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1、风云卫星数据和产品应用手册第1章 概述1.1 FY-3A卫星概况风云三号A气象卫星（简称FY-3A）是我国的第二代太阳同步极轨气象卫星。风云三号气象卫星将实现全球、全天候、多光谱、三维、定量对地观测。风云三号星发射总质量为2450kg，发射尺寸：4.38m2m2m，卫星长期功耗1130W。卫星本体由服务舱、推进舱与有效载荷舱组成。服务舱采用中心承力筒和隔板结构，主要安装电源、测控、数管及姿轨控分系统的部件和设备、推进舱采用中心承筒和隔板结构，主要安装推进系统设备以及蓄电池组和放电调节器。有效载荷舱隔板和构架结构，主要安装探测仪器的探测头部，舱内主要安装探测仪器的电子设备等。风云三号A卫星有十一
2、台遥感探测仪器。遥感数据通过两个实时传输信道（HRPT和MPT）和一个延时传输信道（DPT）进行传输。风云三号A卫星设计寿命为3年。1.2 主要技术指标1.2.1 卫星轨道轨道类型：近极地太阳同步轨道轨道标称高度：831公里轨道倾角：98.81入轨精度：半长轴偏差： |a|5公里 轨道倾角偏差：|i|0.1 轨道偏心率 0.003标称轨道回归周期为5.79天轨道保持偏心率：0.00013交点地方时漂移：2年小于15分钟卫星发射窗口：降交点地方时10:05 1.2.2 卫星姿态姿态稳定方式：三轴稳定三轴指向精度：0.3三轴测量精度：0.05三轴姿态稳定度：410-3 /s1.2.3 太阳帆板对日
3、定向跟踪1.2.4 星上记时记时方式：J2000日计数和日毫秒计数记时单位：1毫秒时间精度(星地总精度):小于20毫秒1.2.5 遥感探测仪器性能指标 1.2.5.1 可见光红外扫描辐射计(VIRR)(1)通道数、各通道波段范围、灵敏度见表1-1。(2)空间分辨率：星下点分辨率1.1Km(3)扫描范围：55.4(4)扫描器转速：6线/秒(5)每条扫描线采样点数：2048(6)MTF0.3(7)通道配准：飞行方向/扫描方向星下点配准精度0.5个像元(8)扫描抖动：0.8个IFOV(9)通道信号衰减：15%/2年(10)量化等级：10比特(11)定标精度：可见光和近红外通道：CH1、2、7、8、9
4、 7%(反射率)CH6、10 10%(反射率)红外通道：1k(270k)。表1-1 可见光红外扫描辐射计光谱性能通道波段范围(m)噪声等效反射率(%)噪声等效温差(300k)动态范围(或k)10.58-0.680.1%0-100%20.84-0.890.1%0-100%33.55-3.930.4k180-350k410.3-11.30.2k180-330k511.5-12.50.2k 180-330k61.55-1.640.15%0-90%70.43-0.480.05%0-50%80.48-0.530.05%0-50%90.53-0.580.05%0-50%101.325-1.3950.19%
5、0-90%1.2.5.2 红外分光计（IRAS）(1)仪器通道光谱参数 (2)仪器通道灵敏度 (3)定标精度 (4)探测像元地面分辨率 (5)通道间配准 (6)仪器通道动态范围(7)黑体温度(8)辐射校准周期、量化等级等性能指标(9)其他遥测特征参数(10)仪器性能参数稳定性分析(11)产品示例表1-2 红外分光计性能仪 器 性 能要 求对地扫描张角49.5每条线扫描点数56地面视场17km(836km高度，星下点)步进和测量时间100ms行扫描时间和回扫时间6.4s辐射校准暖黑体温度290K冷空间温度3K红外定标精度1K(270K)可见光定标精度5%反射率(CH21-CH24 7%，争取6%
6、) (CH25-CH26 10%，争取9%)通道间配准精度5%像元辐射校准周期256s量化等级13比特表1-3 红外分光计光谱通道特征通道序号中心波数(cm-1)中心波长(m)半功率带宽(cm-1)主要吸收气体成份最高温度(K)NEN(mW/m2.sr.cm-1)贡献最大层(hPa)123456766968069070371673374914.9514.7114.4914.2213.9713.6413.353101216161616CO2CO2CO2CO2CO2CO2/H2OCO2/H2O2802652502602752903004.000.800.600.350.320.360.303060
7、100400600800900880212.4730大气窗区3300.20地表990011.1135大气窗区3300.15地表1010309.7125O32800.20251113457.4350H2O3300.238001213136515337.336.524055H2OH2O2852750.300.307005001415161721882210223522454.574.524.474.4523232323N2ON2OCO2/N2OCO2/N2O3102902802660.010.010.010.0110009507004001823884.1925CO23200.01大气192025
