1、遙感技術在氣象監測領域的應用姓名：周信文 學號：201640100125 與傳統溫、壓、濕、風等常規觀測手段不同，遙感不僅是一項涉及觀測的技術，更是一門涉及綜合性探測的科學。遙感借助輻射測量技術，通過科學算法反演出能夠準確反映大氣、陸地和海洋狀態的各種物理和生態參量，使遙感技術在天氣氣候、大氣監測、災害監測等方面發揮了重大作用，并已經在重大氣象有關防災減災工作中得到驗證。概述2016/11/282資源與環境遙感目 錄1氣象衛星2氣象衛星應用領域3氣象遙感應用技術4結語2016/11/283資源與環境遙感1、氣象衛星 氣象衛星：從太空對地球及其大氣層進行氣象觀測的人造衛星。衛星所載各種氣象遙感器

2、，接收和測量地球及其大氣層的可見光、紅外和微波輻射，并將其轉換成電信號傳送給地面站。地面站將衛星傳來的電信號復原，繪制成各種云層、地表和海面圖片，再經進一步處理和計算，得出各種氣象資料。 氣象衛星觀測范圍廣，觀測次數多，觀測時效快，觀測數據質量高，不受自然條件和地域條件限制，它所提供的氣象信息已廣泛應用于日常氣象業務、環境監測、防災減災、大氣科學、海洋學和水文學的研究。2016/11/284資源與環境遙感1.1、氣象衛星分類 由于運行軌道的不同，氣象衛星可分為兩大類：極軌氣象衛星。飛行高度約為6001500千米，衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的交角，這樣的衛星每天在固定時間內經過同一地區

3、2次，因而每隔12小時就可獲得一份全球的氣象資料。同步氣象衛星。運行高度約35800千米，其軌道平面與地球的赤道平面相重合。5顆這樣的衛星就可形成覆蓋全球中、低緯度地區的觀測網。地球軌道太 陽衛星軌道春夏秋冬H=35860KmSN極軌衛星觀測靜止衛星觀測2016/11/285資源與環境遙感1.3、氣象衛星特點軌道（低軌和高軌）短周期重復觀測成像面積大資料來源連續、實時性強2016/11/287資源與環境遙感軌道（低軌和高軌）低軌就是近極低太陽同步軌道，簡稱極地軌道，軌道高度在800-1600km，南北繞地球運轉，對南北寬約2800km的帶狀地域進行觀察。高軌是指地球同步軌道，軌道高度在3600

4、0km左右，繞地球一周需要24小時，衛星公轉角速度與地球自轉角速度相同，相對于地球似乎固定與高空某一點，故稱地球同步衛星或靜止氣象衛星。3-4顆衛星形成空間監測網，對全球中低緯進行監測。2016/11/288資源與環境遙感資料來源連續氣象衛星獲得的遙感資料包括：可見光合紅外云圖等圖像資料；云量，云分布，大氣垂直溫度，大氣水汽含量，臭氧含量，云頂溫度，海面溫度等數據資料；太陽質子X射線的高空大氣物理參數等空間環境監測資料：以及對于圖像資料和數據資料等加工處理后的派生資料。由于氣象資料兼有通訊衛星的作用，利用氣象衛星上的數據收集系統（DCS）可以同時收集來自氣球飛機船舶海上漂浮站無人氣象站等的各種

5、資料，并轉發給地面專門的資料收集和處理中心。2016/11/2810資源與環境遙感1.4、氣象衛星發展歷程氣象衛星發展史20世紀60年代1970-19771978至今第一代氣象衛星第二代氣象衛星第三代氣象衛星2016/11/2811資源與環境遙感第一代氣象衛星第二代氣象衛星第三代氣象衛星（1）泰諾斯，電視和紅外輻射衛星。1960-1965年共收射了10顆。均為級軌衛星。（2）艾薩，即環境科學服務業務衛星。（3）云雨實驗氣象衛星。專用于進行新的觀測儀器的實驗，以及對船舶，浮標站等氣象觀測資料的收集方式進行實驗。（4）艾托斯，即應用技術實驗衛星，是靜止衛星。（1）ITOS-1，TIROS的改進型。

