NASA数据集——北美地区一个标准参考网格系统，覆盖整个研究区域，并延伸至北美东部

摘要

北极-北方脆弱性实验（ABoVE）开发了两种标准化空间数据产品，以加快研究活动的协调，促进数据的互操作性。ABoVE 研究域包括美国阿拉斯加的北极和北方地区，以及北美加拿大的西部省份。在该域内指定了核心和扩展研究区域，并以矢量表示法（Shapefile）、栅格表示法（空间分辨率为 1,000 米的 GeoTIFF）和 NetCDF 文件的形式提供。已开发出一个标准参考网格系统，覆盖整个研究区域，并延伸至北美东部。该参考网格以嵌套多边形网格的形式提供，空间分辨率分别为 240 米、30 米和 5 米。5 米网格是第 2 版中新增的网格。请注意，所有 ABoVE 产品的指定标准投影是加拿大阿尔伯斯等面积投影。 该数据集包含五个数据文件：(1) 一个形状文件（压缩为 .zip），包含核心研究区和扩展研究区的矢量图；(2) 一个形状文件（压缩为 .zip），包含 240 米、30 米和 5 米空间分辨率的嵌套标准参考网格；(3) 以 .kmz 格式提供的网格数据；(4) 一个形状文件（压缩为 .zip），包含核心研究区和扩展研究区的矢量图。kmz 格式的网格数据；(4) 一个以 1,000 米像素分辨率表示核心研究区和扩展研究区的栅格的 GeoTIFF 文件；(5) 一个核心研究区和扩展研究区的 NetCDF 文件，供国际陆地模型基准 (ILAMB) 建模环境使用。

ABoVE 空间数据产品--显示核心研究区和扩展研究区的研究域，以及显示嵌套的 240 米、30 米和 5 米平铺方案的标准参考网格。左图：样本瓦片 Bh002v003（紫色）在较大的 A 网格（粗体）和较小的 B 网格中的位置。右图样本瓦片 Ch014v020 在较大的两个网格中的位置。

北极-北方脆弱性实验（ABoVE）是美国国家航空航天局（NASA）陆地生态计划的一项实地活动，于2016年至2021年期间在阿拉斯加和加拿大西部进行。ABoVE 的研究将基于实地的过程级研究与机载和卫星传感器获得的地理空间数据产品联系起来，为提高分析和建模能力奠定了基础，而分析和建模能力是了解和预测生态系统反应及社会影响所必需的。

ABoVE 研究域包括美国阿拉斯加的北极和北方地区以及北美加拿大西部省份。在该领域内指定了核心研究区和扩展研究区。核心区包括一系列地貌，其中有一些地区因全球尺度的气候变化和区域尺度的干扰而正在以复杂的方式快速变化，而另一些地区则没有。 这种组合将有助于对脆弱性和恢复力进行研究。需要在核心区域之外的扩展区域对这些区域特有的重要变化进行研究（例如，南寒带森林的昆虫爆发和森林衰退）。扩展区域为研究环境条件被认为是核心区域环境条件的先决条件提供了更多机会，也为合作伙伴赞助的研究提供了合作机会。

ABoVE 研究区域的面积超过 6.3 x 106 平方公里。在 ABoVE 活动中，将通过实地测量、通量塔、机载遥感器和卫星遥感数据生成许多专题数据产品。这些数据集在分辨率、格式、地理范围、投影和/或参考系统方面有很大差异。

标准化的参考网格和投影将使研究人员能够识别、调整和细分数据产品，以促进数据集的归档和分发（既用于数据的长期归档，也用于整个活动期间的近期使用），并简化 ABoVE 内部科学分析的数据标准化工作。

