遥感技术在气象监测领域的应用课件

1、遥感技术在气象监测领域的应用姓名：周信文 学号：201640100125 与传统温、压、湿、风等常规观测手段不同，遥感不仅是一项涉及观测的技术，更是一门涉及综合性探测的科学。遥感借助辐射测量技术，通过科学算法反演出能够准确反映大气、陆地和海洋状态的各种物理和生态参量，使遥感技术在天气气候、大气监测、灾害监测等方面发挥了重大作用，并已经在重大气象有关防灾减灾工作中得到验证。概述2016/11/282资源与环境遥感目 录1气象卫星2气象卫星应用领域3气象遥感应用技术4结语2016/11/283资源与环境遥感1、气象卫星 气象卫星：从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星。卫星所载各种气象遥感器

2、，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。 气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。2016/11/284资源与环境遥感1.1、气象卫星分类 由于运行轨道的不同，气象卫星可分为两大类：极轨气象卫星。飞行高度约为6001500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区

3、2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。同步气象卫星。运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。地球轨道太 阳卫星轨道春夏秋冬H=35860KmSN极轨卫星观测静止卫星观测2016/11/285资源与环境遥感1.3、气象卫星特点轨道（低轨和高轨）短周期重复观测成像面积大资料来源连续、实时性强2016/11/287资源与环境遥感轨道（低轨和高轨）低轨就是近极低太阳同步轨道，简称极地轨道，轨道高度在800-1600km，南北绕地球运转，对南北宽约2800km的带状地域进行观察。高轨是指地球同步轨道，轨道高度在3600

4、0km左右，绕地球一周需要24小时，卫星公转角速度与地球自转角速度相同，相对于地球似乎固定与高空某一点，故称地球同步卫星或静止气象卫星。3-4颗卫星形成空间监测网，对全球中低纬进行监测。2016/11/288资源与环境遥感资料来源连续气象卫星获得的遥感资料包括：可见光合红外云图等图像资料；云量，云分布，大气垂直温度，大气水汽含量，臭氧含量，云顶温度，海面温度等数据资料；太阳质子X射线的高空大气物理参数等空间环境监测资料：以及对于图像资料和数据资料等加工处理后的派生资料。由于气象资料兼有通讯卫星的作用，利用气象卫星上的数据收集系统（DCS）可以同时收集来自气球飞机船舶海上漂浮站无人气象站等的各种

5、资料，并转发给地面专门的资料收集和处理中心。2016/11/2810资源与环境遥感1.4、气象卫星发展历程气象卫星发展史20世纪60年代1970-19771978至今第一代气象卫星第二代气象卫星第三代气象卫星2016/11/2811资源与环境遥感第一代气象卫星第二代气象卫星第三代气象卫星（1）泰诺斯，电视和红外辐射卫星。1960-1965年共收射了10颗。均为级轨卫星。（2）艾萨，即环境科学服务业务卫星。（3）云雨实验气象卫星。专用于进行新的观测仪器的实验，以及对船舶，浮标站等气象观测资料的收集方式进行实验。（4）艾托斯，即应用技术实验卫星，是静止卫星。（1）ITOS-1，TIROS的改进型。

6、进一步发展了诺瓦业务卫星。（2）云雨气象卫星仍在发展，同时发展了SMS、GOES等静止卫星。（3）前苏联的“流星” 型气象卫星，日本的对地静止卫星，以及欧空局的Meteosat等发展起来，共同构成了全球气象卫星系统。主要以NOAA系列为代表，每颗卫星寿命两年左右，采用近极低太阳同步近圆形轨道，双星系统，轨道高度分别是870KM和833KM，轨道倾角98.9度和98.7度，周期101.4min。2016/11/2812资源与环境遥感风云一号卫星 风云一号气象卫星是中国研制的第一代极轨气象卫星。风云一号气象卫星共4颗，是中国的极轨气象卫星系列，共发射了4颗，即FY-1A卫星，FY-1B卫星，FY-

