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

1、第四章第四章衛(wèi)星觀測儀器和觀測要素及分辨率衛(wèi)星觀測儀器和觀測要素及分辨率一、衛(wèi)星觀測儀器一、衛(wèi)星觀測儀器二、衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強處理二、衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強處理掌握重點：衛(wèi)星觀測的空間分辨率、灰度（或溫度）分辨率和時間分辨率的概念及其相互關系、衛(wèi)星云圖的增強處理方式 衛(wèi)星觀測儀器衛(wèi)星觀測儀器掃描儀掃描儀光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)探測器探測器信號處理和信號輸出系統(tǒng)信號處理和信號輸出系統(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遞收集轉遞系統(tǒng)系統(tǒng)輻射輻射/光光電轉換系電轉換系統(tǒng)統(tǒng)電信號處電信號處理和發(fā)送理和發(fā)送系統(tǒng)系統(tǒng)掃描掃描觀測觀測驅動驅動裝置裝置輻射能收輻射能收集的光學集的光學系統(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輻射感應輻射能，并將能，并將輻射能轉輻射能轉換為電信換為電信號。分量號。分量子、熱探子、熱探測器兩種測器兩種對探測對探測器信號器信號進行放進行放大、模大、模/數(shù)轉數(shù)轉換等處換等處理理將處理將處理好的信好的信號發(fā)送號發(fā)送給天線給天線或記錄或記錄到存儲到存儲設備中設備中 第一節(jié)第一節(jié) 衛(wèi)星觀測儀器衛(wèi)星觀測儀器 一、一、 衛(wèi)星探測分辨率衛(wèi)星探測分辨率表示衛(wèi)星探測的分辨率有三種表示衛(wèi)星探測的分辨率有三種：空間分辨率、灰度分辨率和時間分辨率空間分辨率、灰度分辨率和時間分辨率。1、空間分辨率、空間分辨率：衛(wèi)星能分辨兩個物體的最短距離；距離越短，分衛(wèi)星能

3、分辨兩個物體的最短距離；距離越短，分辨率越高。空間分辨率以由衛(wèi)星觀測到的地球最辨率越高。空間分辨率以由衛(wèi)星觀測到的地球最小面積（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) 瞬時視場瞬時視場IFOV - 波束寬度波束寬度2) 地面瞬時視場地面瞬時視場GIFOV =2h*tanIFOV/2h*IFOV - 星下點分辨率星下點分辨率衛(wèi)星衛(wèi)星高度高度h h地面光學系統(tǒng)瞬時視瞬時視場場IFOVIFOV地面瞬時視場地面瞬時視場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)星的高度有關衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的高度有關，衛(wèi)星的高，衛(wèi)星的高度越高，在同樣的瞬時視角（瞬時視

4、場）下，觀度越高，在同樣的瞬時視角（瞬時視場）下，觀測面積增大，空間分辨率下降。測面積增大，空間分辨率下降。對于實際使用的衛(wèi)星云圖的分辨率與衛(wèi)星探測分對于實際使用的衛(wèi)星云圖的分辨率與衛(wèi)星探測分辨率是有區(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)星的探測分辨率；如果衛(wèi)星云圖分辨率等于衛(wèi)衛(wèi)星的探測分辨率；如果衛(wèi)星云圖分辨率等于衛(wèi)星探測分辨率，則稱該云圖為星探測分辨率，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

5、的地面分辨率衛(wèi)星斜視時的地面分辨率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)星觀測衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的視角有關：衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的視角有關：圖別分辨率種類可見光紅外普通云圖（美國）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風云二號B云圖（中國）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，相鄰兩個像素內(nèi)的目標物的在紅外或可見光云圖上，相鄰兩個像素內(nèi)的目標物的溫度或反照率有差異并達到一定數(shù)值時，如果這兩個像素溫度或反照率有差異并達到一定數(shù)值時，如果這兩個像素區(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物本身的溫度有關，如目標物的溫度為辨率還與目標物本身的溫度有關，如目標物的溫度為300K300K時，溫度分辨率為時，溫度分辨率為0.3K0.3K，而當目標物溫度為，而當目標物溫度為185K185K時，溫度時，溫度分辨率分辨率1.4K1.4K。 3、時間分辨率：、時間分辨率： 指衛(wèi)星對同一地區(qū)觀測的時間間隔。如極軌衛(wèi)星每指衛(wèi)星對同一地區(qū)觀測的時間間隔。如極軌衛(wèi)星每12小時對全球觀測一次，靜止衛(wèi)星則每半小時對某一固定區(qū)小時對全球觀測一次，靜止衛(wèi)星則每半小時對某一固定區(qū)域進行一次觀測

