《衛(wèi)星氣象學(xué)》課件：衛(wèi)星-第四章：觀測(cè)儀器、要素及分辨率

1、第四章第四章衛(wèi)星觀測(cè)儀器和觀測(cè)要素及分辨率衛(wèi)星觀測(cè)儀器和觀測(cè)要素及分辨率一、衛(wèi)星觀測(cè)儀器一、衛(wèi)星觀測(cè)儀器二、衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強(qiáng)處理二、衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強(qiáng)處理掌握重點(diǎn)：衛(wèi)星觀測(cè)的空間分辨率、灰度（或溫度）分辨率和時(shí)間分辨率的概念及其相互關(guān)系、衛(wèi)星云圖的增強(qiáng)處理方式 衛(wèi)星觀測(cè)儀器衛(wèi)星觀測(cè)儀器掃描儀掃描儀光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器探測(cè)器信號(hào)處理和信號(hào)輸出系統(tǒng)信號(hào)處理和信號(hào)輸出系統(tǒng)輻射信輻射信息采集息采集系統(tǒng)系統(tǒng)輻射信息輻射信息收集轉(zhuǎn)遞收集轉(zhuǎn)遞系統(tǒng)系統(tǒng)輻射輻射/光光電轉(zhuǎn)換系電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)統(tǒng)電信號(hào)處電信號(hào)處理和發(fā)送理和發(fā)送系統(tǒng)系統(tǒng)掃描掃描觀測(cè)觀測(cè)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置裝置輻射能收輻射能收集的光學(xué)集的光學(xué)系統(tǒng)，

2、包系統(tǒng)，包括：光柵括：光柵，聚焦裝，聚焦裝置等置等感應(yīng)輻射感應(yīng)輻射能，并將能，并將輻射能轉(zhuǎn)輻射能轉(zhuǎn)換為電信換為電信號(hào)。分量號(hào)。分量子、熱探子、熱探測(cè)器兩種測(cè)器兩種對(duì)探測(cè)對(duì)探測(cè)器信號(hào)器信號(hào)進(jìn)行放進(jìn)行放大、模大、模/數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換等處換等處理理將處理將處理好的信好的信號(hào)發(fā)送號(hào)發(fā)送給天線給天線或記錄或記錄到存儲(chǔ)到存儲(chǔ)設(shè)備中設(shè)備中 第一節(jié)第一節(jié) 衛(wèi)星觀測(cè)儀器衛(wèi)星觀測(cè)儀器 一、一、 衛(wèi)星探測(cè)分辨率衛(wèi)星探測(cè)分辨率表示衛(wèi)星探測(cè)的分辨率有三種表示衛(wèi)星探測(cè)的分辨率有三種：空間分辨率、灰度分辨率和時(shí)間分辨率空間分辨率、灰度分辨率和時(shí)間分辨率。1、空間分辨率、空間分辨率：衛(wèi)星能分辨兩個(gè)物體的最短距離；距離越短，分衛(wèi)星能

3、分辨兩個(gè)物體的最短距離；距離越短，分辨率越高?？臻g分辨率以由衛(wèi)星觀測(cè)到的地球最辨率越高?？臻g分辨率以由衛(wèi)星觀測(cè)到的地球最小面積（像素）的直徑表示，單位為小面積（像素）的直徑表示，單位為kmkm。1) 瞬時(shí)視場(chǎng)瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV - 波束寬度波束寬度2) 地面瞬時(shí)視場(chǎng)地面瞬時(shí)視場(chǎng)GIFOV =2h*tanIFOV/2h*IFOV - 星下點(diǎn)分辨率星下點(diǎn)分辨率衛(wèi)星衛(wèi)星高度高度h h地面光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視瞬時(shí)視場(chǎng)場(chǎng)IFOVIFOV地面瞬時(shí)視場(chǎng)地面瞬時(shí)視場(chǎng)GIFOV1.空間分辨率空間分辨率衛(wèi)星衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的高度有關(guān)衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的高度有關(guān)，衛(wèi)星的高，衛(wèi)星的高度越高，在同樣的瞬時(shí)視角（瞬時(shí)視