7、1C卫星、FY-1D卫星。风FY-1A卫星和FY-1B卫星分别在1988年9月7日和1990年9月3日发射升空。风云一号C卫星在性能上作的较大改进，被列入世界气象业务应用卫星的序列，风云一号D卫星从2000年开始正样设计，于2002年5月15日在太原卫星发射中心用长征四号B火箭发射升空。2016/11/2814资源与环境遥感风云二号卫星 风云二号气象卫星(FY-2)是我国自行研制的第一代地球同步轨道气象卫星，与极地轨道气象卫星相辅相成，构成我国气象卫星应用体系。风云二号卫星由两颗试验卫星（FY-2A卫星、FY-2B卫星）和四颗业务卫星（FY-2C卫星、FY-2D卫星、FY-2E卫星、FY-2F

8、卫星）组成，作用是获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图，进行天气图传真广播，收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据，供国内外气象资料利用站接收利用，监测太阳活动和卫星所处轨道的空间环境，为卫星工程和空间环境科学研究提供监测数据。2016/11/2815资源与环境遥感风云四号卫星 风云四号气象卫星是我国第二代地球同步轨道气象卫星，主要发展目标是：卫星姿态稳定方式为三轴稳定，提高观测的时间分辨率和区域机动探测能力；提高扫描成像仪性能，以加强中小尺度天气系统的监测能力；发展大气垂直探测和微波探测，解决高轨三维遥感；发展极紫外和X射线太阳观测，加强空间天气监测预警。风云四号卫星计划发

9、展光学和微波两种类型的卫星。2016/11/2817资源与环境遥感2、气象卫星应用领域遥感气象卫星的主要应用领域2016/11/2818资源与环境遥感2.1、天气气候气温、降水 卫星可见光云图可以监测热带气旋以及云团的移动趋势，一般白色表示太阳光反射强，灰黑的地方表示反射较弱。一般陆地表现为灰色，海洋表现为黑色，而冰雪和深厚云系覆盖的地区一般呈白色。用红外探测器可以计算各地晴空大气温度和湿度的铅直分布。微波辐射仪，可以探测云上和云下的大气温度和湿度的分布，以及云中含水总量和雨强的分布.雾 遥感对大雾监测也非常有效，通过卫星遥感，实时监测各地雾情的变化，便于发出天气预警和作出决策。利用卫星遥感监

10、测大雾具有及时、宏观的明显优势。图像纹理信息反映了图像的灰度性质及其空间关系。通过对雾的成因、辐射特性、雾遥感基本原理的阐述，结合中国FY-1D美/国NOAA系列极轨卫星资料通道特点，分析雾的图像纹理信息，并依据雾在可见光波段和中红外波段与云类不同的光谱特性，选用不同的光谱通道进行大雾监测。2016/11/2819资源与环境遥感气候变化 利用遥感技术可以对气候变化因子进行有效监测，可以对大范围区域进行气候的异常监测，热红外遥感可以利用热红外探测器收集、记录地物辐射的热红外辐射信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数（如温度、发射率、湿度、热惯量等），包括季节到年际气候预测-提高瞬时短

11、期气候异常变化的时间和空间预报准确性；长期气候变化-决定长期气候变化及其趋势的机理和因素以及人类活动的影响研究。图2-1 气象卫星大雾监测图2016/11/2820资源与环境遥感2.2、大气监测气溶胶 气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。遥感可以对气溶胶监测从而对气候做分析，监测气溶胶的厚度、浓度、成分、属性等信息。气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。 卫星遥感气溶胶的研究始于20世纪60年代，随着新型卫星传感器的不断研制和发射成功

12、，越来越多的卫星传感器开始适用于大气气溶胶的探测，也出现了多种实用气溶胶遥感反演算法。图2-1 全球气溶胶分布图2016/11/2821资源与环境遥感2.2、灾害监测海冰 我国的渤海和黄海北部每年冬季都会发生结冰，结冰程度直接影响海上油气资源的开发、交通运输、港口海岸工程作业等。利用可见光和红外通道资料，结合海冰的光谱特征，可以进行冰水识别和海冰信息提取，获取海冰分布范围、面积、冰型、密集度、外缘线等信息。地球两极有将近3000万平方公里的面积被海冰覆盖，极低海冰监测队极低海域的航道设计和海上航行安全保证非常重要。利用卫星的微波辐射计和散射计以及SAR数据，可以获取极地区域海冰分布和变化情况。

