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第三章遥感平台及与运行特点 第一节遥感平台的种类第二节卫星轨道及运行特点第三节陆地卫星及运行特点第四节其他卫星及运行特点 1 第一节遥感平台的种类 遥感平台 航天平台 航空平台 地面平台 高度 150km 高度 30km以内 高度 100米 卫星 火箭 航天飞机 宇宙飞船 三角架 遥感塔 遥感车 船 建筑物的顶部等 各类飞机 飞艇 气球等 2 可应用的遥感平台 3 人造地球卫星 目前运用最广的遥感平台 1 低高度 短寿命卫星 150 350km 不到一年 2 中高度 长寿命卫星 350 1800km 3 5年 3 高高度 长寿命卫星 约为36000km 4 遥感卫星系列 气象卫星系列 陆地卫星系列 海洋卫星系列 5 一 开普勒定律 天体运行的规律卫星在空间运行 遵循天体运动的开普勒三定律 一 开普勒第一定律星体绕地球 或者太阳 运动的轨道是一个椭圆 地球 太阳 位于椭圆的一个焦点上 近地点 近地点 第二节卫星轨道及运行特点 6 二 开普勒第二定律从地心 或者太阳中心 到星体的连线 星体向径 在单位时间扫过的面积相等 卫星在离地近的地方经过时的速度要快些 在离地远的地方运行的速度要慢些 7 三 开普勒第三定律行星的公转周期的平方与它的轨道长半径的立方成正比 卫星绕地球的运行周期的平方与它的轨道长半径的立方成正比 T2 R a 3 CT 运行周期 R 地球半径 a 轨道长半径 C 开普勒常数 8 二 轨道参数1 倾角 地球赤道平面与卫星轨道平面间的夹角 具体计算是在卫星轨道升段时由赤道平面反时针旋转到轨道平面的夹角 决定对地观测范围 2 升交点赤经 卫星轨道的升交点与春分点之间的角距 升交点为卫星由南往北飞行在赤道上的交点 决定星下点成像时的太阳高度角 9 3 近地点角距 在轨道平面内升交点和近地点之间的夹角 4 卫星轨道长半轴 卫星远地点到轨道椭圆中心的距离 5 偏心率 焦距与轨道半长轴之比 6 卫星过近地点时刻 10 一些常用参数卫星速度 其中 M 地球质量G 万有引力常数r 卫星距地心高度 R h 11 卫星高度 卫星在太空绕地球运行的轨道距地球表面的高度 重复周期 卫星从某地上空开始运行 经过若干时间的运行后 回到该地上空所需要的天数 星下点 卫星与地球中心连线在地球表面的交点 卫星运行周期 卫星在轨道上绕地球运行一周所需要的时间 公式为 12 三 卫星姿态角滚动俯仰航偏 13 四 遥感卫星的轨道类型地球同步轨道 Geosynchronoussatelliteorbit 卫星运行周期与地球自转周期相同的轨道称为地球同步卫星轨道太阳同步轨道 sun synchronoussatelliteorbit 轨道平面绕地轴旋转的方向与地球公转的方向相同 旋转的角速度等于地球公转的平均角速度 14 地球静止卫星轨道 geostationarysatelliteorbit 在无数条同步轨道中 有一条圆形轨道 它的轨道平面与地球赤道平面重合 在这个轨道上的所有卫星 从地面上看都像是悬在赤道上空静止不动 这样的卫星称为地球静止轨道卫星 简称静止卫星 这条轨道就称为地球静止卫星轨道 简称静止卫星轨道 高度大约是35800公里 能够长时间观测特定地区 卫星高度高 能将大范围的区域同时收入视野 应用于气象和通讯领域人们通常简称的同步轨道卫星一般指的是静止卫星 15 太阳同步轨道 sunsynchronousorbit 卫星的轨道平面与赤道平面的夹角一般是不会变的 但会绕地球自转轴旋转 卫星轨道倾角很大 绕过极地地区 也称极轨卫星在太阳同步轨道上 卫星于同一纬度的地点 每天在同一地方时同一方向通过 16 第三节陆地卫星及轨道特征 美国陆地卫星系列Landsat 法国资源卫星系列SPOT 印度资源卫星系列IRS等 中国资源一号卫星 中巴地球资源卫星 CBERS JERS卫星 高分辨率陆地卫星系列 SAR类卫星 17 陆地卫星Landsat 1972年发射第一颗 随后陆续发射了7颗 已连续三十多年为人类提供陆地卫星图像 产品主要有MSS TM ETM 属于中高度 长寿命的卫星 陆地卫星的运行特点 1 近极地 近圆形的轨道 2 轨道高度为700 900km 3 运行周期为99 103min 圈 4 轨道与太阳同步 一 Landsat系列卫星 18 美国陆地卫星系列的基本特征 