卫星遥感探测原理与数据应用

不倒嗡嗡

遥感卫星 (Remote Sensing Satellite )用作外层空间遥感平台的人造卫星。用卫星作为平台的遥感技术称为卫星遥感。通常，遥感卫星可在轨道上运行数年。卫星轨道可根据需要来确定。遥感卫星能在规定的时间内覆盖整个地球或指定的任何区域，当沿地球同步轨道运行时，它能连续地对地球表面某指定地域进行遥感。所有的遥感卫星都需要有遥感卫星地面站，从遥感集市平台获得的卫星数据可监测到农业、林业、海洋、国土、环保、气象等情况，遥感卫星主要有气象卫星、陆地卫星和海洋卫星三种类型。

气象卫星遥感探测原理

在地球大气系统中各自然表面以及大气本身的辐射过程是一个十分复杂的问题，它涉及到各辐射源的特性和物体和气体的吸收、发射、透射、目标物反射、粒子散射和透射等诸多方面的特性。地球大气系统作为一个整体，它一方面要接受入射的太阳辐射，另一方面又要反射太阳辐射和以其自身的温度发射红外辐射。在它的视场范围内测量到辐射主要有:

1) 地表、云层发出的红外辐射，将卫星在大气窗通道测量的辐射转换成图象就得红外云图。

2)大气中吸收气体发射的红外辐射，由卫星测量到的大气气体发射的辐射，就可反演获取大气的有关参数，如选取CO2 发射的辐射可以得到大气垂直温度，由H2O 发射的辐射可以得到水汽分布。

3)地面、云面反射的大气向下的红外辐射，由于在红外波段卫星测量的地面反射大气辐射很小，可以忽略不计。

4) 地面和云面反射太阳辐射，卫星在可见光-近红外谱段测量的辐射就获取可见光云图。

5）大气分子、气溶胶等对太阳辐射的散射辐射，根据卫星测量的大气分子、气溶胶的后向散射辐射可以获取大气分子、气溶胶的分布。

卫星在空间接收地球大气中各种辐射源发射辐射的相对大小，对于反射太阳辐射部分，卫星测量的主要是云反射的太阳辐射，占入射太阳辐射的20%，其次的空气分子的后向散射辐射仅6%，而地面反射太阳辐射较小4%。卫星接收的红外辐射主要是由H2O、CO2，其次是云发射的，直接收到地面的较小。

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增加和丰富了气象观测及其它领域资料的内容和范围

气象卫星观测体系的建立，大大地丰富了气象观测的内容和范围，使大气探测技术和气象观测进入了一个新价段，突破了人类只能在大气底层观测大气的局限性。一些难以观测的资料和地区，现在都可以从气象卫星上得到实现。当前气象卫星可以提供以下有价值的资料：

