衛(wèi)星氣象學(xué)課件：第4章 觀測(cè)儀器

1、第四章,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 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,第一節(jié) 衛(wèi)星觀測(cè)儀器 一、 衛(wèi)星探測(cè)分辨率 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。 1、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km。,1) 瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV - 波束寬度 2) 地面瞬時(shí)視場(chǎng)GIFOV =2h*tanIFOV/2 h*IFOV - 星下點(diǎn)分辨率,衛(wèi)星

2、高度h,地面,光學(xué)系統(tǒng),瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV,地面瞬時(shí)視場(chǎng)GIFOV,1.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)星的高度越高，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。 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的掃描線的數(shù)目。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)星探測(cè)分辨率，則稱該云圖為原分辨率或全分辨率云圖。,3)衛(wèi)星斜視時(shí)的地面分辨率,到衛(wèi)星視線沿垂線方向,到衛(wèi)星視線和垂線成30度角,到衛(wèi)星視線和垂線成45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)：,各主要

3、云圖的分辨率,2、灰度分辨率或溫度分辨率： 在紅外或可見(jiàn)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)像素區(qū)能被分辨，則能分辨的最小溫度差或反照率差值稱為溫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，如在紅外云圖上，卷云、積雨云與地面的溫差大，容易被區(qū)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300K時(shí)，溫度分辨率為0.3K，而當(dāng)目標(biāo)物溫度為185K時(shí)，溫度分辨率1.4K。,3、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

4、固定區(qū)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）： 1）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； 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。反之，則溫度分辨率降低。,二、 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： 1）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)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4-6a） 2）多探測(cè)器掃描：在軌道方向并列多個(gè)探測(cè)器，在垂直軌道方向每掃描一次可得多條掃描線，

5、從而提高空間分辨率。（圖4-6b） 3）線性陣列探測(cè)器前推式掃描：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。（圖4-6c） 4) 圓錐掃描：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)物天頂方向之間的角度始終一定。（圖4-6d）,衛(wèi)星的空間掃描方式,三、 極軌衛(wèi)星的觀測(cè)儀器 1）先進(jìn)的甚高分辨率輻射計(jì)（AVHRR-最多6通道）： 觀測(cè)陸地表、海洋、 云和氣溶膠等信息。 側(cè)重于大氣的 水平結(jié)構(gòu)探測(cè)。,2）高分辨紅外探測(cè)器：（HIRS-2）：相對(duì)AVHRR而言，HIRS-2有更多的觀測(cè)通道，但空間分辨率低，用于大氣的垂直探

6、測(cè)。（通道位置-P154：表4-4）,3）先進(jìn)的微波探測(cè)裝置（AMSUP155：通道位置）：AMSU-A，用于反演大氣垂直溫度廓線和云中液太水、大氣可降水；AMSU-B，用于水汽探測(cè)； 4）中分辨率成像輻射光譜儀（MODIS）：是地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS-由美國(guó)、加拿大、歐洲空間局和日本共同建立）的儀器，在NASA的EOS-Terra衛(wèi)星上，分MODIS-N和MODIS-T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-氣和海-氣相互作用。MODIS-N有36通道（表4-8，P157）,中分辨率圖象光譜儀（MODIS）,5） SSM/T、 SSM/T2、 SSM/I和MIMR微波成像儀

7、,四、 靜止衛(wèi)星觀測(cè)儀器 1）可見(jiàn)光紅外自旋 掃描輻射儀（VISSR）,地球靜止衛(wèi)星觀測(cè),掃描方向（東）,可見(jiàn)光紅外自旋輻射計(jì)（VISSR）掃描和視場(chǎng)配置,VIS：1000，13376，1.25km IR：2500，6688， 5km,VISSR觀測(cè)種類及資料處理 1、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 （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

8、或灰度變換。,2）VISSR大氣探測(cè)器（VAS）； 3）GOES-IM圖像儀； 4）GOES-I探測(cè)儀,第二節(jié) 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，突出某些感興趣的目標(biāo) 手段：光學(xué)、 電子模擬、 數(shù)字處理 內(nèi)容：復(fù)原、 幾何校正、增強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)分析、分類識(shí)別,1、圖像的灰度表示：將圖像x，y處的輻射值B（x，y）以灰度l表示，則有 式中 Lmin，Lmax為圖像的灰度范圍，范圍越大，則圖像的反差越大。一般令Lmin=0（黑色）， Lmax=L（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。

9、如果圖像灰度的空間分布以g（x，y）表示。云圖的空間采樣和量化有兩種方式： 1）均勻采樣和量化； 2）非均勻化采樣和量化。,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)。 1）反差增強(qiáng)：-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，白的更白。（1）灰度的線性擴(kuò)展（P191公式4-81: Z=3Z/2）；（2）灰度的對(duì)數(shù)擴(kuò)展、指數(shù)擴(kuò)展和非線性擴(kuò)展。 2）分層增強(qiáng)：在灰度范圍不變的前提下，將圖像的灰度的等級(jí)數(shù)減小、而等級(jí)間的差別擴(kuò)大，每一個(gè)像素的灰度由其本身落入的區(qū)間間隔所給定的灰度值來(lái)確定 （P192）。 3） 例：增強(qiáng)紅外云圖（P193）,灰度,白,黑,白,黑,灰度,亮溫度,增強(qiáng)前的圖象灰度與計(jì)數(shù)值之間的關(guān)系,計(jì)數(shù)值,255,0,0,255,計(jì)數(shù)值,IR Channels,VIS Channels,灰度,白,黑,白,黑,灰度,亮溫度,IR Channel增強(qiáng)前后的圖象灰度與計(jì)數(shù)值之間的關(guān)系,計(jì)數(shù)值,255,0,0,255,計(jì)數(shù)值,Before Enhancement,After Enhancement,紅外云圖增強(qiáng)顯示暴雨云團(tuán)1978.9.12.09：00（MB曲線）,增強(qiáng)顯示紅外云圖（