数据特征

空间覆盖范围： 北美洲北方和苔原地区 - 涵盖阿拉斯加全境和加拿大所有省份

空间分辨率： 不同

时间覆盖范围：2014-01-01 至 2023-04-20

时间分辨率 不适用

研究区域：所有经纬度均以十进制度表示

数据文件信息

与该数据集一起分发的还有五个数据文件：(1) 一个 shapefile（压缩为 .zip），包含核心研究区和扩展研究区的矢量图；(2) 一个 shapefile（压缩为 .zip），包含 240 米、30 米和 5 米空间分辨率的嵌套标准参考网格；(3) 以 .kmz 格式提供的网格数据；(4) 一个 GeoTIFF 文件，以 1,000 米像素分辨率栅格表示核心研究区和扩展研究区；(5) 一个 NetCDF 文件，包含核心研究区和扩展研究区的矢量图。kmz 格式的网格数据；(4) 一个以 1,000 米像素分辨率表示核心研究区和扩展研究区的栅格的 GeoTIFF 文件；(5) 一个包含核心研究区和扩展研究区的 NetCDF 文件，供 ILAMB 建模环境使用。

文件名和说明

数据文件中的属性和变量

形状文件 ABoVE_Study_Domain.shp 中的属性

ABoVE_240m_30m_5m_grid_tiles.shp 和 ABoVE_240m_30m_5m_grid_tiles.kmz 文件中的属性

栅格文件 ABoVE_Study_Domain.tif 中的变量

ABoVE_Study_Domain_ILAMB.nc 文件中的变量

属性参考属性

GeoTIFF 文件和形状文件采用 ABoVE 标准投影。

投影地理坐标参考： GCS_North_American_1983 投影：阿尔伯斯等面积圆锥

加拿大阿尔伯斯等面积圆锥投影系统和参数：

WKID (EPSG): 102001 Authority：ESRI 投影：阿尔伯斯等面积圆锥投影 False_East：0.0 假北纬: 0.0 中央经线：-96.0 标准平行线_1: 50.0 标准平行线 2: 70.0 原点纬度: 40.0 线性单位：米 (1.0)

地理坐标系统：GCS_North_American_1983GCS_North_American_1983 角度单位： 度度（0.0174532925199433） 本初子午线： 格林威治 (0.0)格林威治 (0.0) 基准： 北美洲 1983 年 球面全球定位系统：1980 半主轴： 6378137.0 半主轴： 6356752.314140356 反扁平: 298.257222101

空间数据属性：栅格文件 - GeoTIFF ABoVE_Study_Domain.tif

空间表示类型： 栅格栅格 像素深度：8 位 像素类型：字节 波段数1 波段信息：ABoVE 研究域 栅格格式： GeoTIFFGeoTIFF 无数据值：127 比例因子：无 偏移：无

列数：无4,022 柱分辨率： 1,000 米1,000 米 行数3,565 行分辨率1,000 米

项目坐标系中的范围 北纬4562535.093300 南： 997535.093300 西： -3398274.762900 东： 623725.237100

XLL 角： -3398274.762900 YLL 角： 997535.093300 单元格几何图形：区域 像素中的点：中心

NetCDF 文件 - ABoVE_Study_Domain_ILAMB.nc

基准： WGS 1984 空间分辨率： 半度

应用与推导 ABoVE 研究领域

ABoVE 研究领域的核心区和扩展区提供了开展研究的机会，以解决关键的研究问题和目标，了解环境变化如何导致整个北美洲西部北极和北方地区的社会生态系统发生变化。

研究领域的核心区域捕捉到了研究解决 ABoVE 第二层科学问题和目标所需的地表和大气条件的区域尺度变化。核心区域包括一系列地貌，其中既有因全球尺度的气候变化和区域尺度的干扰而正在以复杂的方式快速变化的区域，也有未发生变化的区域--这种组合将有助于对脆弱性和恢复力进行研究。 研究领域还包括核心区域之外的扩展区域，需要对这些区域独有的重要变化进行研究（例如，南寒带森林的昆虫爆发和森林衰退）。扩展区域为研究被认为是核心区域环境条件前身的环境条件提供了更多机会，也为合作伙伴赞助的研究提供了合作机会。 ABoVE 参考网格