8、。域進行一次觀測。4、幾種分辨率之間的關系（相互制約）：、幾種分辨率之間的關系（相互制約）：1）低的空間分辨率（較大瞬時視場）可以有較好的灰度）低的空間分辨率（較大瞬時視場）可以有較好的灰度分辨率或溫度分辨率和時間分辨率；分辨率或溫度分辨率和時間分辨率；2）當儀器的瞬時視場和靈敏度一定時，溫度分辨率和儀）當儀器的瞬時視場和靈敏度一定時，溫度分辨率和儀器的掃描速度有關，掃描速度慢，對目標物的停留時間較器的掃描速度有關，掃描速度慢，對目標物的停留時間較長，則能接收更多的輻射能，從而具有較高的溫度分辨率。長，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)星對地的掃描方式大致有四種衛(wèi)星對地的掃描方式大致有四種： 1）單個探測器線掃描單個探測器線掃描 ：在垂直于軌道的方向的掃描由擺動在垂直于軌道的方向的掃描由擺動鏡來回擺動完成；同時依靠衛(wèi)星在軌道上的運動實現(xiàn)軌道方向鏡來回擺動完成；同時依靠衛(wèi)星在軌道上的運動實現(xiàn)軌道方向的掃描。（圖的掃描。（圖4-6a） 2）多探測器掃描多探測器掃描：在軌道方向并列多個探測器，在垂直軌在軌道方向并列多個探測器，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）線性陣列探測器前推

10、式掃描線性陣列探測器前推式掃描：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器，構成探測器陣列，依靠衛(wèi)星向前運動，對地掃描。系列探測器，構成探測器陣列，依靠衛(wèi)星向前運動，對地掃描。（圖（圖4-6c） 4) 圓錐掃描圓錐掃描：掃描鏡繞垂直軸旋轉，在地面形成圓錐與地掃描鏡繞垂直軸旋轉，在地面形成圓錐與地球相截的掃描線。這鐘掃描的特點是觀測方向與目標物天頂方球相截的掃描線。這鐘掃描的特點是觀測方向與目標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)單個探測器線掃描單個探測器線掃描(b)多探測器掃描多探測器掃描衛(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)線性陣列探測器前推式掃描線性陣列探測器前推式掃描(d)圓錐掃描圓錐掃描 三、三、 極軌衛(wèi)星的觀測儀器極軌衛(wèi)星的觀測儀器 1 1）先進的甚高分辨率輻射計（先進的甚高分辨率輻射計（AVHRR-AVHRR-最多最多6 6通道）通道）：觀測陸地表、海洋、觀測陸地表、海洋、云和氣溶膠等信息。云和氣溶膠等信息。側重于大氣的側重于大氣的水平結構探測。水平結構探測。2 2）高分辨紅外探測器：（高分辨紅外探測器：（HIRS-2HIRS-2）：相對：相對AVHRRAVHRR而言，而言，HIRS-2HIRS-2有更多的觀測通道，但空間分辨率低，用于大氣的垂有更多的

12、觀測通道，但空間分辨率低，用于大氣的垂直探測。（通道位置直探測。（通道位置-P154-P154：表：表4-44-4） 3 3）先進的微波探測裝置（先進的微波探測裝置（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；，用于水汽探測； 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：是地球觀測系統(tǒng)（測系統(tǒng)（EOS-EOS-由美國、加拿大、歐洲空間局和日本共由美國、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)星星探探測測器器主主要要任任務務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 （計 （ 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）、污染測量儀（）、污染測量儀（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)測全球環(huán)境監(jiān)測EOSPM干涉紅外線探測器、改進的微波探測儀、溫度計、干涉紅外線探測器、改進的微波探測儀、溫度計、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)測全球環(huán)境監(jiān)測EOSColor（水色）（水色）SeaWIFS(海洋寬視場探測器海洋寬視場探測器)全球海洋水色監(jiān)測全球海洋水色監(jiān)測EOSAero（氣溶膠）