8、1526603.983.7635100大气窗区大气窗区3403400.010.002地表地表21145000.691000大气窗区100%A0.10%A云22112990.885385大气窗区100%A0.10%A地表23106380.94550H2O100%A0.10%A地表24106380.94200H2O100%A0.10%A地表2580651.24650H2O100%A0.10%A地表2660981.64450H2O100%A0.10%A地表1.2.5.3 微波温度计（MWTS）（1）仪器通道中心频率 （2）仪器通道频率宽度 （3）仪器通道主波率效率（4）通道间配准精度 （5）通道频率
9、稳定度（6）通道灵敏度（7）动态范围 （8）冷空计数值（9）黑体PRT温度变化分析（10）定标精度 （11）与国外同类产品的相互比较微波温度计仪器参数和通道参数主要技术指标具体见表1-4和表1-5。表1-4 仪器参数参 数指 标对地扫描张角48.3对地观测15个点/每条扫描线扫描步进角6.9水平分辨率*5075公里(836km高度，星下点)星上校正黑体2个(暖黑体、外层冷空间)通道间配准精度波束指向误差0.1(* 波束宽度的公差为其标称值的10%。) 考核指标：小于0.2每条扫描线扫描时间16秒频率稳定度优于10-4量化等级13比特表1-5 光谱通道技术指标通道序号中心频率(GHz)主要吸收气
10、体带宽(MHz)NET(k)天线波束效率(%)动态范围(K)定标精度（不含NET）(K)150.30窗区18010%0.55903-3401.2253.5960.115O2（2170）10%0.4903-3401.2354.94O240010%0.4903-3401.2457.290O233010%0.4903-3401.21.2.5.4 微波湿度计（MWHS）（1）对地扫描张角（2）扫描带宽度（3）对地观测（4）通道间配准精度（5）扫描周期（6）量化等级（7）定标精度（8）灵敏度（9）动态范围（10）星下点像元水平尺度（11）通道频率特性（12）黑体温度均匀性（13）天线扫描时序（14）定标
11、观测数据特性（15）在轨频率干扰（16）产品应用示例微波湿度计仪器参数和通道参数主要技术指标具体见表1-6和表1-7。表1-6 仪器参数参 数指 标对地扫描张角53.35扫描带宽度约2700公里对地观测98个点/每条扫描线水平分辨率*约15公里(836km高度，星下点)星上校正黑体2个(暖黑体、外层冷空间)通道间配准精度波束指向误差0.1扫描周期2.667秒量化等级14比特仪器定标精度1.5K(不含NET)表1-7 光谱通道技术指标通道序号中心频率(GHz)主要吸收气体单边带宽(MHz)NET(k)频率稳定度(MHz)天线波束效率接收机工作方式动态范围(K)1150(V)窗区100010%1.
12、15093% 双边带3-3402150(H)窗区100010%1.15093% 双边带3-3403183.311H2O50010%1.23095%双边带3-3404183.313H2O100010%1.13095%双边带3-3405183.317H2O200010%1.23095%双边带3-3401.2.5.5 中分辨率光谱成像仪（MERSI）（1）光谱通道选择和性能要求见表1-8（2）量化等级：12比特（3）扫描范围：（55.10.05）度 （4）扫描器转速：40转/分（5）扫描抖动：小于1 IFOV（1公里） （6）每条扫描线采样点数：2048(1000米)，8192(250米)（7）波长
13、定位精度：优于光谱带宽的10%（8）通道间像元配准：0.3个像元（9）饱和恢复：6个像元(1000米)24个像元(250米)（10）MTF：0.27(1000米)0.25(250米)（11）进行星上可见光、红外定标(可见光定标为试验)（12）定标精度：可见光和近红外通道： CH1-4，6-14：7%(反射率) CH15-20：10%(反射率) 红外通道：1k(270k)（13）同一通道,不同像元响应的不均匀性：5-7%(通过遥控注数修正后的结果)表1-8 中分辨率光谱成像仪通道性能要求通道序号中心波长(微米)光谱带宽(微米)空间分辨率(米)噪声等效反射率(%)、温差(300K)动态范围(最大反
14、射率、最大温度K)10.4700.052500.45100%20.5500.052500.4100%30.6500.052500.4100%40.8650.052500.45100%511.252.52500.54 K330k60.4120.0210000.180%70.4430.0210000.180%80.4900.0210000.0580%90.5200.0210000.0580%100.5650.0210000.0580%110.6500.0210000.0580%120.6850.0210000.0580%130.7650.0210000.0580%140.8650.0210000.
