卫星气象学课件：第四章 卫星观测仪器和观测要素及分辨率

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1、第四章第四章卫星观测仪器和观测要素及分辨率卫星观测仪器和观测要素及分辨率一、卫星观测仪器一、卫星观测仪器二、卫星云图的图像表示和增强处理二、卫星云图的图像表示和增强处理掌握重点：卫星观测的空间分辨率、灰度（或温度）分辨率和时间分辨率的概念及其相互关系、卫星云图的增强处理方式 卫星观测仪器卫星观测仪器扫描仪扫描仪光学系统光学系统探测器探测器信号处理和信号输出系统信号处理和信号输出系统辐射信辐射信息采集息采集系统系统辐射信息辐射信息收集转递收集转递系统系统辐射辐射/光光电转换系电转换系统统电信号处电信号处理和发送理和发送系统系统扫描扫描观测观测驱动驱动装置装置辐射能收辐射能收集的光学集的光学系统，

2、包系统，包括：光栅括：光栅，聚焦装，聚焦装置等置等感应辐射感应辐射能，并将能，并将辐射能转辐射能转换为电信换为电信号。分量号。分量子、热探子、热探测器两种测器两种对探测对探测器信号器信号进行放进行放大、模大、模/数转数转换等处换等处理理将处理将处理好的信好的信号发送号发送给天线给天线或记录或记录到存储到存储设备中设备中 第一节第一节 卫星观测仪器卫星观测仪器 一、一、卫星探测分辨率卫星探测分辨率表示卫星探测的分辨率有三种表示卫星探测的分辨率有三种：空间分辨率、灰度分辨率和时间分辨率空间分辨率、灰度分辨率和时间分辨率。1、空间分辨率、空间分辨率：卫星能分辨两个物体的最短距离；距离越短，分卫星能分

3、辨两个物体的最短距离；距离越短，分辨率越高。空间分辨率以由卫星观测到的地球最辨率越高。空间分辨率以由卫星观测到的地球最小面积（像素）的直径表示，单位为小面积（像素）的直径表示，单位为kmkm。1)瞬时视场瞬时视场IFOV -波束宽度波束宽度2)地面瞬时视场地面瞬时视场GIFOV =2h*tanIFOV/2h*IFOV -星下点分辨率星下点分辨率卫星卫星高度高度h h地面光学系统瞬时视瞬时视场场IFOVIFOV地面瞬时视场地面瞬时视场GIFOV1.空间分辨率空间分辨率卫星卫星的空间分辨率与卫星的高度有关卫星的空间分辨率与卫星的高度有关，卫星的高，卫星的高度越高，在同样的瞬时视角（瞬时视场）下，观

4、度越高，在同样的瞬时视角（瞬时视场）下，观测面积增大，空间分辨率下降。测面积增大，空间分辨率下降。对于实际使用的卫星云图的分辨率与卫星探测分对于实际使用的卫星云图的分辨率与卫星探测分辨率是有区别的，云图上的分辨率取决于图片上辨率是有区别的，云图上的分辨率取决于图片上的的扫描线的数目扫描线的数目。换言之，云图的分辨率可低于。换言之，云图的分辨率可低于卫星的探测分辨率；如果卫星云图分辨率等于卫卫星的探测分辨率；如果卫星云图分辨率等于卫星探测分辨率，则称该云图为星探测分辨率，则称该云图为原分辨率或全分辨原分辨率或全分辨率率云图。云图。22022sinsin()RSShCOS3)卫星斜视时的地面分辨率

5、卫星斜视时的地面分辨率1sin()sinRhR到卫星视线到卫星视线沿垂线方向沿垂线方向到卫星视线和到卫星视线和垂线成垂线成30度角度角到卫星视线和到卫星视线和垂线成垂线成45度角度角三种不同视角情况下的卫星观测卫星的空间分辨率与卫星的视角有关：卫星的空间分辨率与卫星的视角有关：图别分辨率种类可见光红外普通云图（美国）3.2 km7.2 km甚高分辨率云图（美）0.85 km0.85 km泰罗斯N云图（美）4 km4 km流星云图（前苏联）1.25 km15 km葵花云图（日本，全景）2.5 km5 km葵花云图（日本，区域）4 km7 km风云二号B云图（中国）1.25 km5 km各主要云图