6、進一步發展了諾瓦業務衛星。（2）云雨氣象衛星仍在發展，同時發展了SMS、GOES等靜止衛星。（3）前蘇聯的“流星” 型氣象衛星，日本的對地靜止衛星，以及歐空局的Meteosat等發展起來，共同構成了全球氣象衛星系統。主要以NOAA系列為代表，每顆衛星壽命兩年左右，采用近極低太陽同步近圓形軌道，雙星系統，軌道高度分別是870KM和833KM，軌道傾角98.9度和98.7度，周期101.4min。2016/11/2812資源與環境遙感風云一號衛星 風云一號氣象衛星是中國研制的第一代極軌氣象衛星。風云一號氣象衛星共4顆，是中國的極軌氣象衛星系列，共發射了4顆，即FY-1A衛星，FY-1B衛星，FY-

7、1C衛星、FY-1D衛星。風FY-1A衛星和FY-1B衛星分別在1988年9月7日和1990年9月3日發射升空。風云一號C衛星在性能上作的較大改進，被列入世界氣象業務應用衛星的序列，風云一號D衛星從2000年開始正樣設計，于2002年5月15日在太原衛星發射中心用長征四號B火箭發射升空。2016/11/2814資源與環境遙感風云二號衛星 風云二號氣象衛星(FY-2)是我國自行研制的第一代地球同步軌道氣象衛星，與極地軌道氣象衛星相輔相成，構成我國氣象衛星應用體系。風云二號衛星由兩顆試驗衛星（FY-2A衛星、FY-2B衛星）和四顆業務衛星（FY-2C衛星、FY-2D衛星、FY-2E衛星、FY-2F

8、衛星）組成，作用是獲取白天可見光云圖、晝夜紅外云圖和水氣分布圖，進行天氣圖傳真廣播，收集氣象、水文和海洋等數據收集平臺的氣象監測數據，供國內外氣象資料利用站接收利用，監測太陽活動和衛星所處軌道的空間環境，為衛星工程和空間環境科學研究提供監測數據。2016/11/2815資源與環境遙感風云四號衛星 風云四號氣象衛星是我國第二代地球同步軌道氣象衛星，主要發展目標是：衛星姿態穩定方式為三軸穩定，提高觀測的時間分辨率和區域機動探測能力；提高掃描成像儀性能，以加強中小尺度天氣系統的監測能力；發展大氣垂直探測和微波探測，解決高軌三維遙感；發展極紫外和X射線太陽觀測，加強空間天氣監測預警。風云四號衛星計劃發

9、展光學和微波兩種類型的衛星。2016/11/2817資源與環境遙感2、氣象衛星應用領域遙感氣象衛星的主要應用領域2016/11/2818資源與環境遙感2.1、天氣氣候氣溫、降水 衛星可見光云圖可以監測熱帶氣旋以及云團的移動趨勢，一般白色表示太陽光反射強，灰黑的地方表示反射較弱。一般陸地表現為灰色，海洋表現為黑色，而冰雪和深厚云系覆蓋的地區一般呈白色。用紅外探測器可以計算各地晴空大氣溫度和濕度的鉛直分布。微波輻射儀，可以探測云上和云下的大氣溫度和濕度的分布，以及云中含水總量和雨強的分布.霧 遙感對大霧監測也非常有效，通過衛星遙感，實時監測各地霧情的變化，便于發出天氣預警和作出決策。利用衛星遙感監