4、場(chǎng)）下，觀度越高，在同樣的瞬時(shí)視角（瞬時(shí)視場(chǎng)）下，觀測(cè)面積增大，空間分辨率下降。測(cè)面積增大，空間分辨率下降。對(duì)于實(shí)際使用的衛(wèi)星云圖的分辨率與衛(wèi)星探測(cè)分對(duì)于實(shí)際使用的衛(wèi)星云圖的分辨率與衛(wèi)星探測(cè)分辨率是有區(qū)別的，云圖上的分辨率取決于圖片上辨率是有區(qū)別的，云圖上的分辨率取決于圖片上的的掃描線的數(shù)目掃描線的數(shù)目。換言之，云圖的分辨率可低于。換言之，云圖的分辨率可低于衛(wèi)星的探測(cè)分辨率；如果衛(wèi)星云圖分辨率等于衛(wèi)衛(wèi)星的探測(cè)分辨率；如果衛(wèi)星云圖分辨率等于衛(wèi)星探測(cè)分辨率，則稱該云圖為星探測(cè)分辨率，則稱該云圖為原分辨率或全分辨原分辨率或全分辨率率云圖。云圖。 22022sinsin()RSShCOS3)衛(wèi)星斜視時(shí)

5、的地面分辨率衛(wèi)星斜視時(shí)的地面分辨率1sin ()sinRhR到衛(wèi)星視線到衛(wèi)星視線沿垂線方向沿垂線方向到衛(wèi)星視線和到衛(wèi)星視線和垂線成垂線成30度角度角到衛(wèi)星視線和到衛(wèi)星視線和垂線成垂線成45度角度角三種不同視角情況下的衛(wèi)星觀測(cè)衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的視角有關(guān)：衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的視角有關(guān)：圖別分辨率種類可見光紅外普通云圖（美國(guó)）3.2 km7.2 km甚高分辨率云圖（美）0.85 km0.85 km泰羅斯N云圖（美）4 km4 km流星云圖（前蘇聯(lián)）1.25 km15 km葵花云圖（日本，全景）2.5 km5 km葵花云圖（日本，區(qū)域）4 km7 km風(fēng)云二號(hào)B云圖（中國(guó)）1.25 km5

6、km各主要云圖的分辨率2、灰度分辨率或溫度分辨率、灰度分辨率或溫度分辨率： 在紅外或可見光云圖上，相鄰兩個(gè)像素內(nèi)的目標(biāo)物的在紅外或可見光云圖上，相鄰兩個(gè)像素內(nèi)的目標(biāo)物的溫度或反照率有差異并達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，如果這兩個(gè)像素溫度或反照率有差異并達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，如果這兩個(gè)像素區(qū)能被分辨，則能分辨的區(qū)能被分辨，則能分辨的最小溫度差或反照率差值最小溫度差或反照率差值稱為溫稱為溫度分辨率或灰度分辨率。度分辨率或灰度分辨率。 如果像素的溫度差越大，則越易區(qū)別它們，如在紅外如果像素的溫度差越大，則越易區(qū)別它們，如在紅外云圖上，卷云、積雨云與地面的溫差大，容易被區(qū)分，而云圖上，卷云、積雨云與地面的溫差大，容易被區(qū)

7、分，而低云與地面的溫差小，不易被區(qū)別；溫度分辨率或灰度分低云與地面的溫差小，不易被區(qū)別；溫度分辨率或灰度分辨率還與目標(biāo)物本身的溫度有關(guān)，如目標(biāo)物的溫度為辨率還與目標(biāo)物本身的溫度有關(guān)，如目標(biāo)物的溫度為300K300K時(shí)，溫度分辨率為時(shí)，溫度分辨率為0.3K0.3K，而當(dāng)目標(biāo)物溫度為，而當(dāng)目標(biāo)物溫度為185K185K時(shí)，溫度時(shí)，溫度分辨率分辨率1.4K1.4K。 3、時(shí)間分辨率：、時(shí)間分辨率： 指衛(wèi)星對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)的時(shí)間間隔。如極軌衛(wèi)星每指衛(wèi)星對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)的時(shí)間間隔。如極軌衛(wèi)星每12小時(shí)對(duì)全球觀測(cè)一次，靜止衛(wèi)星則每半小時(shí)對(duì)某一固定區(qū)小時(shí)對(duì)全球觀測(cè)一次，靜止衛(wèi)星則每半小時(shí)對(duì)某一固定區(qū)域進(jìn)行一次觀測(cè)