1、每日的可见光、红外和水汽等多谱段图象资料；

2、大气垂直探测资料；

3、微波探测资料；

4、太阳质子、粒子资料等；

以上这些些资料包含有大量地球大气信息，由这些信息可以导得以下气象和其它领域的各种参数和现象：

1、云系的范围分布和各类天气系统的位置、形成、发生发展等；灾害性天气的发生发展；

2、云类、云量、云顶温度（云顶高度）、云的相态等；

3、气溶胶、沙尘暴、吹沙、浮尘、冰雪覆盖等；

4、陆面温度、植被分布、蒸散、土壤湿度、地面反照率等陆面参数；

5、大气温度、湿度垂直分布，大气中水汽总量、臭氧总量；

6、降水量和降水区、地面水资源、洪水等；

7、给定区域的云风矢量；

8、入射地球大气系统的太阳辐射和地球大气系统反射总辐射，长波辐射总量地气系统辐射收支等；

9、海洋表面温度、洋流、悬浮物质浓度、叶绿素浓度和海冰等海洋表面状态；

10、监视森林火灾、森林生长状况；

11、由可见光和近红外云图提取植被指数，监视农作物生长、估计作物产量；

12、监视太阳质子、a 粒子、电子通量密度和能量谱以及卫星高度上的粒子总能量。

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天气分析预报的重要依据

由于卫星观测范围大，能得到海洋、高原、沙漠等人烟稀疏地区的气象资料，大大地改进了这些地区的天气分析的准确性，加深了对各天气系统的理解，揭露了一些新的天气事实，解释了以前无法解释的天气现象。由于卫星云图有高的时、空分辨率，能连续追踪云系的形成、天气系统发展加强与降水等的相互关系，如对锋面、高空槽和气旋云系的发生发展和演变都有了新的认识和理解。发现了大尺度云系分布的各种云型特征，提出了天气尺度云系演变的概念模式，为预报员准确预报天气提供了依据。在使用了卫星资料后，能及早发现天气系统，从而提高预报的准确性，延长预报时效，如在卫星观测之前，青藏高原资料稀少，许多天气系统常常被遗漏，造成天气预报的失败，有了卫星资料后，发现和掌握了青藏高原上冷、暖锋和急流及其它系统的活动规律，为预报我国东部地区的降水发挥了重要作用。

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监视暴雨、强雷暴等灾害性天气系统

暴雨和强雷暴（大风和雷电）是灾害性危险天气系统，对人们的生命财产常造成严重损失。这类系统空间尺度小、变化快、生命短、强度大，用常规的观测资料难以抓住它，因此对这类系统的分析和预报一直是大气科学研究的一个重要问题。静止卫星云图能对某一固定区域连续观测，具有高的时、空分辨率，对发现和连续监视暴雨和强雷暴天气系统是很有效的工具，我国预报员利用静止卫星云图监视暴雨强对流的发生发展，制作0—6 小时和0—12 小时短时天气预报，减少了人民生命和财产损失。

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监视热带洋面上的低压、台风等天气系统

在热带海洋地区，气象测站稀少，资料十分短缺，用常规气象资料很难发现和追踪洋面天气系统的发生发展和移动。卫星云图是监视热带洋面上的低压、台风等天气系统的重要工具。在使用卫星云图以来没有一个台风被遗漏，并总结出一套用卫星云图预报台强度和路径的有效方法，提高了台风预报的准确率，延长了预报时效，保障了人民生命和财产的安全，减少了经济损失。

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改进长期天气预报

卫星资料能提供南北半球环流和中低纬度环流间的相互作用的有关资料，又因这些作用在几天或几星期后影响中纬度地区，所以应用这些资料可以帮助制作中长期天气预报。另外由卫星观测资料计算出的洋面温度、地球表面和洋面的冰雪覆盖资料，以及地球—大气和宇宙之间辐射能的交换资料，可以研究海气交换、气候变迁。

由NOAA 气象卫星的高分辨率红外探测器得到的探测资料反演得到的大气温度、湿度分布和各高度上的云迹风，输入到数值模式中，用于提供数值预报的初始场，进一步提高数值天气预报的准确率。

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在气候研究方面的应用

1）云量、云类

云控制着入射到地球表面的太阳辐射和地球自身发射的红外辐射，所以云对地球的辐射收支有重要影响，从而对地球的增暖和冷却起着直接重要的作用。用卫星资料估算云的时空分布，能用于研究：（1）气候模式和有效性检验；（2）云对气候的影响：（3）云和地球辐射收支：（4）云的气候学变化等。

2）辐射

地球大气顶的辐射收支决定了地气系统的能量输入，辐射能的源和汇导致了大气环流，影响全球的能量和水循环。由卫星观测能确定大气顶的辐射收支，入射地面的太阳辐射，射出长波辐射、总辐射等。

3）降水

用卫星资料估计降水是测量降水的又一新的途径，特别是对于估算大尺度降水是最有效的方法。在热带地区的对流降水及其释放的潜热是大气环流的重要强迫机制之一。卫星估算降水已经是一项重要的业务产品，对于研究降水与气候间的关系，水循环、作物生长等都有是十分有用的。

4）气溶胶、微量气体

CO2、CH4 和N2O，这些气体起着温室效应作用，影响气候变化；臭氧变化影响人类的健康；SO2等有害气体则造成大气污染。

5）冰雪覆盖

中国是世界上中低纬度地区山岳冰川最多的国家之一，冰川面积虽不足全国面积的6%，但其融水量却占全国寺表年总径流量的2.0%，相当于黄河每年入海年总径流量。利用卫星资料能计算冰川面积、冰川变化等。