13、凌汛 卫星遥感监测凌汛主要依据不同地物的光谱响应特征不同。在近红外波段，洁净水体的反射率远比土壤和植被的反射率低，所以在卫星图像上可以很容易地区分水体和非水体的界限。像黄河这样泥沙含量较高的水体，其反射率的最大值移向可见光波段，但仍比土壤和植被为低。这样，在卫星图像上就能够将发生凌汛的地点及其区域判读出来，进而可以根据像元数估算淹没范围和面积。2016/11/2822资源与环境遥感沙尘暴 研究表明,我国区域的沙尘暴与某些低云亮温接近，但反射率不同。西北某些裸露地表与沙尘暴反射率接近，但其亮温却不同。所以，沙尘暴的监测就是利用其与云系、地表反射率及辐射率的差异进行的。目前，利用可见光和红外多光谱

14、卫星通道信息判别沙尘暴仍是较好的方法之一，而夜间还难以进行沙尘暴的观测。火灾 地面物体都通过电磁波向外放射辐射能，不同波长的辐射率是不同的，通常，温度升高时，辐射峰值波长移向短波方向。从气象卫星监测到的火灾发生前后来看，当地表处于常温时，辐射峰值在传感器的、通道的波长范围，而当地面出现火点等高温目标时 ,其峰值就移向通道，使通道的辐射率增大数百倍，利用这一原理，通过连续不断地观测，就可以及时发现火点。当火灾发生后，可以通过卫星接收到的彩色图象获取火灾现场情况和过火面积，以便客观、准确评估火灾损失，组织救灾。图2-4 气象卫星大兴安岭火灾监测图2016/11/2824资源与环境遥感台风 加强台风

15、的监测和预报，是减轻台风灾害的重要的措施。对台风的探测主要是利用气象卫星。在卫星云图上，能清晰地看见台风的存在和大小。利用气象卫星资料，可以确定台风中心的位置，估计台风强度，监测台风移动方向和速度，以及狂风暴雨出现的地区等，对防止和减轻台风灾害起着关键作用。 当台风到达近海时，还可用雷达监测台风动向。建立城市的预警系统，提高应急能力，建立应急响应机制。气象台的预报员根据所得到的各种资料，分析台风的动向，登陆的地点和时间，及时发布台风预报，台风紧报或紧急警报。图2-4 台风登陆卫星云图2016/11/2825资源与环境遥感 干旱过程是一个由大气降水减少导致进入土壤的水量降低，植被因供水不足造成生

16、长受挫而减产、江河湖泊因蓄水不足而面积萎缩( 或水位下降) ，进而对经济、社会产生影响的复杂过程，其涉及范围非常广，不能用单一或几个变量表征。 常用的干旱遥感监测模型：序号名称序号名称1归一化植被指数 NDVI10温度状况指数 TCI2距平植被指数AVI11植被健康指数 VHI3植被状况指数 VCI12植被供水指数 VSWI4增强的植被指数 EVI13温度植被干旱指数 TVDI5归一化水分指数 NDWI14条件植被温度指数 VTCI6垂直含水量指数 PDI15作物缺水指数 CWSI7修正的垂直干旱指数 MPDI16植被干旱响应指数8半干旱区水分指数 SAWI17微波集成干旱指数 MIDI9表观

17、热惯量 P2016/11/2827资源与环境遥感卫星遥感干旱常用的监测技术基于地物反射光谱的干旱监测植物吸收性光合有效辐射分量(FAPAR)监测干旱热红外遥感干旱植被指数( VI) 与地表温度TS组合的指数基于蒸散的干旱监测微波监测干旱干旱监测综合模型重力卫星监测干旱2016/11/2828资源与环境遥感基于地物反射光谱的干旱监测1、可见光近红外遥感是利用地物对太阳短波辐射的反射强度信息来判别地物的类型。绿色植物在这段光谱区间具有独特的光谱反射特点，是最易被识别的地类。人们根据植被的光谱特征，通过对可见光和近红外波段的组合，构建出了多种植被指数VI。当土壤供水不足导致植被发生水分胁迫时，植被在