8、。域進(jìn)行一次觀測(cè)。4、幾種分辨率之間的關(guān)系（相互制約）：、幾種分辨率之間的關(guān)系（相互制約）：1）低的空間分辨率（較大瞬時(shí)視場(chǎng)）可以有較好的灰度）低的空間分辨率（較大瞬時(shí)視場(chǎng)）可以有較好的灰度分辨率或溫度分辨率和時(shí)間分辨率；分辨率或溫度分辨率和時(shí)間分辨率；2）當(dāng)儀器的瞬時(shí)視場(chǎng)和靈敏度一定時(shí)，溫度分辨率和儀）當(dāng)儀器的瞬時(shí)視場(chǎng)和靈敏度一定時(shí)，溫度分辨率和儀器的掃描速度有關(guān)，掃描速度慢，對(duì)目標(biāo)物的停留時(shí)間較器的掃描速度有關(guān)，掃描速度慢，對(duì)目標(biāo)物的停留時(shí)間較長(zhǎng)，則能接收更多的輻射能，從而具有較高的溫度分辨率。長(zhǎng)，則能接收更多的輻射能，從而具有較高的溫度分辨率。反之，則溫度分辨率降低反之，則溫度分辨率降低

9、。 二、二、 衛(wèi)星的空間掃描方式衛(wèi)星的空間掃描方式 衛(wèi)星對(duì)地的掃描方式大致有四種衛(wèi)星對(duì)地的掃描方式大致有四種： 1）單個(gè)探測(cè)器線掃描單個(gè)探測(cè)器線掃描 ：在垂直于軌道的方向的掃描由擺動(dòng)在垂直于軌道的方向的掃描由擺動(dòng)鏡來(lái)回?cái)[動(dòng)完成；同時(shí)依靠衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軌道方向鏡來(lái)回?cái)[動(dòng)完成；同時(shí)依靠衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軌道方向的掃描。（圖的掃描。（圖4-6a） 2）多探測(cè)器掃描多探測(cè)器掃描：在軌道方向并列多個(gè)探測(cè)器，在垂直軌在軌道方向并列多個(gè)探測(cè)器，在垂直軌道方向每掃描一次可得多條掃描線，從而提高空間分辨率。道方向每掃描一次可得多條掃描線，從而提高空間分辨率。（圖（圖4-6b） 3）線性陣列探測(cè)器前推

10、式掃描線性陣列探測(cè)器前推式掃描：在垂直軌道方向上放置一在垂直軌道方向上放置一系列探測(cè)器，構(gòu)成探測(cè)器陣列，依靠衛(wèi)星向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)地掃描。系列探測(cè)器，構(gòu)成探測(cè)器陣列，依靠衛(wèi)星向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)地掃描。（圖（圖4-6c） 4) 圓錐掃描圓錐掃描：掃描鏡繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，在地面形成圓錐與地掃描鏡繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，在地面形成圓錐與地球相截的掃描線。這鐘掃描的特點(diǎn)是觀測(cè)方向與目標(biāo)物天頂方球相截的掃描線。這鐘掃描的特點(diǎn)是觀測(cè)方向與目標(biāo)物天頂方向之間的角度始終一定。（圖向之間的角度始終一定。（圖4-6d） 衛(wèi)星的空間掃描方式衛(wèi)星的空間掃描方式(a)單個(gè)探測(cè)器線掃描單個(gè)探測(cè)器線掃描(b)多探測(cè)器掃描多探測(cè)器掃描衛(wèi)星軌道方向衛(wèi)星