10、測大霧具有及時、宏觀的明顯優勢。圖像紋理信息反映了圖像的灰度性質及其空間關系。通過對霧的成因、輻射特性、霧遙感基本原理的闡述，結合中國FY-1D美/國NOAA系列極軌衛星資料通道特點，分析霧的圖像紋理信息，并依據霧在可見光波段和中紅外波段與云類不同的光譜特性，選用不同的光譜通道進行大霧監測。2016/11/2819資源與環境遙感氣候變化 利用遙感技術可以對氣候變化因子進行有效監測，可以對大范圍區域進行氣候的異常監測，熱紅外遙感可以利用熱紅外探測器收集、記錄地物輻射的熱紅外輻射信息，并利用這種熱紅外信息來識別地物和反演地表參數（如溫度、發射率、濕度、熱慣量等），包括季節到年際氣候預測-提高瞬時短

11、期氣候異常變化的時間和空間預報準確性；長期氣候變化-決定長期氣候變化及其趨勢的機理和因素以及人類活動的影響研究。圖2-1 氣象衛星大霧監測圖2016/11/2820資源與環境遙感2.2、大氣監測氣溶膠 氣溶膠是液態或固態微粒在空氣中的懸浮體系。遙感可以對氣溶膠監測從而對氣候做分析，監測氣溶膠的厚度、濃度、成分、屬性等信息。氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽光反射到太空中，從而冷卻大氣，并會使大氣的能見度變壞另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，減少地面長波輻射的外逸，使大氣升溫。 衛星遙感氣溶膠的研究始于20世紀60年代，隨著新型衛星傳感器的不斷研制和發射成功

12、，越來越多的衛星傳感器開始適用于大氣氣溶膠的探測，也出現了多種實用氣溶膠遙感反演算法。圖2-1 全球氣溶膠分布圖2016/11/2821資源與環境遙感2.2、災害監測海冰 我國的渤海和黃海北部每年冬季都會發生結冰，結冰程度直接影響海上油氣資源的開發、交通運輸、港口海岸工程作業等。利用可見光和紅外通道資料，結合海冰的光譜特征，可以進行冰水識別和海冰信息提取，獲取海冰分布范圍、面積、冰型、密集度、外緣線等信息。地球兩極有將近3000萬平方公里的面積被海冰覆蓋，極低海冰監測隊極低海域的航道設計和海上航行安全保證非常重要。利用衛星的微波輻射計和散射計以及SAR數據，可以獲取極地區域海冰分布和變化情況。

13、凌汛 衛星遙感監測凌汛主要依據不同地物的光譜響應特征不同。在近紅外波段，潔凈水體的反射率遠比土壤和植被的反射率低，所以在衛星圖像上可以很容易地區分水體和非水體的界限。像黃河這樣泥沙含量較高的水體，其反射率的最大值移向可見光波段，但仍比土壤和植被為低。這樣，在衛星圖像上就能夠將發生凌汛的地點及其區域判讀出來，進而可以根據像元數估算淹沒范圍和面積。2016/11/2822資源與環境遙感沙塵暴 研究表明,我國區域的沙塵暴與某些低云亮溫接近，但反射率不同。西北某些裸露地表與沙塵暴反射率接近，但其亮溫卻不同。所以，沙塵暴的監測就是利用其與云系、地表反射率及輻射率的差異進行的。目前，利用可見光和紅外多光譜

14、衛星通道信息判別沙塵暴仍是較好的方法之一，而夜間還難以進行沙塵暴的觀測。火災 地面物體都通過電磁波向外放射輻射能，不同波長的輻射率是不同的，通常，溫度升高時，輻射峰值波長移向短波方向。從氣象衛星監測到的火災發生前后來看，當地表處于常溫時，輻射峰值在傳感器的、通道的波長范圍，而當地面出現火點等高溫目標時 ,其峰值就移向通道，使通道的輻射率增大數百倍，利用這一原理，通過連續不斷地觀測，就可以及時發現火點。當火災發生后，可以通過衛星接收到的彩色圖象獲取火災現場情況和過火面積，以便客觀、準確評估火災損失，組織救災。圖2-4 氣象衛星大興安嶺火災監測圖2016/11/2824資源與環境遙感臺風 加強臺風