19 Landsat4 5卫星 20 Landsat系列卫星最高空间分辨率 全色15米 传感器ETM 多光谱30米 传感器TM 21 22 23 LandSat30米TM多光谱卫星影像 24 LandSat15米ETM全色卫星影像 25 二 SPOT系列卫星1978年起 以法国为主 联合比利时 瑞典等欧共体某些国家 设计 研制了一颗名为 地球观测实验系统 SPOT 的卫星 也叫做 地球观测实验卫星 SPOT1 1986年2月发射 至今还在运行 SPOT2 1990年1月发射 至今还在运行 SPOT3 1993年9月发射 1997年11月14日停止运行 SPOT4 1998年3月发射 至今还在运行 SPOT5 2002年5月4日发射 26 中等高度 832km 圆形近极地太阳同步轨道 主要成像系统 高分辨率可见光扫描仪 HRV HRG VEGETATION HRS 27 轨道高度 832公里轨道倾角 98 721o轨道周期 101 469分 圈重复周期 26天 369圈降交点时间 上午10 30分扫描带宽度 60公里两侧侧视 27o扫描带宽 950公里 28 SPOT传感器 29 卫星的运行 SPOT 30 SPOT卫星群的组合 31 SPOT的HRV波谱段 32 10全色 33 SPOT5的HRG HRS波谱段 34 三 IRS系列卫星卫星运行特点 与太阳同步 近极地 近圆形轨道 该卫星载有三种传感器 全色像机 PAN 线性成像自扫描仪 LISS 广域传感器 WiFS PAN数据运用CCD推扫描方式成像 地面分辨率高达5 8m 带宽70km 光谱范围0 5 0 75 m 具有立体成像能力和可在5天内重复拍摄同一地区 运用其资料可以建立详细的数字化制图数据和数字高程模型 DEM LISS数据在可见光和近红外谱段的地面分辨率为23 5m 在短波红外谱段的分辨率为70m 带宽141km 有利于研究农作物含水成分和估算叶冠指数 并能在更小的面积上更精确地区分植被 也能提高专题数据的测绘精度 WiFS数据是双谱段像机 用于动态监测与自然资源管理 两个波谱段是可见光与近红外 地面分辨率为188 3m 带宽810km 它特别有利于自然资源监测和动态现象 洪水 干旱 森林火灾等 监测 也可用于农作物长势 种植分类 轮种 收割等方面的观察 35 1988年3月 发射IRS 1A1991年8月 发射IRS 1B两颗卫星完全相同携带LISS 1和LISS 2传感器 分辨率分别为72 5米和36 25米 4波段 数据重访周期为22天1994年10月 发射IRS P2携带改进型LISS传感器 IRS系列卫星运行情况 36 印度的第一代运行性遥感卫星 1 1995年12月 发射IRS 1C 2 1997年9月 发射IRS 1D全色传感器 分辨率为5 8米可见光波段 幅宽为70公里 26度左右可调侧视 LISS III多光谱传感器 分辨率为23 5米的可见光和近红外波段 70米的短波红外波段 幅宽为141公里 WiFS广角传感器 分辨率为188米的可见光和近红外两个波段 幅宽810公里 3 1996年4月 发射IRS P3携带3个传感器 其中AWiFS传感器增加一个波段 37 印度的第二代运行性遥感卫星 1 1999年5月 发射IRS P4 OCEANSAT 1 携带两个传感器 即OCM OceanColorMonitor 和MSMR Multi frequencyScanningMicrowaveRadiometer 2 2003年10月17日 发射RESOURCESAT 1 IRS P6 3 2005年5月发射CARTOSAT 1 IRS P5 携带两个分辨率为2 5米的全色传感器数据主要用于高程建模 地形图制图和地籍制图 38 长半轴7195 12公里高度817公里倾角98 731度偏心率0 001每天飞行的轨道数14轨道周期101 35分钟重复周期 LISS 3 24天重访周期 LISS 4 5天重复周期 AWIFS 5天经过赤道时间10 30 5分钟 降轨 IRS P6卫星参数 39 四 CBERS 1中巴资源卫星CBERS 1中巴资源卫星由中国与巴西于1999年10月14日合作发射 是我国的第一颗数字传输型资源卫星 卫星运行特点 与太阳同步近极地近圆形轨道 40 轨道高度 778公里 倾角 98 5o 运行周期 100 26min 重复周期 26天 