11、軌道方向垂直軌道方向(c)(d) (b)(a)(C)線性陣列探測(cè)器前推式掃描線性陣列探測(cè)器前推式掃描(d)圓錐掃描圓錐掃描 三、三、 極軌衛(wèi)星的觀測(cè)儀器極軌衛(wèi)星的觀測(cè)儀器 1 1）先進(jìn)的甚高分辨率輻射計(jì)（先進(jìn)的甚高分辨率輻射計(jì)（AVHRR-AVHRR-最多最多6 6通道）通道）：觀測(cè)陸地表、海洋、觀測(cè)陸地表、海洋、云和氣溶膠等信息。云和氣溶膠等信息。側(cè)重于大氣的側(cè)重于大氣的水平結(jié)構(gòu)探測(cè)。水平結(jié)構(gòu)探測(cè)。2 2）高分辨紅外探測(cè)器：（高分辨紅外探測(cè)器：（HIRS-2HIRS-2）：相對(duì)：相對(duì)AVHRRAVHRR而言，而言，HIRS-2HIRS-2有更多的觀測(cè)通道，但空間分辨率低，用于大氣的垂有更多的

12、觀測(cè)通道，但空間分辨率低，用于大氣的垂直探測(cè)。（通道位置直探測(cè)。（通道位置-P154-P154：表：表4-44-4） 3 3）先進(jìn)的微波探測(cè)裝置（先進(jìn)的微波探測(cè)裝置（AMSUAMSUP155P155：通道位置）：通道位置）：AMSU-AAMSU-A，用于反演大氣垂直溫度廓線和云中液太水、，用于反演大氣垂直溫度廓線和云中液太水、大氣可降水；大氣可降水；AMSU-BAMSU-B，用于水汽探測(cè)；，用于水汽探測(cè)； 4 4）中分辨率成像輻射光譜儀（中分辨率成像輻射光譜儀（MODISMODIS）：是地球觀：是地球觀測(cè)系統(tǒng)（測(cè)系統(tǒng)（EOS-EOS-由美國(guó)、加拿大、歐洲空間局和日本共由美國(guó)、加拿大、歐洲空間局

13、和日本共同建立）的儀器，在同建立）的儀器，在NASANASA的的EOS-TerraEOS-Terra衛(wèi)星上，分衛(wèi)星上，分MODIS-NMODIS-N和和MODIS-TMODIS-T兩種光譜儀，監(jiān)視全球大氣水汽、兩種光譜儀，監(jiān)視全球大氣水汽、氣溶膠粒子和云的特性，以及地氣溶膠粒子和云的特性，以及地- -氣和海氣和海- -氣相互作用。氣相互作用。MODIS-NMODIS-N有有3636通道（通道（表表4-84-8，P157P157） 中分辨率圖象光譜儀（中分辨率圖象光譜儀（MODIS）衛(wèi)衛(wèi)星星探探測(cè)測(cè)器器主主要要任任務(wù)務(wù)EOSPM中分辨成像光譜儀（中分辨成像光譜儀（MODIS）、熱輻射反射輻射）、

14、熱輻射反射輻射計(jì) （計(jì) （ A S T E R ） 、 云 和 地 球 輻 射 能 量 系 統(tǒng)） 、 云 和 地 球 輻 射 能 量 系 統(tǒng)（CERES）、污染測(cè)量?jī)x（）、污染測(cè)量?jī)x（MOPITT）、多角度）、多角度成像光譜儀（成像光譜儀（MISR）全球環(huán)境監(jiān)測(cè)全球環(huán)境監(jiān)測(cè)EOSPM干涉紅外線探測(cè)器、改進(jìn)的微波探測(cè)儀、溫度計(jì)、干涉紅外線探測(cè)器、改進(jìn)的微波探測(cè)儀、溫度計(jì)、多頻微波成像儀、云輻射和多頻微波成像儀、云輻射和MODIS同上同上全球環(huán)境監(jiān)測(cè)全球環(huán)境監(jiān)測(cè)EOSColor（水色）（水色）SeaWIFS(海洋寬視場(chǎng)探測(cè)器海洋寬視場(chǎng)探測(cè)器)全球海洋水色監(jiān)測(cè)全球海洋水色監(jiān)測(cè)EOSAero（氣溶膠）