6、的分辨率2、灰度分辨率或温度分辨率、灰度分辨率或温度分辨率：在红外或可见光云图上，相邻两个像素内的目标物的在红外或可见光云图上，相邻两个像素内的目标物的温度或反照率有差异并达到一定数值时，如果这两个像素温度或反照率有差异并达到一定数值时，如果这两个像素区能被分辨，则能分辨的区能被分辨，则能分辨的最小温度差或反照率差值最小温度差或反照率差值称为温称为温度分辨率或灰度分辨率。度分辨率或灰度分辨率。如果像素的温度差越大，则越易区别它们，如在红外如果像素的温度差越大，则越易区别它们，如在红外云图上，卷云、积雨云与地面的温差大，容易被区分，而云图上，卷云、积雨云与地面的温差大，容易被区分，而低云与地面的

7、温差小，不易被区别；温度分辨率或灰度分低云与地面的温差小，不易被区别；温度分辨率或灰度分辨率还与目标物本身的温度有关，如目标物的温度为辨率还与目标物本身的温度有关，如目标物的温度为300K300K时，温度分辨率为时，温度分辨率为0.3K0.3K，而当目标物温度为，而当目标物温度为185K185K时，温度时，温度分辨率分辨率1.4K1.4K。3、时间分辨率：、时间分辨率：指卫星对同一地区观测的时间间隔。如极轨卫星每指卫星对同一地区观测的时间间隔。如极轨卫星每12小时对全球观测一次，静止卫星则每半小时对某一固定区小时对全球观测一次，静止卫星则每半小时对某一固定区域进行一次观测。域进行一次观测。4、

8、几种分辨率之间的关系（相互制约）：、几种分辨率之间的关系（相互制约）：1）低的空间分辨率（较大瞬时视场）可以有较好的灰度）低的空间分辨率（较大瞬时视场）可以有较好的灰度分辨率或温度分辨率和时间分辨率；分辨率或温度分辨率和时间分辨率；2）当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率和仪）当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率和仪器的扫描速度有关，扫描速度慢，对目标物的停留时间较器的扫描速度有关，扫描速度慢，对目标物的停留时间较长，则能接收更多的辐射能，从而具有较高的温度分辨率。长，则能接收更多的辐射能，从而具有较高的温度分辨率。反之，则温度分辨率降低反之，则温度分辨率降低。二、二、卫星的空间扫

9、描方式卫星的空间扫描方式 卫星对地的扫描方式大致有四种卫星对地的扫描方式大致有四种：1）单个探测器线扫描单个探测器线扫描：在垂直于轨道的方向的扫描由摆动在垂直于轨道的方向的扫描由摆动镜来回摆动完成；同时依靠卫星在轨道上的运动实现轨道方向镜来回摆动完成；同时依靠卫星在轨道上的运动实现轨道方向的扫描。（图的扫描。（图4-6a）2）多探测器扫描多探测器扫描：在轨道方向并列多个探测器，在垂直轨在轨道方向并列多个探测器，在垂直轨道方向每扫描一次可得多条扫描线，从而提高空间分辨率。道方向每扫描一次可得多条扫描线，从而提高空间分辨率。（图（图4-6b）3）线性阵列探测器前推式扫描线性阵列探测器前推式扫描：在

10、垂直轨道方向上放置一在垂直轨道方向上放置一系列探测器，构成探测器阵列，依靠卫星向前运动，对地扫描。系列探测器，构成探测器阵列，依靠卫星向前运动，对地扫描。（图（图4-6c）4)圆锥扫描圆锥扫描：扫描镜绕垂直轴旋转，在地面形成圆锥与地扫描镜绕垂直轴旋转，在地面形成圆锥与地球相截的扫描线。这钟扫描的特点是观测方向与目标物天顶方球相截的扫描线。这钟扫描的特点是观测方向与目标物天顶方向之间的角度始终一定。（图向之间的角度始终一定。（图4-6d）卫星的空间扫描方式卫星的空间扫描方式(a)单个探测器线扫描单个探测器线扫描(b)多探测器扫描多探测器扫描卫星轨道方向卫星轨道方向垂直轨道方向(c)(d)(b)(

11、a)(C)线性阵列探测器前推式扫描线性阵列探测器前推式扫描(d)圆锥扫描圆锥扫描 三、三、极轨卫星的观测仪器极轨卫星的观测仪器 1 1）先进的甚高分辨率辐射计（先进的甚高分辨率辐射计（AVHRR-AVHRR-最多最多6 6通道）通道）：观测陆地表、海洋、观测陆地表、海洋、云和气溶胶等信息。云和气溶胶等信息。侧重于大气的侧重于大气的水平结构探测。水平结构探测。2 2）高分辨红外探测器：（高分辨红外探测器：（HIRS-2HIRS-2）：相对：相对AVHRRAVHRR而言，而言，HIRS-2HIRS-2有更多的观测通道，但空间分辨率低，用于大气的垂有更多的观测通道，但空间分辨率低，用于大气的垂直探测

