE）將幫助研究人員設計專門用於監測陸地淡水儲存的科學任務。資料來源：美國國家航空暨太空總署

動態系統觀測

陸地淡水儲量描述了淡水在地球積雪、土壤水分、植被冠層、地表水蓄水池和地下水中分佈的綜合總和。這是一個動態系統，與傳統的靜態科學觀測系統不同。

Forman的專案以他在地球科學技術辦公室（ESTO）早期專案中取得的技術進步為基礎，在該專案中，他開發了用於繪製陸地積雪地圖的觀測系統模擬實驗。

該計畫也很大程度上依賴美國國家航空暨太空總署（NASA）的陸地資訊系統（LIS）和美國國家航空暨太空總署（NASA）的星座設計貿易空間分析工具（TAT-C）所開創的創新技術。

Forman的工具將這些建模程式整合到一個新系統中，為研究人員提供了一個可自訂的平台，用於規劃動態觀測任務，其中包括各種空間資料集。

此外，Forman 的工具還包括一個”從美元到科學”的成本估算工具，使研究人員能夠評估與擬議任務相關的財務風險。所有這些功能加在一起，為科學家提供了將觀測、資料同化、不確定性估計和物理模型連結在單一的綜合框架內的能力。

Forman解釋說：”我們正在使用一個陸地表面模型，並試圖將其與不同的雪地、土壤濕度和地下水天基測量數據相結合，以確定是否有一個最佳組合能讓我們的科學投入產生最大效益。”

共同努力

雖然這種工具並不是第一個專門用於科學任務設計的資訊系統，但它確實包含了許多新穎的功能。特別是，它能夠整合來自太空被動光學輻射計、被動微波輻射計和雷達源的觀測數據，標誌著一項重大的技術進步。

Forman 解釋說，雖然這些淡水間接觀測數據包含了量化淡水的寶貴信息，但它們也各自包含了獨特的誤差特徵，必須與陸地表面模型仔細整合，才能提供科學家最關心的地球物理變量的估計值。軟體也將LIS 和TAT-C 結合在一個軟體框架內，擴展了這兩個系統的功能，為全球陸地水文提供了卓越的描述。這在事實上強調了擁有一支由地球科學界和建模界專家組成的大型多元化團隊的重要性。

Forman和他的團隊創建了一個觀測系統模擬實驗，能夠將動態天基觀測納入任務規劃模型，他們希望未來的研究人員能夠在他們的工作基礎上創建一個更好的任務建模程式。

例如，團隊專注於為現有感測器產生任務計劃，但他們軟體的擴展版本可以幫助研究人員確定如何使用未來的感測器來收集新數據。

該計畫由美國太空總署地球科學技術辦公室（ESTO）下屬的美國太空總署先進資訊系統技術（AIST）計畫資助。

編譯自/ scitechdaily