ABoVE 野外活动将为扩大和协调一系列重点突出的跨学科研究活动提供机会，这些活动旨在进一步了解北美洲西部北极和北方地区社会生态系统变化的原因和后果。预计这项活动将开发多个地理空间数据集。为了促进数据的互操作性，已经提出了一个覆盖 ABoVE 研究领域的标准投影和参考网格。

专题数据产品将从实地测量、通量塔、机载遥感器和卫星遥感数据中生成。这些数据集在分辨率、格式、地理范围、投影和/或参考系 统方面差异很大。ABoVE 数据集的这种差异性可能会给研究人员带来相当大的负担，因为他们需要对输入的数据集进行标准化，以支持地理空间分析，从而导致使用这些产品的研究小组之间的工作重复。这种重复工作将继续蔓延，因为各研究小组的科学分析成果需要随后进行标准化，以支持将其进一步纳入 ABoVE 科学项目。

实施标准投影和网格使数据生产者能够调整和细分数据产品，以便于数据集的归档和分发（既用于数据的长期归档，也用于整个活动期间的近期使用），并简化了 ABoVE 内部科学分析的数据标准化。多个数据集之间的这种兼容性有利于数据集在科学分析中的互操作性，也是标准化投影和参考网格的一个重要优势。

此外，预计许多数据产品将使用中高分辨率（30 米空间分辨率或更低）图像生成，因此数据量太大，无法作为覆盖整个研究区域的单一文件分发给用户。投影提供了一种机制来确保产品在几何上的兼容性，而参考网格则提供了一种标准化的方法来将文件分成便于研究人员下载和操作的单元。

范围大于 100 X 100 平方公里的 ABoVE 栅格数据集将以这种栅格和投影方式制作（这大致是一个 Landsat 瓦片）。我们认识到，在分辨率非常高的情况下，原始数据的重新投影可能会导致小物体在方向、位置和形状上发生重大的特殊偏移；因此，我们鼓励 ABoVE 科学小组成员在提交其精细比例数据集时，除了采用 ABoVE 网格格式外，还采用原始投影格式（如果其数据集的范围大于或等于 10,000 平方公里），如果数据集的范围小于 10,000 平方公里，则仅采用原始投影格式。

参考网格命名规则

参考网格命名规则仿照 MODIS 网格，使用从左上角开始的水平偏移（h）和垂直偏移（v）来描述瓦片。例如，在左图 1-A（显示大网格）中，左上角的瓦片称为 "h000v000"，右下角的瓦片称为 "h005v003"。右图 1-B 显示了嵌套在大网格内的小网格。每个大方格内都嵌套有一系列小方格。大网格称为 "A"，中网格称为 "B"，小网格称为 "C"。

A 网格

ABoVE.water.2001001.Ah000v000.001.2014075120101.hdf

其中

ABoVE - 指活动

水 - 指产品 ID 或类型

2001001 - 指数据参考日期

Ah000v000 - 指 "A "或更大网格中左上方的瓦片（图 1 左侧）

001 - 指产品版本

2014075120101 - 是产品的生产日期

对于 B 网格

ABoVE.water.2001001.Bh002v003.001.2014075120101.hdf

其中：

ABoVE - 指活动

水 - 指产品 ID 或类型

2001001 - 指数据参考日期

Bh002v003 - 指 "B "或中等网格中的紫色瓦片（图 1，右侧）

001 - 指产品版本

2014075120101 - 是产品的生产日期

对于 C 网格

ABoVE.water.2001001.Ch014v020.001.2014075120101.hdf

其中：

ABoVE - 指活动

水 - 指产品 ID 或类型

2001001 - 指数据参考日期

Ch014v020 - 指 "C "或精细网格中的绿色瓦片（图 1，右侧）

001 - 指产品版本

2014075120101 - 是产品的生产日期

三位数字标识符

为简化下游处理，建议所有产品的所有网格瓦标识符都使用三位数标识符（即 Ch014v020 而不是 h14v20），以方便以后的分析脚本编写。

数据获取、材料和方法 ABoVE 参考网格主要适用于为研究域衍生的基于栅格的产品（但不适用于环北极数据集）。该网格被设计为覆盖整个研究域，并延伸至北美东部地区（见图 1），以适应任何研究大陆尺度过程的产品。该网格类似于 MODIS 的平铺方案，是一组嵌套网格，空间分辨率分别为 240 米、30 米和 5 米，这样 MODIS、Landsat 和超高空间分辨率 (VHR) 数据的产品就可以在网格内兼容。当分辨率变粗时，通过从一种网格分辨率切换到另一种网格分辨率，可以很容易地扩展到 1 米到 10 公里的产品。