12、。（通道位置直探测。（通道位置-P154-P154：表：表4-44-4）3 3）先进的微波探测装置（先进的微波探测装置（AMSUAMSUP155P155：通道位置）：通道位置）：AMSU-AAMSU-A，用于反演大气垂直温度廓线和云中液太水、，用于反演大气垂直温度廓线和云中液太水、大气可降水；大气可降水；AMSU-BAMSU-B，用于水汽探测；，用于水汽探测；4 4）中分辨率成像辐射光谱仪（中分辨率成像辐射光谱仪（MODISMODIS）：是地球观：是地球观测系统（测系统（EOS-EOS-由美国、加拿大、欧洲空间局和日本共由美国、加拿大、欧洲空间局和日本共同建立）的仪器，在同建立）的仪器，在NA

13、SANASA的的EOS-TerraEOS-Terra卫星上，分卫星上，分MODIS-NMODIS-N和和MODIS-TMODIS-T两种光谱仪，监视全球大气水汽、两种光谱仪，监视全球大气水汽、气溶胶粒子和云的特性，以及地气溶胶粒子和云的特性，以及地-气和海气和海-气相互作用。气相互作用。MODIS-NMODIS-N有有3636通道（通道（表表4-84-8，P157P157）中分辨率图象光谱仪（中分辨率图象光谱仪（MODIS）卫卫星星探探测测器器主主要要任任务务EOSPM中分辨成像光谱仪（中分辨成像光谱仪（MODIS）、热辐射反射辐射）、热辐射反射辐射计（计（A S T E R）、云 和 地 球

14、 辐 射 能 量 系 统）、云 和 地 球 辐 射 能 量 系 统（CERES）、污染测量仪（）、污染测量仪（MOPITT）、多角度）、多角度成像光谱仪（成像光谱仪（MISR）全球环境监测全球环境监测EOSPM干涉红外线探测器、改进的微波探测仪、温度计、干涉红外线探测器、改进的微波探测仪、温度计、多频微波成像仪、云辐射和多频微波成像仪、云辐射和MODIS同上同上全球环境监测全球环境监测EOSColor（水色）（水色）SeaWIFS(海洋宽视场探测器海洋宽视场探测器)全球海洋水色监测全球海洋水色监测EOSAero（气溶胶）（气溶胶）57倾角，平流层气溶胶实验（倾角，平流层气溶胶实验（SAGE）全

15、球气溶胶监测全球气溶胶监测EOSALT（测高）（测高）高度计、地球科学激光测距系统高度计、地球科学激光测距系统GPS地球科学仪地球科学仪（GGI）海面海面/海冰海冰/陆地拓朴陆地拓朴EOSChem(化学化学)Stick散射计、对流层辐射光谱仪、高分辨动态分散射计、对流层辐射光谱仪、高分辨动态分层探测器、层探测器、SAGE器器全球大气化学成份监测全球大气化学成份监测5 5）SSM/T、SSM/T2、SSM/I和和MIMR微波成像仪微波成像仪仪仪器器名名称称安装星体安装星体通道数通道数分辨率分辨率应应用用SSM/T-专用微波测温仪DMSP-5DF4 50GHZ（7）204Km大气层垂直温度测量SS

16、M/T2-专用微波测湿仪DMSP F-12、14、15 183.3 GHZ（5）50100Km测量大气中水汽、地表冰雪、海岸线、水等SSM/I-专用微波成像仪DMSP-5D F885.5 GHZ（7）1250Km洋面风速、陆表湿度、水汽含水量、冰雪覆盖、云中含水量和降水强度等SSMIS-专用成像探测仪DMSP-5D350300 MHZ2575Km地球表面和大气、散射、反射辐射能MIRM多谱段微波辐射计METOP、EOS85.5 GHZ（6）1-1.5K温度 四、四、静止卫星观测仪器静止卫星观测仪器 1 1）可见光红外自旋可见光红外自旋扫描辐射仪（扫描辐射仪（VISSRVISSR）扫描镜扫描镜次

17、级镜次级镜初初级级镜镜光导纤维光光见见倍倍增增管管定标遮板补偿透镜滤光器地球静止卫星观测地球静止卫星观测依靠卫星自转从西向东对地球张角 20全圆面扫描自北向南扫描镜对地球张角 20步进扫描，计2500步，需时25分钟4个备用可见光瞬时视场4个可见光视场（0.035mrx 0.035mr）红外视场（0.14mrx0.14mr）备用红外视场北南扫描方向（东）39rad140rad在用红外视场备用红外视场+140rad35rad4个备用可见光视场4个在用可见光视场4rad31rad35rad140rad140rad1050rad可见光红外自旋辐射计（可见光红外自旋辐射计（VISSR）扫描和视场配置）