18、生理上会出现叶绿素含量下降、光合作用速率降低、植被叶面积和覆盖度减少的现象，这些变化均可导致卫星遥感植被指数下降。图3-1 不同干旱状况下春小麦光谱曲线2、近红外短波红外在近红外和短波红外有 5个叶片水分吸收带，分别位于 970、1200、1450和2500nm。利用这一特性，通过监测植被含水量来监测干旱。2016/11/2829资源与环境遥感植物吸收性光合有效辐射分量(FAPAR)监测干旱植物吸收性光合有效辐射分量是植物主要的生理参数之一，也是作物生长模型、生态模型等多种模型中的重要参数，同时可以作为监测干旱的指标。与基于波段线性组合的NDVI相比，FAPAR更具有生物物理意义，对降水的敏感

19、性FAPAR较 NDVI高; FAPAR异常在不同植被类型和地形特征下对干旱的敏感性均较 NDVI高。应用 FAPAR时还需要注意，FAPAR在高海拔地区监测干旱时会受到限制; 不同传感器的FAPAR产品对干旱的监测结果也有差异。2016/11/2830资源与环境遥感热红外遥感干旱波长在 814m区间的电磁波段为热红外波段，应用热红外波段数据可以反演地表温度、热惯量等与土壤水分等相关联参数。植被指数( VI) 与地表温度TS组合的指数植被指数( VI) 与地表温度TS组合的指数如上所述，植被指数和地表温度不仅是描述地表特征的2个重要参数，也是监测干旱的指标。将2种数据组合可以获得更多土壤和植被

20、水分信息，进而可以更有效地监测干旱。2016/11/2831资源与环境遥感基于蒸散的干旱监测蒸散( 包括土壤蒸发和植被蒸腾) 是地表水分平衡和热量平衡的重要组成部分，也是与植被生理活动以及生物量形成密切相关的量。研究表明，区域实际蒸散量(E) 和潜在蒸散量( Ep) 的比值( E/Ep) 与土壤水分密切相关，当土壤水分小于理想供水状况下的土壤水分含量( 即实际蒸散量小于潜在蒸散量) 时，表征区域缺水; 反之，表征区域不缺水。2016/11/2832资源与环境遥感微波监测干旱光学遥感由于每日卫星过境时间不一致以及大气状况的差异，会在对太阳辐射和大气状况敏感的物理参数，如反照率、地表温度等合成产品

21、中产生误差。在多云的地区和时段也很难完全消除云的影响。微波遥感具有全天时、全天候的监测能力，以及对云、雨、大气较强的穿透能力; 并且微波传感器对于植被特性的变化、地表土壤水分等参数十分敏感，已被广泛应用于地表土壤水分等地表参数的反演之中。在过去10年，随着多种星载微波传感器的发射，微波遥感已经具有在全球尺度上精确监测整个地球系统中许多要素的能力，其中微波反演降水和土壤湿度可以直接用来监测干旱。2016/11/2833资源与环境遥感干旱监测综合模型由于干旱在时间和空间上表现出的多样性和复杂性，目前还没有一个单独的指标或指数可以完全扑捉到不同时空尺度和不同影响程度的干旱特征，多元干旱监测信息综合技

22、术集成是目前最好的方法。美国国家干旱减灾中心在美国以及北美干旱综合监测的成功实例可供各国借鉴，该中心近年开发的植被干旱响应指数VegDRI是其亮点之一。2016/11/2834资源与环境遥感重力卫星监测干旱地球重力场是地球科学中的基本物理场，反映了地球表层及内部的物质分布变化及其运动状态。它不仅为人类提供了地球物理环境及其变化的重要信息，也为解决自然资源、环境及灾害等问题提供基础数据。近10年 来，卫星重力测量技术具备了高精度全球重力场观测的能力。与传统重力观测技术不同，重力卫星具有全天候、高精度、大范围的优势，可获取全球覆盖均匀的地球重力场信号，尤其是卫星重力获得的全球性重力时间变化信息，能