15、（氣溶膠）57傾角，平流層氣溶膠實(shí)驗(yàn)（傾角，平流層氣溶膠實(shí)驗(yàn)（SAGE）全球氣溶膠監(jiān)測(cè)全球氣溶膠監(jiān)測(cè)EOSALT（測(cè)高）（測(cè)高）高度計(jì)、地球科學(xué)激光測(cè)距系統(tǒng)高度計(jì)、地球科學(xué)激光測(cè)距系統(tǒng)GPS地球科學(xué)儀地球科學(xué)儀（GGI）海面海面/海冰海冰/陸地拓樸陸地拓樸EOSChem(化學(xué)化學(xué))Stick散射計(jì)、對(duì)流層輻射光譜儀、高分辨動(dòng)態(tài)分散射計(jì)、對(duì)流層輻射光譜儀、高分辨動(dòng)態(tài)分層探測(cè)器、層探測(cè)器、SAGE器器全球大氣化學(xué)成份監(jiān)測(cè)全球大氣化學(xué)成份監(jiān)測(cè)5 5） SSM/T、 SSM/T2、 SSM/I和和MIMR微波成像儀微波成像儀儀儀器器名名稱稱安裝星體安裝星體通道數(shù)通道數(shù)分辨率分辨率應(yīng)應(yīng)用用SSM/T-專

16、用微波測(cè)溫儀DMSP-5DF4 50GHZ （7） 204Km大氣層垂直溫度測(cè)量SSM/T2-專用微波測(cè)濕儀DMSP F-12、14、15 183.3 GHZ （5） 50100Km測(cè)量大氣中水汽、地表冰雪、海岸線、水等SSM/I-專用微波成像儀DMSP-5D F885.5 GHZ （7）1250Km洋面風(fēng)速、陸表濕度、水汽含水量、冰雪覆蓋、云中含水量和降水強(qiáng)度等SSMIS-專用成像探測(cè)儀DMSP-5D350300 MHZ2575Km地球表面和大氣、散射、反射輻射能MIRM多譜段微波輻射計(jì)METOP、EOS85.5 GHZ （6）1-1.5K溫度 四、四、 靜止衛(wèi)星觀測(cè)儀器靜止衛(wèi)星觀測(cè)儀器 1

17、 1）可見光紅外自旋可見光紅外自旋掃描輻射儀（掃描輻射儀（VISSRVISSR）掃描鏡掃描鏡次級(jí)鏡次級(jí)鏡初初級(jí)級(jí)鏡鏡光導(dǎo)纖維光光見見倍倍增增管管定標(biāo)遮板補(bǔ)償透鏡濾光器地球靜止衛(wèi)星觀測(cè)地球靜止衛(wèi)星觀測(cè)依靠衛(wèi)星自轉(zhuǎn)從西向東對(duì)地球張角 20全圓面掃描自北向南掃描鏡對(duì)地球張角 20步進(jìn)掃描，計(jì)2500步，需時(shí)25分鐘4個(gè)備用可見光瞬時(shí)視場(chǎng)4個(gè)可見光視場(chǎng)（0.035mrx 0.035mr）紅外視場(chǎng)（0.14mrx0.14mr）備用紅外視場(chǎng)北南掃描方向（東）39rad140rad在用紅外視場(chǎng)備用紅外視場(chǎng)+140rad35rad4個(gè)備用可見光視場(chǎng)4個(gè)在用可見光視場(chǎng)4rad31rad35rad140rad14