15、的監測和預報，是減輕臺風災害的重要的措施。對臺風的探測主要是利用氣象衛星。在衛星云圖上，能清晰地看見臺風的存在和大小。利用氣象衛星資料，可以確定臺風中心的位置，估計臺風強度，監測臺風移動方向和速度，以及狂風暴雨出現的地區等，對防止和減輕臺風災害起著關鍵作用。 當臺風到達近海時，還可用雷達監測臺風動向。建立城市的預警系統，提高應急能力，建立應急響應機制。氣象臺的預報員根據所得到的各種資料，分析臺風的動向，登陸的地點和時間，及時發布臺風預報，臺風緊報或緊急警報。圖2-4 臺風登陸衛星云圖2016/11/2825資源與環境遙感 干旱過程是一個由大氣降水減少導致進入土壤的水量降低，植被因供水不足造成生

16、長受挫而減產、江河湖泊因蓄水不足而面積萎縮( 或水位下降) ，進而對經濟、社會產生影響的復雜過程，其涉及范圍非常廣，不能用單一或幾個變量表征。 常用的干旱遙感監測模型：序號名稱序號名稱1歸一化植被指數 NDVI10溫度狀況指數 TCI2距平植被指數AVI11植被健康指數 VHI3植被狀況指數 VCI12植被供水指數 VSWI4增強的植被指數 EVI13溫度植被干旱指數 TVDI5歸一化水分指數 NDWI14條件植被溫度指數 VTCI6垂直含水量指數 PDI15作物缺水指數 CWSI7修正的垂直干旱指數 MPDI16植被干旱響應指數8半干旱區水分指數 SAWI17微波集成干旱指數 MIDI9表觀

17、熱慣量 P2016/11/2827資源與環境遙感衛星遙感干旱常用的監測技術基于地物反射光譜的干旱監測植物吸收性光合有效輻射分量(FAPAR)監測干旱熱紅外遙感干旱植被指數( VI) 與地表溫度TS組合的指數基于蒸散的干旱監測微波監測干旱干旱監測綜合模型重力衛星監測干旱2016/11/2828資源與環境遙感基于地物反射光譜的干旱監測1、可見光近紅外遙感是利用地物對太陽短波輻射的反射強度信息來判別地物的類型。綠色植物在這段光譜區間具有獨特的光譜反射特點，是最易被識別的地類。人們根據植被的光譜特征，通過對可見光和近紅外波段的組合，構建出了多種植被指數VI。當土壤供水不足導致植被發生水分脅迫時，植被在

18、生理上會出現葉綠素含量下降、光合作用速率降低、植被葉面積和覆蓋度減少的現象，這些變化均可導致衛星遙感植被指數下降。圖3-1 不同干旱狀況下春小麥光譜曲線2、近紅外短波紅外在近紅外和短波紅外有 5個葉片水分吸收帶，分別位于 970、1200、1450和2500nm。利用這一特性，通過監測植被含水量來監測干旱。2016/11/2829資源與環境遙感植物吸收性光合有效輻射分量(FAPAR)監測干旱植物吸收性光合有效輻射分量是植物主要的生理參數之一，也是作物生長模型、生態模型等多種模型中的重要參數，同時可以作為監測干旱的指標。與基于波段線性組合的NDVI相比，FAPAR更具有生物物理意義，對降水的敏感