平均降交点地方时为上午10 30 扫描带宽度 185公里 星上搭载了CCD传感器 IRMSS红外扫描仪 广角成像仪 由于提供了从20米 256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据 成为资源卫星系列中有特色的一员 卫星参数 41 主要技术指标 42 43 五 JERS卫星卫星运行特点 近圆形 近极地 太阳同步 中等高度轨道 该卫星是一颗将光学传感器和合成孔径雷达系统置于同一平台上的卫星 主要用途是观测地球陆域 进行地学研究等 共有3台遥感器 可见光近红外辐射计 VNR 短波红外辐射 SWIR 合成孔径雷达 SAR 44 JERSImage 地点 美国内华达州JERS图像 45 六 高分辨率陆地卫星 一 IKONOS卫星自从l994年3月lO日美国克林顿政府颁布关于商业遥感数据销售新政策以来 解禁了过去不准10 1m级分辨率图像商业销售 使得高分辨率卫星遥感成像系统迅速发展起来 美国空间成像公司 Space Imaging 的IKONOS卫星是最早获得许可之一 经过5年的努力 于1999年9月24日空间成像公司率先将IKONOS 2高分辨率 全色1m 多光谱4m 卫星 由加州瓦登伯格空军基地发射升空 46 卫星参数 携带一个全色1m分辨率传感器和一个四波段4m分辨率的多光谱传感器 传感器由三个CCD阵列构成三线阵推扫成像系统 IKONOS技术指标 具有太阳同步轨道倾角为98 1 设计高度681km 赤道上 轨道周期为98 3min降交角在上午10 30重复周期l 3d 47 IKONOS光谱段 全色光谱响应范围 0 15 0 90 m而多光谱则相应于Landsat TM的波段 MSI 10 45 0 52 m蓝绿波段MSI 20 52 0 60 m绿红波段MSI 30 63 0 69 m红波段MSI 40 76 0 90 m近红外波段 48 IKONOS图像 地区 上海浦东 分辨率 1m 采集时间 2000年3月26日 49 二 QuickBird卫星美国DigitalGlobe公司的高分辨率商业卫星 于2001年10月18日在美国发射成功 卫星轨道参数 轨道高度 450km倾角 98 重复周期 1 6d QuickBird图像 目前是世界上商业卫星分辨率最高的遥感数据 为0 61m 幅宽16 5km 可用于制图 城市详细规划 环境管理 农业评估 50 QuickBird传感器结构图 51 QuickBird数据的光谱段 Quickbird传感器为推扫式成像扫描仪 52 QuickBird影像图 53 QuickBird影像图 华盛顿纪念碑 54 55 56 七 高光谱类卫星 背景 多光谱的波段有限 难以真实反映地物表面物质的光谱反射辐射特性的细微差异 无法用光谱的信息来直接识别地物的类别 主要特点 采用高分辨率成像光谱仪 波段数为36 256个 光谱分辨率为5 10nm 地面分辨率为30 1000m 目前这类卫星大多是军方发射的 民用高光谱类卫星较少 应用 主要用于大气 海洋和陆地探测 57 MODIS卫星 MODerateresolutionImagingSpectroradiometer 中等分辨力成像光谱仪 MODIS是EOS AM1系列卫星的主要探测仪器 美国于2000年初发射成功的 每一个MODIS仪器使用寿命为5年 将计划发射四颗卫星 特点 波段36个 光谱范围0 4 14 5 m 地面分辨率 250m 500m 1000m 宽视域 扫描角55 宽2330公里 快速 1 2天获全球数据 高辐射分辨力 12bit 58 Terra Launched18Dec1999http terra nasa gov EOS Terra EOS TerraSatellitefullydeployed 59 60 61 62 63 八 SAR 合成孔径雷达 类卫星 微波成像的特点 能穿透云雾 雨雪 具有全天候工作能力 对地物有一定的穿透能力 能弥补可见光和红外遥感的不足 可以记录电磁波振幅信号和相位信号 64 太阳同步轨道轨道高度 796公里倾角 98 6o运行周期 100 7分钟重复周期 24天每天轨道数 14卫星过境的当地时间约为早6点晚6点 重量 2750kg 65 66 67 68 第四节其他卫星及运行特点 气象卫星系列海洋卫星系列 69 气象卫星系列 70 低轨气象卫星 