15、0580%150.9050.0210000.1090%160.9400.0210000.1090%170.9800.0210000.1090%181.0300.0210000.1090%191.6400.0510000.0890%202.1300.0510000.0790%1.2.5.6 微波成像仪（MWRI）微波成像仪通道特性列于表1-9。表1-9 微波成像仪通道特性频率(GHz)10.6518.723.836.589极化V.HV.HV.HV.HV.H带宽(MHz)18020040090022300灵敏度(k)0.61.01.0 1.0 2.0定标精度(k)1.22.02.02.02.8动态
16、范围(k)3340采样点数240量化等级12比特主波束效率90%地面分辨率(kmkm)5185305027451830915通道间配准波束指向误差0.1扫描方式圆锥扫描幅宽(Km)1400天线视角()450.1扫描周期(s)1.70.1扫描周期误差(ms)0.34ms(相邻扫描线)、1ms(连续30分钟内)1.2.5.7 紫外臭氧垂直探测仪（SBUS）1.通道光谱参数 2.通道信噪比3.仪器线性度4.慢反射板双向反射特性5.定标精度 6.动态范围7.产品示例8.功能测试：包括通过命令注入的方式控制观测模式的运行以及改变观测模式的运行参数。光谱波段及扫描方式如下所述:(1)大气模式在250340
17、nm间选定12个通道探测大气臭氧的垂直分布，其光谱特性见表1-10。表1-10 大气模式的仪器光谱特性通道中心波长(nm)带宽(nm)1252.000.051+0.2，-02273.620.051+0.2，-03283.100.051+0.2，-04287.700.051+0.2，-05292.290.051+0.2，-06297.590.051+0.2，-07301.970.051+0.2，-08305.870.051+0.2，-09312.570.051+0.2，-010317.560.051+0.2，-011331.260.051+0.2，-012339.890.051+0.2，-0云盖
18、光度计379.001.003+0.3(2)太阳模式在光谱波段160400nm进行连续扫描，步长为0.07nm，观测太阳光谱辐照度。波长重复性：0.02nm波长精度：0.03nm(臭氧特征线) 0.05nm(连续光谱)动态范围：106(从最小量化信号到最大量化信号，量化等级16bit/档)灵敏度：亮度：610-4w/cm2srnm(=252nm)时，S/N30 (第一颗星)S/N5照度：0.5W/cm3(=160nm)时，S/N2杂散光：4.5X10-6量级辐亮、辐照度相对定标精度:3%(160250nm) 2%(250400nm)漫反射板定标精度：3%星下点分辨率：约200Km波长监测：星上用
19、253.7nmHg线进行波长监测，在该谱线上的监测点数目视仪器的光谱响应形状确定，如为三角形，可取五点。星上应监测仪器的增益和漫反射板反射率的变化，并通过遥测发送到地面。1.2.5.8 紫外臭氧总量探测仪（TOU）(1)光谱波段：臭氧总量探测仪为一个六通道分光光度计，其通道的光谱特性见表1-1。表1-11 仪器的光谱特性通道中心波长(nm)带宽(nm)1308.680.151+0.3，-02312.590.151+0.3，-03317.610.151+0.3，-04322.400.151+0.3，-05331.310.151+0.3，-06360.110.251+0.3，-0(2)动态范围：1
20、04，详见表1-12表1-12 动态范围通道中心波长(nm)探测最小亮度（mW/cm2.nm.sr）探测最大亮度（mW/cm2.nm.sr）308.680.0099.878 312.590.00913.684317.610.02717.424322.400.03618.26 331.310.10830.525360.110.20734.683(3)灵敏度：0.004w/cm2srnm(S/N=1)(4)扫描范围：垂直于卫星轨道的平面内作空间扫描，在天底方向两侧各取样15个点，天底一个点，共31个取样点。(5)行扫描时间：8.16秒(6)相对定标精度：辐亮、辐照度2%；光谱0.03nm(7)漫反