18、扫描和视场配置VIS：1000，13376，1.25km IR：2500，6688，5kmVISSR观测种类及资料处理观测种类及资料处理 1、观测方式、观测方式 （1）定时观测：30分钟；1小时；3小时 （2）连续观测 （3）特殊观测 2、扫描方式、扫描方式 （1）全帧扫描 （2）可变帧扫描 （3）单线变帧扫描 （4）快速正扫描 3、静止卫星资料的一次处理 （1）一次处理内容：编制各种文件；对VISSR校正；进 行图象变换、图象参数。（2）图象预处理：消除畸变、加网格、坐标变换；亮度 或灰度变换。2 2）VISSRVISSR大气探测器（大气探测器（VASVAS）；3 3）GOES-IGOES-

19、IMM图像仪图像仪；4 4）GOES-IGOES-I探测仪探测仪 第二节第二节 卫星云图的图像表示和增强处理卫星云图的图像表示和增强处理目的：特征信息的提取，模糊的图像变清晰，目的：特征信息的提取，模糊的图像变清晰，突出某些感兴趣的目标突出某些感兴趣的目标手段：光学、手段：光学、电子模拟、电子模拟、数字处理数字处理内容：复原、内容：复原、几何校正、增强、统计分析、分几何校正、增强、统计分析、分类识别类识别 1、图像的灰度表示：将图像将图像x x，y y处的辐射值处的辐射值B B（x x，y y）以）以灰度灰度l l表示，则有表示，则有 式中式中 L Lminmin，L Lmaxmax 为图像的

20、灰度范围，范围越大，则图为图像的灰度范围，范围越大，则图像的反差越大。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、图像的数字化：云图的空间位置数字化可看成对地表云图的空间位置数字化可看成对地表的采样，而强度（色调）的数字化可看成灰度被分成若的采样，而强度（色调）的数字化可看成灰度被分成若干等级的量化。如果图像灰度的空间分布以干等级的量化。如果图像灰度的空间分布以g g（x x，y y）表）表示。云图的空间采样和量化有两种方式：示。云图的空间采样和量化有两种方式：1 1）均匀采样和量化；）均匀采样和量化；2 2）非均匀化

21、采样和量化。）非均匀化采样和量化。maxminLlL 3、卫星云图的增强处理：对灰度或辐射值进行处理，通对灰度或辐射值进行处理，通过灰度变化，将人眼不能发现的目标物细微结构清楚地表过灰度变化，将人眼不能发现的目标物细微结构清楚地表示出来。示出来。1）反差增强：-又称对比度增强，即人为使原来灰度又称对比度增强，即人为使原来灰度差异较小的像素点的灰度差异扩大，使黑的更黑，白的更差异较小的像素点的灰度差异扩大，使黑的更黑，白的更白。（白。（1 1）灰度的线性扩展（）灰度的线性扩展（P191P191公式公式4-81:Z=3Z/24-81:Z=3Z/2）；）；（2 2）灰度的对数扩展、指数扩展和非线性扩

22、展。）灰度的对数扩展、指数扩展和非线性扩展。2）分层增强：在灰度范围不变的前提下，将图像的灰在灰度范围不变的前提下，将图像的灰度的等级数减小、而等级间的差别扩大，每一个像素的灰度的等级数减小、而等级间的差别扩大，每一个像素的灰度由其本身落入的区间间隔所给定的灰度值来确定度由其本身落入的区间间隔所给定的灰度值来确定 （P192P192）。3）例：增强红外云图（增强红外云图（P193P193）灰灰度度白白黑黑白白黑黑灰灰度度亮温度亮温度增强前的图象灰度与计数值之间的关系增强前的图象灰度与计数值之间的关系计数值计数值25500255计数值计数值IR ChannelsVIS Channels灰灰度度白

23、白黑黑白白黑黑灰灰度度亮温度亮温度IR Channel增强前增强前后的图象灰度与计数后的图象灰度与计数值之间的关系值之间的关系计数值计数值25500255计数值计数值Before EnhancementAfter Enhancement增强显示红外云图（增强显示红外云图（MBMB）曲线）曲线Enhanced IR showing CbAug.4.20:00 IR enhancedAug.4.20:00 IR originalFY-2CFY-2C观测观测“碧利斯碧利斯”台风。增强后清晰地展示大尺台风。增强后清晰地展示大尺度系统上的强对流位置，为降水监测和预报提供依度系统上的强对流位置，为降水监测和预报提供依据。据。FY2C_IR1_20060714_10:00