近极地太阳同步轨道 轨道高度 800 1600公里信息采集时间周期 每天固定时间经过固定地点扫描宽度 2800公里主要应用领域 天气分析气象预报 气候研究 环境监测 特点 南北向绕地球运转 东西向带状扫描 71 主要低轨气象卫星 美国 NOAA系列卫星俄罗斯 Metop系列卫星中国 FY 1系列卫星 72 美国NOAA卫星系列双星运行 上下午各获取一次信息 扫描宽度 2800公里分辨率 星下点1 1公里 边缘部分4公里 NOAA气象卫星的光谱特征 73 NOAA相关资料 NOAA NationalOceanicAtmosphericAdministration 是美国国家海洋与大气管理局的英文缩写 1960年4月1日 美国发射了世界上第一颗极轨气象卫星 TIROS 1 现在 极轨气象卫星已经发展到第四代 第三代极轨气象卫星TIROS N于1978年10月13日发射成功并开始运行 这个系列共有11颗卫星 TIROS N NOAA A到J NOAA极轨气象卫星系列发射前以字母标号 入轨运行后以数字标号代替 如1984年12月12日发射的NOAA F运行后更名为NOAA 9 NOAA极轨气象卫星采用双星运行模式 单号星从南向北飞 经过赤道时间为地方时14 30 双号星从北向南飞 经过赤道时间为地方时07 30 目前 在轨运行的是NOAA 13 NOAA 14 NOAA 15 未能正常工作 NOAA 16和NOAA 17 74 沙尘暴 受偏西大风影响 甘肃中部 内蒙古西部 宁夏北部和陕西北部出现了扬沙天气 这是今天下午14时44分NOAA 16气象卫星所监测到的沙尘图像 其中宁夏东部的盐池 陕西的定边 靖边地区以及内蒙古毛乌素沙漠出现了沙尘暴 75 雪情监测 76 77 78 NOAA 14图像 广州 79 NOAA 16图像 NOAA 16日期 2003年05月11日时间 04 59 14 UTC UTC指国际标准时间或格林尼治时间 80 NOAA 17 NOAA 17日期 2003年5年11日时间 01 49 15 UTC UTC指国际标准时间或格林尼治时间 81 NOAA 17 NOAA 17日期 2003年5月11日时间 00 09 45 UTC UTC指国际标准时间或格林尼治时间 82 NOAAAVHRRimage 时间 2003年1月18日地点 堪培拉NOAAAVHRR图像图像反映火灾的发生和痕迹 83 FY 1风云气象卫星 1988年9月和1990年9月先后发射的A B 停用1999年5月和2002年5月先后发射的C DFY 1C星卫星轨道参数轨道高度 863km轨道倾角 98 79 轨道偏心率 0 00188轨道回归周期 10 61天轨道降交点地方时 8 34 1999 07 04 84 FY气象卫星的用途 1 可连续对我国及周边地区的天气进行实时监测 2 可连续监测天气变化 3 其视野更广 可覆盖以我国为中心的约1亿km2的地球表面 即亚洲 大洋洲及非洲和欧洲的一部分 观测和提供这一区域内的云图 温度 水气 风场等气象动态 为进行中长期天气预报和灾害预报起重要作用 85 FY 3风云三号极轨气象卫星 2008年5月27日 我国新一代极轨气象卫星风云三号A星成功发射 卫星上主要遥感仪器有8种11台设备 可见红外扫描辐射计 红外分光计 中分辨率成像光谱仪 微波成像仪 微波辐射计 紫外臭氧探测仪 地球辐射收支仪 空间环境监测器 以便获取地球大气环境的三维 全球 全天候 定量 高精度资料 86 87 沙尘暴 遥感导论 本图为利用FY 1D气象卫星2003年6月7日11 00 北京时 观测到的内蒙西部沙尘暴监测产品图像 在图中我们可以看到内蒙古西部出现了小范围的扬沙天气 88 云图 中国 FY 1B 气象卫星四轨拼接图象 地面分辨率公里 1 1 89 90 FY 1D图像 91 FY 1D图像 92 FY 1D图像 93 FY 1D图像 94 轨道高度 36000公里信息采集时间周期 约20分钟分辨率 1 25 5公里范围 1 4地球面积主要应用领域 全球性大气环流 全球性天气过程 通讯 特点 高轨气象卫星 静止气象卫星 地球同步轨道 95 日本 GMS卫星监测范围 西太平洋 东南亚 澳大利亚位置 E140 美国 SMS GOES E卫星SMS GOES W卫星监测范围 北美大陆西部 东太平洋北美大陆东部 南美大陆位置 W140 W7