19、性FAPAR較 NDVI高; FAPAR異常在不同植被類型和地形特征下對干旱的敏感性均較 NDVI高。應用 FAPAR時還需要注意，FAPAR在高海拔地區監測干旱時會受到限制; 不同傳感器的FAPAR產品對干旱的監測結果也有差異。2016/11/2830資源與環境遙感熱紅外遙感干旱波長在 814m區間的電磁波段為熱紅外波段，應用熱紅外波段數據可以反演地表溫度、熱慣量等與土壤水分等相關聯參數。植被指數( VI) 與地表溫度TS組合的指數植被指數( VI) 與地表溫度TS組合的指數如上所述，植被指數和地表溫度不僅是描述地表特征的2個重要參數，也是監測干旱的指標。將2種數據組合可以獲得更多土壤和植被

20、水分信息，進而可以更有效地監測干旱。2016/11/2831資源與環境遙感基于蒸散的干旱監測蒸散( 包括土壤蒸發和植被蒸騰) 是地表水分平衡和熱量平衡的重要組成部分，也是與植被生理活動以及生物量形成密切相關的量。研究表明，區域實際蒸散量(E) 和潛在蒸散量( Ep) 的比值( E/Ep) 與土壤水分密切相關，當土壤水分小于理想供水狀況下的土壤水分含量( 即實際蒸散量小于潛在蒸散量) 時，表征區域缺水; 反之，表征區域不缺水。2016/11/2832資源與環境遙感微波監測干旱光學遙感由于每日衛星過境時間不一致以及大氣狀況的差異，會在對太陽輻射和大氣狀況敏感的物理參數，如反照率、地表溫度等合成產品

21、中產生誤差。在多云的地區和時段也很難完全消除云的影響。微波遙感具有全天時、全天候的監測能力，以及對云、雨、大氣較強的穿透能力; 并且微波傳感器對于植被特性的變化、地表土壤水分等參數十分敏感，已被廣泛應用于地表土壤水分等地表參數的反演之中。在過去10年，隨著多種星載微波傳感器的發射，微波遙感已經具有在全球尺度上精確監測整個地球系統中許多要素的能力，其中微波反演降水和土壤濕度可以直接用來監測干旱。2016/11/2833資源與環境遙感干旱監測綜合模型由于干旱在時間和空間上表現出的多樣性和復雜性，目前還沒有一個單獨的指標或指數可以完全撲捉到不同時空尺度和不同影響程度的干旱特征，多元干旱監測信息綜合技

22、術集成是目前最好的方法。美國國家干旱減災中心在美國以及北美干旱綜合監測的成功實例可供各國借鑒，該中心近年開發的植被干旱響應指數VegDRI是其亮點之一。2016/11/2834資源與環境遙感重力衛星監測干旱地球重力場是地球科學中的基本物理場，反映了地球表層及內部的物質分布變化及其運動狀態。它不僅為人類提供了地球物理環境及其變化的重要信息，也為解決自然資源、環境及災害等問題提供基礎數據。近10年 來，衛星重力測量技術具備了高精度全球重力場觀測的能力。與傳統重力觀測技術不同，重力衛星具有全天候、高精度、大范圍的優勢，可獲取全球覆蓋均勻的地球重力場信號，尤其是衛星重力獲得的全球性重力時間變化信息，能

23、在大尺度上定量揭示全球環境變化( 海平面與環流變化、冰川消融、陸地水量變化、強地震及極端氣候等) 導致的地表質量分布與遷移，為定量探測和研究地球物理環境及全球環境變化提供了獨特的、不可替代的手段。2016/11/2835資源與環境遙感3.2 氣象遙感監測氣溶膠技術現階段，對氣溶膠光學厚度的監測多是基于地面氣象站點的實測數據。實測數據多是以點監測為主，無法測得氣溶膠的范圍和變化趨勢。隨著遙感技術的發展，特別是氣溶膠遙感技術的發展和革新，給氣溶膠衛星監測提供了技術依據。利用氣象衛星數據資料可以實現氣溶膠的面監測，通過多期數據的分析比較能實現變化趨勢研究。大氣中氣溶膠的濃度可以從定量的角度來分析，一