15、（氣溶膠）57傾角，平流層氣溶膠實驗（傾角，平流層氣溶膠實驗（SAGE）全球氣溶膠監(jiān)測全球氣溶膠監(jiān)測EOSALT（測高）（測高）高度計、地球科學激光測距系統(tǒng)高度計、地球科學激光測距系統(tǒng)GPS地球科學儀地球科學儀（GGI）海面海面/海冰海冰/陸地拓樸陸地拓樸EOSChem(化學化學)Stick散射計、對流層輻射光譜儀、高分辨動態(tài)分散射計、對流層輻射光譜儀、高分辨動態(tài)分層探測器、層探測器、SAGE器器全球大氣化學成份監(jiān)測全球大氣化學成份監(jiān)測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)分辨率分辨率應應用用SSM/T-專

16、用微波測溫儀DMSP-5DF4 50GHZ （7） 204Km大氣層垂直溫度測量SSM/T2-專用微波測濕儀DMSP F-12、14、15 183.3 GHZ （5） 50100Km測量大氣中水汽、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洋面風速、陸表濕度、水汽含水量、冰雪覆蓋、云中含水量和降水強度等SSMIS-專用成像探測儀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METOP、EOS85.5 GHZ （6）1-1.5K溫度 四、四、 靜止衛(wèi)星觀測儀器靜止衛(wèi)星觀測儀器 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）掃描鏡掃描鏡次級鏡次級鏡初初級級鏡鏡光導纖維光光見見倍倍增增管管定標遮板補償透鏡濾光器地球靜止衛(wèi)星觀測地球靜止衛(wèi)星觀測依靠衛(wèi)星自轉從西向東對地球張角 20全圓面掃描自北向南掃描鏡對地球張角 20步進掃描，計2500步，需時25分鐘4個備用可見光瞬時視場4個可見光視場（0.035mrx 0.035mr）紅外視場（0.14mrx0.14mr）備用紅外視場北南掃描方向（東）39rad140rad在用紅外視場備用紅外視場+140rad35rad4個備用可見光視場4個在用可見光視場4rad31rad35rad140rad14

18、0rad1050rad可見光紅外自旋輻射計（可見光紅外自旋輻射計（VISSR）掃描和視場配置）掃描和視場配置VIS：1000，13376，1.25km IR：2500，6688， 5kmVISSR觀測種類及資料處理觀測種類及資料處理 1、觀測方式、觀測方式 （1）定時觀測：30分鐘；1小時；3小時 （2）連續(xù)觀測 （3）特殊觀測 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VISSR校正；進 行圖象變換、圖象參數(shù)。 （2）圖象預處理：消除畸變、加網(wǎng)格、坐標變換；亮度 或灰度變換。

19、 2 2）VISSRVISSR大氣探測器（大氣探測器（VASVAS）； 3 3）GOES-IGOES-IMM圖像儀圖像儀； 4 4）GOES-IGOES-I探測儀探測儀 第二節(jié)第二節(jié) 衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強處理衛(wèi)星云圖的圖像表示和增強處理目的：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突出某些感興趣的目標手段：光學、手段：光學、 電子模擬、電子模擬、 數(shù)字處理數(shù)字處理內(nèi)容：復原、內(nèi)容：復原、 幾何校正、增強、統(tǒng)計分析、分幾何校正、增強、統(tǒng)計分析、分類識別類識別 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)字化可看成對地表云圖的空間位置數(shù)字化可看成對地表的采樣，而強度（色調(diào)）的數(shù)字化可看成灰度被分成若的采樣，而強度（色調(diào)）的數(shù)字化可看成灰度被分成若干等級的量化。如果圖像灰度的空間分布以干等級的量化。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)星云圖的增強處理：對灰度或輻射值進行處理，通對灰度或輻射值進行處理，通過灰度變化，將人眼不能發(fā)現(xiàn)的目標物細微結構清楚地表過灰度變化，將人眼不能發(fā)現(xiàn)的目標物細微結構清楚地表示出來。示出來。 1）反差增強：-又稱對比度增強，即人為使原來灰度又稱對比度增強，即人為使原來灰度差異較小的像素點的灰度差異擴大，使黑的更黑，白的更差異較小的像素點的灰度差異擴大，使黑的更黑，白的更白。（白。（1 1）灰度的線性擴展（）灰度的線性擴展（P19