21、射板定标精度：3%(8)量化等级：12比特(放大器分3档)(9)杂散光：10-3(10)星下点分辨率： 优于55km (11)星上应作波长监测和漫反射板反射率监测，并通过遥测发送到地面。1.2.5.9 太阳辐射监测仪（SIM）(1)辐照度测量范围：1001400W/m2(2)光谱范围：0.250m(3)测量灵敏度：0.2Wm-2(4)定标精度：0.5%(5)2年长期稳定度：0.02%(6)量化等级：16比特1.2.5.10 地球辐射探测仪（ERM）ERM在轨测试的主要项目及技术指标如下：(1)辐亮度范围 短波通道：0-370Wm-2Sr-1，全波通道：0-500 Wm-2Sr-1。(2)定标精
22、度 短波通道：1%；全波通道：0.8% (3)灵敏度 短波通道：0.4 Wm-2Sr-1；全波通道：0.4 Wm-2Sr-1。(4) 2年的长期稳定度小于1 %。(5)产品示例 选择ERM扫描视场、GERB的Level2（大气顶辐射通量）在同一区域、时间相近产品显示，比较，分析产品偏差。(6)仪器指向误差1.2.5.11 空间环境监测仪（SEM）空间重离子成分和高能质子能谱。(1)高能质子能道表1-13 高能质子能谱探测主要指标通道质子能谱能量范围1P13.05.0 MeV2P25.010 MeV3P31026 MeV4P42640 MeV5P540100 MeV6P6100300 MeV(2
23、)重离子能道表1-14 重离子探测主要指标通道探测重离子能量范围1He12110 MeV2Li, Be, B24220 MeV3C, N, O, F, Ne, Na60570 MeV4Mg, Al, Si, P, S, Cl0.21.2 GeV5Ar, K, Ca, Sc, Ti0.32.0 GeV6Fe0.52.0 GeV第2章 术语和缩略语本文档中常用的缩略语如下表所示。其中，产品的缩略语将用于相关软件成分的命名与标识。表 2-1 缩略语表风云三号应用系统工程技术系统名称中文英文缩写数据接收系统Data Aqurization SystemDAS运行控制系统Operation & Cont
24、rol SystemOCS数据预处理系统Data PreProcessing SystemDP2S产品生成系统Products Generation SystemPGS监测分析服务系统Analysis & Service SystemASS产品质量检验系统Quality Control SystemQCS计算机及网络系统Computer & Network SystemCNS数据存档与检索服务系统Archival & Retrieval Service SystemARS2应用示范系统Users Demonstration SystemUDS仿真与技术支持系统Simulation & Tech
25、nique Support SystemSTS2有效载荷飞机试验系统PayLoad Airplane SystemPAS表 2-2 缩略语表风云三号遥感仪器名称中文英文缩写扫描辐射计Visible and InfraRed RadiometerVIRR红外分光计InfraRed Atmospheric SounderIRAS中分辨率光谱成像仪Medium Resolution Spectral ImagerMERSI微波温度计MicroWave Temperature SounderMWTS微波湿度计MicroWave Humidity SounderMWHS微波成像仪MicroWave Ra
26、diation ImagerMWRI地球辐射探测仪Earth Radiation MeasurementERM太阳辐射监测仪Solar Irradiation MonitorSIM紫外臭氧总量探测仪Total Ozone UnitTOU紫外臭氧垂直探测仪Solar Backscatter Ultraviolet SounderSBUS空间环境监测器Space Environment MonitorSEM表 2-3 缩略语表数据及产品名称英文中文缩略MEdium resolution Spectral Picture Transmission风云三号中分辨图像传输MPTHigh Resoluti
27、on Picture Transmission风云三号高分辨图像传输HRPTDelayed Picture Transmission风云三号延时图像传输DPTOrbital Elements轨道根数ORBSatellite Orbit Decision卫星轨道计算SODCALibration Parameters定标参数CALCLoud Detection云检测结果CLDSEGment Cluster Dataset段气候数据集SEGCLoud Classification云分类结果CLCCloud Analysis云分析参数CLACloud Total Amount云总量CTAAtmosph