18、0rad1050rad可見光紅外自旋輻射計(jì)（可見光紅外自旋輻射計(jì)（VISSR）掃描和視場(chǎng)配置）掃描和視場(chǎng)配置VIS：1000，13376，1.25km IR：2500，6688， 5kmVISSR觀測(cè)種類及資料處理觀測(cè)種類及資料處理 1、觀測(cè)方式、觀測(cè)方式 （1）定時(shí)觀測(cè)：30分鐘；1小時(shí)；3小時(shí) （2）連續(xù)觀測(cè) （3）特殊觀測(cè) 2、掃描方式、掃描方式 （1）全幀掃描 （2）可變幀掃描 （3）單線變幀掃描 （4）快速正掃描 3、靜止衛(wèi)星資料的一次處理 （1）一次處理內(nèi)容：編制各種文件；對(duì)VISSR校正；進(jìn) 行圖象變換、圖象參數(shù)。 （2）圖象預(yù)處理：消除畸變、加網(wǎng)格、坐標(biāo)變換；亮度 或灰度變換。

19、 2 2）VISSRVISSR大氣探測(cè)器（大氣探測(cè)器（VASVAS）； 3 3）GOES-IGOES-IMM圖像儀圖像儀； 4 4）GOES-IGOES-I探測(cè)儀探測(cè)儀 第二節(jié)第二節(jié) 衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強(qiáng)處理衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強(qiáng)處理目的：特征信息的提取，模糊的圖像變清晰，目的：特征信息的提取，模糊的圖像變清晰，突出某些感興趣的目標(biāo)突出某些感興趣的目標(biāo)手段：光學(xué)、手段：光學(xué)、 電子模擬、電子模擬、 數(shù)字處理數(shù)字處理內(nèi)容：復(fù)原、內(nèi)容：復(fù)原、 幾何校正、增強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)分析、分幾何校正、增強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)分析、分類識(shí)別類識(shí)別 1、圖像的灰度表示：將圖像將圖像x x，y y處的輻射值處的輻射值B B（x x

20、，y y）以）以灰度灰度l l表示，則有表示，則有 式中式中 L Lminmin，L Lmaxmax 為圖像的灰度范圍，范圍越大，則圖為圖像的灰度范圍，范圍越大，則圖像的反差越大。一般令像的反差越大。一般令L Lminmin= =0 0（黑色），（黑色）， L Lmaxmax= =L L（白色）（白色）。 2、圖像的數(shù)字化：云圖的空間位置數(shù)字化可看成對(duì)地表云圖的空間位置數(shù)字化可看成對(duì)地表的采樣，而強(qiáng)度（色調(diào)）的數(shù)字化可看成灰度被分成若的采樣，而強(qiáng)度（色調(diào)）的數(shù)字化可看成灰度被分成若干等級(jí)的量化。如果圖像灰度的空間分布以干等級(jí)的量化。如果圖像灰度的空間分布以g g（x x，y y）表）表示。云圖

21、的空間采樣和量化有兩種方式：示。云圖的空間采樣和量化有兩種方式：1 1）均勻采樣和量化；）均勻采樣和量化；2 2）非均勻化采樣和量化。）非均勻化采樣和量化。maxminLlL 3、衛(wèi)星云圖的增強(qiáng)處理：對(duì)灰度或輻射值進(jìn)行處理，通對(duì)灰度或輻射值進(jìn)行處理，通過(guò)灰度變化，將人眼不能發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)物細(xì)微結(jié)構(gòu)清楚地表過(guò)灰度變化，將人眼不能發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)物細(xì)微結(jié)構(gòu)清楚地表示出來(lái)。示出來(lái)。 1）反差增強(qiáng)：-又稱對(duì)比度增強(qiáng)，即人為使原來(lái)灰度又稱對(duì)比度增強(qiáng)，即人為使原來(lái)灰度差異較小的像素點(diǎn)的灰度差異擴(kuò)大，使黑的更黑，白的更差異較小的像素點(diǎn)的灰度差異擴(kuò)大，使黑的更黑，白的更白。（白。（1 1）灰度的線性擴(kuò)展（）灰度的線性擴(kuò)展（P19