从比鞋盒还小的雷达仪器到牛奶盒大小的辐射计，如今科学家们可用于观测复杂地球系统的工具比以往任何时候都要多。但是，如此丰富的可用传感器也带来了独特的挑战：研究人员如何才能以最有效的方式组织这些不同的仪器，用于实地活动和科学任务？美国国家航空航天局的 OSSE 工具有助于规划动态地球观测任务，该工具具有成本估算功能，并能够纳入不同类型的星载传感器。

为了帮助研究人员最大限度地提高科学任务的价值，马里兰大学土木与环境工程系副教授巴特-福曼（Bart Forman）与来自史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（NASA's Goddard Space Flight Center）的研究人员组成的团队，设计了一个观测系统模拟实验（OSSE）原型，用于设计专门监测陆地淡水储存的科学任务。

"现在我们有不同类型的传感器，雷达、辐射计、激光雷达……每一种都在测量电磁波谱的不同组成部分，"马里兰大学土木与环境工程系副教授 Bart Forman 说。"不同的观测结果具有不同的优势。"

利用美国国家航空航天局重力恢复与气候实验卫星（GRACE）的数据绘制的淡水积累（蓝色）和流失（红色）地图。一项新的观测系统模拟实验（OSSE）将帮助研究人员设计专门用于监测陆地淡水储存的科学任务。资料来源：美国国家航空航天局

动态系统观测

陆地淡水储量描述了淡水在地球积雪、土壤水分、植被冠层、地表水蓄水池和地下水中分布的综合总和。这是一个动态系统，与传统的静态科学观测系统不同。

Forman的项目以他在地球科学技术办公室（ESTO）早期项目中取得的技术进步为基础，在该项目中，他开发了用于绘制陆地积雪地图的观测系统模拟实验。

该项目还在很大程度上依赖于美国国家航空航天局（NASA）的陆地信息系统（LIS）和美国国家航空航天局（NASA）的星座设计贸易空间分析工具（TAT-C）所开创的创新技术。

Forman的工具将这些建模程序整合到一个新系统中，为研究人员提供了一个可定制的平台，用于规划动态观测任务，其中包括各种空间数据集。

此外，Forman 的工具还包括一个"从美元到科学"的成本估算工具，使研究人员能够评估与拟议任务相关的财务风险。所有这些功能加在一起，为科学家提供了将观测、数据同化、不确定性估计和物理模型联系在一个单一的综合框架内的能力。

Forman解释说："我们正在使用一个陆地表面模型，并试图将其与不同的雪地、土壤湿度和地下水天基测量数据相结合，以确定是否有一个最佳组合能让我们的科学投入产生最大效益。"

共同努力

虽然这种工具并不是第一个专门用于科学任务设计的信息系统，但它确实包含了许多新颖的功能。特别是，它能够整合来自空间被动光学辐射计、被动微波辐射计和雷达源的观测数据，标志着一项重大的技术进步。

Forman 解释说，虽然这些淡水间接观测数据包含了量化淡水的宝贵信息，但它们也各自包含了独特的误差特征，必须与陆地表面模型仔细整合，才能提供科学家最关心的地球物理变量的估计值。软件还将 LIS 和 TAT-C 结合在一个软件框架内，扩展了这两个系统的功能，为全球陆地水文提供了卓越的描述。这在事实上强调了拥有一支由地球科学界和建模界专家组成的大型多元化团队的重要性。

Forman和他的团队创建了一个观测系统模拟实验，能够将动态天基观测纳入任务规划模型，他们希望未来的研究人员能够在他们的工作基础上创建一个更好的任务建模程序。

例如，团队专注于为现有传感器生成任务计划，但他们软件的扩展版本可以帮助研究人员确定如何使用未来的传感器来收集新数据。

该项目由美国宇航局地球科学技术办公室（ESTO）下属的美国宇航局先进信息系统技术（AIST）计划资助。

编译自/scitechdaily