28、eric Motion Vectors大气运动矢量AMVPRecipitation Estimation 降水估计PREPRecipitation Index降水指数PRITemperature Blackbody Equivalent相当黑体温度TBBOutgoing Long wave Radiation出射长波辐射OLRHumidity ProFile derived from Cloud Analysis用云分析出的湿度廓线HPFTotal Precipitation Water for Clear Sky晴空大气可降水TPWUpper Troposphere Humidity对流层上
29、部湿度UTHFOG Detection浓雾自动分析FOGProducts from Energy Water Balance System能量水份平衡系统EWBSea Surface Temperature海表温度SSTSea ICE海冰ICEDuST Storm Monitoring沙尘监测产品DSTFLooD Monitoring水情监测产品FLDFIRe Monitoring火情监测产品FIRSoil Moisture地表土壤含水量SOLTropical Cyclone Location & Intensity Information热带气旋卫星定位TCLImage MOSaic拼图MO
30、SSNoW Cover积雪SNWSurface Solar Irradiance 地面入射太阳辐射SSINormalized Derived Vegetation Index归一化植被指数NVISatellite and Ground Equipment STatUs卫星和地面设备工况STUImage Acquisition System 图像获取系统IASISCCP Data SetISCCP数据集IDSCoded Telemetry 编码遥测TMCAnalog Telemetry 模拟遥测TMASensor Alignment Parameters图像通道配准参数SAPProduct Cu
31、stomized Tailor产品定制处理PCTProduct Personation Processing产品替代处理PPPTelemetry and Tele-Command遥测和遥控TTC表2- 4 缩略语表数据及产品格式英文中文缩写Advanced Weather-satellite eXchange format9210分发及PGS中间数据集数据格式（V2.0）AWXHierarchical Data Format分层数据格式（V5.1.4）HDFJoint Picture Expert Group联合压缩文件格式JPGBit Mapping Picture位图格式BMP第3章 HD
32、F说明3.1 HDF简介HDF（Hierarchical Data Format）是用于存储和分发科学数据的一种自我描述、多对象文件格式。HDF是由美国国家超级计算应用中心（NCSA）创建的，以满足不同群体的科学家在不同工程项目领域之需要。HDF被设计为： 自述性：对于一个HDF文件里的每一个数据对象，有关于该数据的综合信息（元数据）。在没有任何外部信息的情况下，HDF允许应用程序解释HDF文件的结构和内容。 通用性：许多数据类型都可以被嵌入在一个HDF文件里。例如，通过使用合适的HDF数据结构，符号、数字和图形数据可以同时存储在一个HDF文件里。 灵活性：HDF允许用户把相关的数据对象组合在
33、一起，放到一个分层结构中，向数据对象添加描述和标签。它还允许用户把科学数据放到多个HDF文件里。 扩展性：HDF极易容纳将来新增加的数据模式，容易与其他标准格式兼容。 跨平台性：HDF是一个与平台无关的文件格式。HDF文件无需任何转换就可以在不同平台上使用。HDF是存储科学数据的容器，能够存储图像、多维数组、表格等，强调存储和I/O效率。HDF在国际科学界和产业界得到广泛支持。HDF是一个开放式的数据格式，针对不断出现的新应用，HDF也在不断的升级。HDF新的版本支持网络化环境下的资料服务应用需求，目前已经有大量基于Internet的HDF数据文件发布和应用程序（如JVH等）。更重要的是，这种