冰雪覆盖的改变是气候变化的最重要的信号之一，全球气候模拟表明，温室效应在高纬度最大，极地冰雪一旦融化，地面反照率将发生很大变化，结果更有利于增温。地球上的冰雪覆盖有海冰、雪盖和冰川三部分。用卫星资料可以对冰雪覆盖的水平分布进行详细的观测，对冰川的分析更加系统化和全球化。利用NOAA 卫星资料可以分析雪盖的范围、月、季雪盖频次及其距平；由NOAA-K 卫星1.6 微米资料更加容易区分积雪和云，积雪的深度；由美国国防气象卫星SSM/I 资料分析积雪深度。由合成孔径雷达可以提供冰的范围、密度、冰期、冰缝等。。

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为农业提供气象资料

气象卫星可以为农业提供诸如日照、降水、气温、陆面温度、植被分布、蒸散、土壤湿度、地面反照率等气象参数和陆面参数，利用这些资料可以进行农业区划，监视作物长势，监测干旱、虫灾和估算作物产量等。确定反演生态环境预测变量。

西北地区植被分布                          长江中下游植被分布

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监视森林火灾、地表热异常

森林火灾通常用地面建立了望塔和飞机进行观测，其了望塔的观测范围十分有限，而飞机观测费用十分昂贵。卫星观测有高的时空分辨率，可以对大范围森林火灾进行监视观测，经济费用少，是一个十分有效的工具。

黑龙江省的森林火灾

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卫星资料在水文方面的应用

（1）估计降水量；

（2）监测洪涝灾害；洪水泛滥可造成重大损失，利用近红外卫星资料，可以制作洪水泛滥图。

（3）地面水资源。水是地面上无处不有，然而又是最多变的矿产资源，对环境水的监测是一件困难而又迫切的问题之一。水是一切有机物体的组成成分之一，没有水就没有生命。利用卫星遥感资料可以帮助寻找地下水，

对于人烟稀少的高原等地区，由卫星观测水资源的分布是十分理想的工具。

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为海洋活动提供气象资料

1）海洋气象预报和海洋航行保障：全球广阔海洋上大范围海冰、水状态对全球天气有重要影响。卫星观测到的海面温度、海冰、海面风浪状态对制作海洋天气预报有很大帮助。由卫星云图提供的天气实况和天气预报，可以避开不利的天气和海洋上的巨浪，改进海上航行业务。又如根据卫星资料制作的海冰分布图，可以寻找可通行水路的最佳航线，不仅能绕过海上危险的巨大冰山，节省时间和花费。例如在美国每年在海上航运事故造成的损失达5 亿美元，在利用了卫星资料后，可减少损失5—10%。在每年冬季，我国渤海湾地区经常出现冰冻，用飞机或船舶侦察海冰分布，不仅费用大，而且不能满足要求。用卫星资料能准确及时作出海冰分布图，为我国航行事业提供有用资料。

2）海洋环境监视：利用卫星资料能实现环境监视，发现海洋上大范围的污染、赤潮，能获取海洋表面温度、洋流、悬浮物质浓度、叶绿素浓度等海洋表面状态；如石油污染、热污染和固体垃圾污染等海洋污染对生态破坏极大，这些都有可以由卫星监视检测。

3）河口、海岸的研究：使用卫星资料可以研究海岸、河口的形态及沿岸泥沙的搬运。为海港建设、保护海岸和浅海区域施工提供资料。

4）海洋捕捞：卫星资料可以帮助海洋捕捞提供海洋信息，直接或间接反映鱼类生态情况。例如根据卫星提供的海面温度定出冷暖洋流的边界位置，是鱼类活动的区域，由此可以预报鱼群，提高捕鱼产量。