24、般可以從水平和垂直兩個方向來描述：水平氣象視距(HMR)和氣溶膠光學厚度(AOD)。AOD即Aerosol Optical Depth，是氣溶膠的一種光學屬性，也是用來描述大氣渾濁度的一個重要參數。利用衛星遙感反演大氣氣溶膠的工作開始于20世紀70年代，到目前為止，學者們對氣溶膠的反演多是對氣溶膠AOD的反演。氣溶膠的形成就與微粒有關，所以氣溶膠的散射也遵循散射定律。AOD可以表示在電磁波的傳輸路徑上，單位面積上面氣溶膠對電磁波吸收或散射作用所產生的總的削弱量。根據其數學定義，氣溶膠的光學厚度越大，AOD的值就越小，大氣的透過率就越低。2016/11/2836資源與環境遙感氣溶膠光學厚度反演方

25、法高反差地表法暗像元法結構函數法多星協調反演法2016/11/2837資源與環境遙感高反差地表法這一方法的運用前提要求是天氣晴朗，并且假設空間位置很靠近的兩個區域之間，光學特性是相同的。反演方法是選擇兩個明暗對比明顯的像元區域進行AOD的反演。反演過程中提及的明亮區域和暗黑區域是相對的，并不是局限于類似水面或者有植被的暗黑區域。在不同的兩個點上，首先利用AVIRIS圖像數據提取出一組高反差地表的光譜反射率，這里選取自然表面與人工地表的反射率數據。然后，在野外用光譜儀測得另一組高反差地表光譜反射率數據，把從AVIRIS圖像上提取的光譜反射率數據與野外實測的光譜反射率數據進行比較，求出大氣透射率，

26、再利用這種大氣透射特性求出AOD。該方法實際運用中，要求傳感器有充分小的誤差，較大的光譜反射值差異。 2016/11/2838資源與環境遙感暗像元法暗像元法是在反演濃密植被上空氣溶膠光學厚度的基礎上建立起來的一種方法。在衛星圖像上，暗像元是指在可見光波段反射率極低的區域，這些區域通常為陸地上濃密植被區、土壤潮濕地區以及水體覆蓋區。實驗研究表明，在晴朗天氣的暗像元上空，衛星觀測發射率與大氣AOD之間是單調增加的關系，利用這種單調關系來反演AOD的算法稱作暗像元法。在可見光紅光波段（0.60m-0.68m）和藍光波段（0.40m-0.48m）波段，大多數陸地表面反射率低，根據歸一化植被指數或者利用

27、植物在中紅外（2.1m）有強吸收帶的特點來判斷暗像元區域，通過一定的關系假設得到這些像元在可見光區域的地表反射率，并進行AOD的反演。暗像元的確定主要是利用植被指數或近紅外波段的反射率表現加以區分，所以這種方法適合于植被稠密的區域。2016/11/2839資源與環境遙感結構函數法相同的AOD，不同的地表反射率對衛星觀測有不同的影響。一般情況下，在暗地表上空，由于有氣溶膠的影響，使得反射率增大，但是在明亮地表上空，氣溶膠有可能使衛星觀測的反射率增加也有可能使之減小。所以在全部是亮區域的高反射率下，衛星信號觀測對氣溶膠的反演精度降低甚至不能用于氣溶膠光學厚度的反演。為了解決單一亮區域高反射率地表上空的氣溶膠監測問題，引入結構函數法，該算法主要是利用基于大氣透過率以及表觀反射率的地表貢獻來反演AOD。結構函數法是用一組圖像，這組圖像中要包括一張比較清晰的圖像，預先估算出清晰圖像的AOD，也可以實地測出其光學厚度，然后以這幅圖像為“背景”，根據其地表反射率計出地表反射率的分布狀況，這就是結構函數，最后依據計算出來的結構函數反演其他圖像的光學厚度。該方法受到地表反射率的限制較小，所以結構函數法適用于中高緯度地區的冬季或旱季地區。結構函數的應