34、升级与应用软件的编制是无关的，保证了程序和数据的向上兼容性。3.2 HDF库介绍NCSA 提供了各类UNIX平台、Windows平台的HDF库。并且提供的语言接口有FORTRAN和C语言，也有用于Java 程序员访问HDF文件的Java HDF接口程序。3.3 HDF的6种基本数据类型HDF提供6种基本数据类型：光栅图像（Raster Image），调色板（Palette），科学数据集（Scientific Data Set），注解（Annotation），虚拟数据（Vdata）和虚拟组（Vgroup）。所有的这6种基本数据类型由图3-1来阐明。图3-1 HDF数据类型 Raster Imag
35、e数据模型被设计成能为光栅图像数据的存储和描述提供一个灵活的方法，包括8比特和24比特光栅图像。 Palette作为颜色查找表提供图像的色谱。它是一个表格，其表中每列的数字表示特定颜色的数字。 Scientific Data Set模型是用来存储和描述科学数据的多维数组。 Vdata模式是用来存储和描述数据表格的结构。 HDF的Annotations是文本字符串，用来描述HDF文件，或HDF文件包含的HDF数据对象。 Vgroup结构模型被设计为与相关数据对象有关。一个Vgroup可以包含另一个Vgroup以及数据对象。任何HDF对象都可以包含在一个Vgroup中。HDF库为每一个数据模型提供
36、一个应用编程接口。3.4 HDF文件的3层交互HDF文件可以在几个交互层次中可视。在最底层，HDF是一个存储科学数据的物理文件格式。在它的最高层，HDF是集工具和应用于一体的数据文件，可以对HDF文件中的数据进行修改、显示和分析。在这两个层次之间，HDF是一个能提供高层和底层编程接口的软件库。图3-2为这些接口层的示意图。图3-2 HDF文件的3层交互基本接口层，或称为底层的应用编程接口（API），是为软件开发者保留的。它是为数据流的直接文件I/O、错误处理、内存管理和物理存储而设计的。它是一个为有经验的HDF程序员提供的软件工具。比较目前从高层接口得到的功能，通过使用这些基本接口层，HDF程
37、序员创建HDF文件时能够做更多的事。底层接口例程只提供C语言。HDF APIs（HDF应用编程接口）分为两类：多文档接口（用于新版本）和单文档接口（用于旧版本）。多文档接口是提供从一个应用中同时连接几个HDF文件的接口，这点很重要，但单文档接口并不支持这点。用户在开发新的接口和界面时，必须提醒他们是在一个改进了的新接口版本下开发的。为了向上兼容，旧版本仍然保留。HDF APIs包含几个独立的例程集，每个例程集是专门为简化一种数据类型的存储处理而设计的。这些接口在图1d中作为单文件和多文件层。尽管每个接口都要求程序调用，但所有底层细节都可以忽略。大多数情况下，只须在正确的时间调用正确的函数，剩下
38、的事就由接口程序处理。多数HDF接口例程都有FORTRAN-77和C语言。也有用于Java 程序员访问HDF文件的Java HDF接口程序。第4章 FY-3卫星数据HDF格式规范4.1 FY-3卫星数据文件中使用的HDF对象4.1.1 文件（全局）属性 文件属性又称全局属性。HDF 除了描述每一个科学数据对象SDS的特征外，也在总体上描述文件的内容。FY-3卫星数据文件（全局）属性记录了扫描时间、轨道参数、扫描线数和仪器状态等信息。4.1.2 科学数据集（SDS）在科学数据集中保存的是探测数据、定位数据、定标数据等信息。科学数据集有一些属性参数，可以对数据对象进行自我描述。 图 4-1 是科学
39、数据集对象的组成结构。必要属性 可选属性科学数据集（SDS） 名称数据的维数数据类型预定义属性 标签, 填充值等用户定义属性坐标缩放比例图4-1 科学数据集（SDS）的必选属性和可选属性示意图。科学数据集（SDS）：是多维结构的数据。左边是必选属性，右边是可选属性 。必要属性：描述科学数据集（SDS）所需要的最少信息。l 名称： 该科学数据集具有唯一性的标识名称。l 数据类型： 数据存储类型（如, float 32）l 数据维数：描述数据各维的大小。 可选属性：l 预定义属性：补充描述以下信息。 各维及数据的标记 数据的单位（units）： 值域（Valid_range）： 填充值（_FillValue） 用于解释或显示数据的坐标系 l 用户定义属性MODIS 1B产品用这类属性（不同于类似的预定义属性）指明定标缩放比例和偏移量。l 坐标缩放比例在解释和显示数据时使用的各维的缩放比例4.1.3 虚拟数据 (VDATA) 虚拟数据（Vdata） 是有固定数据域的表格，FY-3数据文件中可以使用Vdata保存每一扫描线的附加信息。图 4-2 是其结构示意图。Vdata 的名称Vdata的类别数据域_1数据域