23、在大尺度上定量揭示全球环境变化( 海平面与环流变化、冰川消融、陆地水量变化、强地震及极端气候等) 导致的地表质量分布与迁移，为定量探测和研究地球物理环境及全球环境变化提供了独特的、不可替代的手段。2016/11/2835资源与环境遥感3.2 气象遥感监测气溶胶技术现阶段，对气溶胶光学厚度的监测多是基于地面气象站点的实测数据。实测数据多是以点监测为主，无法测得气溶胶的范围和变化趋势。随着遥感技术的发展，特别是气溶胶遥感技术的发展和革新，给气溶胶卫星监测提供了技术依据。利用气象卫星数据资料可以实现气溶胶的面监测，通过多期数据的分析比较能实现变化趋势研究。大气中气溶胶的浓度可以从定量的角度来分析，一

24、般可以从水平和垂直两个方向来描述：水平气象视距(HMR)和气溶胶光学厚度(AOD)。AOD即Aerosol Optical Depth，是气溶胶的一种光学属性，也是用来描述大气浑浊度的一个重要参数。利用卫星遥感反演大气气溶胶的工作开始于20世纪70年代，到目前为止，学者们对气溶胶的反演多是对气溶胶AOD的反演。气溶胶的形成就与微粒有关，所以气溶胶的散射也遵循散射定律。AOD可以表示在电磁波的传输路径上，单位面积上面气溶胶对电磁波吸收或散射作用所产生的总的削弱量。根据其数学定义，气溶胶的光学厚度越大，AOD的值就越小，大气的透过率就越低。2016/11/2836资源与环境遥感气溶胶光学厚度反演方

25、法高反差地表法暗像元法结构函数法多星协调反演法2016/11/2837资源与环境遥感高反差地表法这一方法的运用前提要求是天气晴朗，并且假设空间位置很靠近的两个区域之间，光学特性是相同的。反演方法是选择两个明暗对比明显的像元区域进行AOD的反演。反演过程中提及的明亮区域和暗黑区域是相对的，并不是局限于类似水面或者有植被的暗黑区域。在不同的两个点上，首先利用AVIRIS图像数据提取出一组高反差地表的光谱反射率，这里选取自然表面与人工地表的反射率数据。然后，在野外用光谱仪测得另一组高反差地表光谱反射率数据，把从AVIRIS图像上提取的光谱反射率数据与野外实测的光谱反射率数据进行比较，求出大气透射率，

26、再利用这种大气透射特性求出AOD。该方法实际运用中，要求传感器有充分小的误差，较大的光谱反射值差异。 2016/11/2838资源与环境遥感暗像元法暗像元法是在反演浓密植被上空气溶胶光学厚度的基础上建立起来的一种方法。在卫星图像上，暗像元是指在可见光波段反射率极低的区域，这些区域通常为陆地上浓密植被区、土壤潮湿地区以及水体覆盖区。实验研究表明，在晴朗天气的暗像元上空，卫星观测发射率与大气AOD之间是单调增加的关系，利用这种单调关系来反演AOD的算法称作暗像元法。在可见光红光波段（0.60m-0.68m）和蓝光波段（0.40m-0.48m）波段，大多数陆地表面反射率低，根据归一化植被指数或者利用

27、植物在中红外（2.1m）有强吸收带的特点来判断暗像元区域，通过一定的关系假设得到这些像元在可见光区域的地表反射率，并进行AOD的反演。暗像元的确定主要是利用植被指数或近红外波段的反射率表现加以区分，所以这种方法适合于植被稠密的区域。2016/11/2839资源与环境遥感结构函数法相同的AOD，不同的地表反射率对卫星观测有不同的影响。一般情况下，在暗地表上空，由于有气溶胶的影响，使得反射率增大，但是在明亮地表上空，气溶胶有可能使卫星观测的反射率增加也有可能使之减小。所以在全部是亮区域的高反射率下，卫星信号观测对气溶胶的反演精度降低甚至不能用于气溶胶光学厚度的反演。为了解决单一亮区域高反射率地表上空的气溶胶监测问题，引入结构函数法，该算法主要是利用基于大气透过率以及表观反射率的地表贡献来反演AOD。结构函数法是用一组图像，这组图像中要包括一张比较清晰的图像，预先估算出清晰图像的AOD，也可以实地测出其光学厚度，然后以这幅图像为“背景”，根据其地表反射率计出地表反射率的分布状况，这就是结构函数，最后依据计算出来的结构函数反演其他图像的光学厚度。该方法受到地表反射率的限制较小，所以结构函数法适用于中高纬度地区的冬季或旱季地区。结构函数的应