参考网格嵌套方案和网格之间的转换

嵌套方案提供了一种标准化的直接平铺模式，其中每个较大的平铺都由较小网格系统中 6 x 6（36）个较小的平铺组成。例如，粗分辨率 A 网格的单个瓦片包含 6 x 6（36）个 B 网格的瓦片。 同样，B 网格的每个瓦片包含 6 x 6 (36) 个 C 网格的瓦片。可以通过简单的计算在不同分辨率之间进行转换。例如

要找到给定的 C 网格瓦片 Ch036v012 在 B 网格中的位置，瓦片编号的水平（h036）和垂直（v012）部分应除以 6：

floor(36/6)=6，floor(12/6=2)（"floor "是一个数学函数，可将浮点数值截断为整数，而无需四舍五入）

因此，在 Bh006v002 中可以找到 Ch036v012。用类似的方法，将 h 和 v 分量除以 36，就可以确定 C 网格瓦片在 A 网格中的位置：

floor(36/36) = 1 和 floor(12/36) = 0

因此，Ch036v012 位于 Ah001v000 中。从 B 网格转换到 A 网格与从 C 网格转换到 B 网格的方法相同，只需将 h 和 v 除以 6 即可。

给定 Bh010v008：

floor(10/6) = 1 和 floor(8/6) =1

因此，Bh010v008 位于 Ah001v001 中。这种简单的平移方法有助于分析需要使用不同空间分辨率的多个产品的情况。

ABoVE：研究域和标准参考网格 ABoVE 参考网格和投影方法以 MODIS 标准产品为模型。下面列出了在确定投影和网格时所使用的假设：

虽然投影适用于多种数据类型，但网格将主要用于在研究领域内制作的栅格产品（不包括环极数据集）。 为了提供数据产品的面积计算，我们需要等面积投影的数据。 产品的空间分辨率可从精细（1 - 5 米）到粗略（250 米或以上）不等。 30 米将是中心空间分辨率。 栅格数据用户可以轻松下载 300 MB 大小的文件。 ILAMB ABoVE 研究领域

用于 ILAMB 的 ABoVE 研究域数据文件（ABoVE_Study_Domain_ILAMB.nc）由 Renato Braghiere、Joshua Fisher 及其由 ABoVE 资助的研究项目提供。详见 Braghiere 等人 (2023)。

代码

!pip install leafmap
!pip install pandas
!pip install folium
!pip install matplotlib
!pip install mapclassify
 
import pandas as pd
import leafmap
 
url = "https://github.com/opengeos/NASA-Earth-Data/raw/main/nasa_earth_data.tsv"
df = pd.read_csv(url, sep="\t")
df
 
leafmap.nasa_data_login()
 
 
results, gdf = leafmap.nasa_data_search(
    short_name="ABoVE_reference_grid_v2_1527",
    cloud_hosted=True,
    bounding_box=(-180.0, -90.0, 180.0, 90.0),
    temporal=("2014-01-01", "2023-04-20"),
    count=-1,  # use -1 to return all datasets
    return_gdf=True,
)
 
 
gdf.explore()
 
#leafmap.nasa_data_download(results[:5], out_dir="data")

数据版本

引用

Loboda, T.V., and M.L. Carroll. 2023. ABoVE: Study Domain and Standard Reference Grids, Version 2. ORNL DAAC, Oak Ridge, Tennessee, USA. ABoVE: Study Domain and Standard Reference Grids, Version 2, https://doi.org/10.3334/ORNLDAAC/1527