黄海地区的水体分布

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为航空提供飞行保障

在卫星观测之前，由于缺乏资料，航空天气预报难以作准。在一张航线图上，标出哪些地方有强烈颠簸、哪里有积雨云、哪里能见度差、哪里有危险天气等是很困难的，即使能标出，误差也很大，应用卫星资料后，便改善了这种情况，以上问题很容易解决，为飞机安全飞行提供保障。利用卫星资料可以选取最佳航线，如沿高空急流飞行，可以缩短飞行时间，节省燃料。

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为军事提供气象服务

气象卫星资料广泛应用于军事保障工作，如空军靶场，着陆预报、远程轰炸机航线天气预报、危险天气警报、特种军事勤务保障、弹道导-弹系统的计算、气象参数对通信和雷达系统的影响计算等，卫星资料起有重要作用。

美国还专门发射国防气象卫星（DMPS），建立军事气象卫星体系，得到比民用气象卫星分辨率还高的气象资料，在越战和中东战争中广泛使用军事气象卫星资料，发挥了作用。随着我国国防现代化、空间科学和尖端武器的发展，对气象保障工作提出越来越高的要求。例如，卫星发射和着陆回收的地区人烟稀少，气象资料缺乏，卫星可以提供及时而有效的资料。

在战时，气象卫星可以获取敌区的气象资料，为战争服务。同时，若敌方对我方实行封锁，气象情报来源中断，此时气象卫星可以发挥更大的作用。

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空间环境监视

气象卫星上装有空间环境监测器（SEM），测量太阳质子、电子流密度、a粒子、能量谱和总粒子能量等，确定卫星周围的磁场强度和方向、估计太阳X 射线流量，探测太阳风和环绕地球辐射带中的能量粒子，为高层大气物理和空间科学研究提供资料。

这是泰罗斯—N系统卫星上的业务垂直探测器（TOVS）的一个组成部分，用来测量地面到20公里高空的大气温度廓线，是一个4通道狄克型辐射计，探测波长为氧的5·5 毫米吸收带。仪器有两个扫描反射天线系统和直接式收发转换器，四个Dicke超外差接收机，一个数据编程器和电源。天线以11步在天底两边±47·4°范围内扫描。天线的波束宽度为7·5°（半功率点），其星下点地面分辨率为109km。每个天线接收的微波能量由一个直接式收发转换器分离为垂直和水平极化分量，由此产生四个信号再逐个送到辐射计的一个通道，用Dicke开关对输入噪声温度以1kHz的速率进行调制，从而在环境温度参考负载与输入信号之间进行数值比较。在每一扫描周期内通过对冷空间和舱内的观测，实现了两点定标。MSU数据单元由一个多路调制器和一个模数转换器（A/D）组成，该A/D具有12bit精度和0·05%的相对精度。多路调制器接收模拟数据，和四个通道的监视器信号，并顺序将它们送到A/D转换器。对多路调制器、A/D转换器和扫描系统的排序和同步信号由一个联接卫星时钟和同步信号的数字编程器提供。

卫星携带的气象观测仪器主要有：改进型甚高分辨率扫描辐射计（ AVHRR）和泰罗斯业务垂直探测器（TOVS）。改进型甚高分辨率扫描辐射计有5个波段通道 。它拍摄的云图等数据可以实时用137兆赫和1700兆赫两个频段传向地面；也可以将全球的云图数据存贮于卫星的磁带机内，在卫星飞经地面数据处理中心站时由地面发控制指令进行回放。泰罗斯业务垂直探测器由高分辨率红外分光计、微波探测计、平流层探测计3种气象遥感仪器组成 ，它们的星下点分辨率分别为17、109和147千米。对这些仪器获得的数据进行地面处理可得到从地表到1000帕（10毫巴）高度的温度廓线、大气中各层次的水汽含量和大气中的臭氧总含量等气象资料。卫星还携带空间环境监测器（SEM） ，用以测量太阳高能带电粒子（质子、a粒子和电子）的通量密度、能谱和出现在卫星所在高度上的粒子总能量。卫星上的资料收集和定位系统（ARGOS）每天可收集4000个地面气象站、海洋自动浮标和无人值守地区的自动气象站所获得的温度、压力、湿度等环境资料，而且能对这些台站定位。卫星能提供实时和延时两种形式的气象资料。

红外探测器

infrared detector

将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。

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