卫星遥感概论解读

1、0 引言：遥感的历史发展由于遥感在地表资源环境监测、 农作物估产、 灾害监测、 全球变化等等许多 方面具有显而易见的优势， 它正处于飞速发展中。 更理想的平台、 更先进的传感 器和影像处理技术正在不断地发展， 以促进遥感在更广泛的领域里发挥更大的作 用。遥感技术， 目前已成为一个世界性的课题。 这样的问题所以被提出来， 首先与地 球资源技术卫星的实验成功有关。 遥感技术得以蓬勃发展， 也与这一方法的有关。1 什么是遥感“遥感”，顾名思义，就是遥远地感知。传说中的“千里眼”、“顺风耳”就具 有这样的能力。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、 发射和反射信息和能量， 其中有一种

2、人类已经认识到的形式电磁波， 并且发 现不同物体的电磁波特性是不同的。 遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电 磁波的反射和其发射的电磁波， 从而提取这些物体的信息， 完成远距离识别物体。例如，大兴安岭森林火灾发生的时候， 由于着火的树木温度比没有着火的树 木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量， 这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候， 如果这时候正好有一个载 着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空， 传感器拍摄到大兴安岭周围方圆 上万平方公里的影像， 因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的 电磁能量， 在影像着火的森林就会显示出比没有着火

3、的森林更亮的浅色调。 当影 像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大， 而消防队员只是集中在一个很小的地点上， 说明火情逼人， 必须马上调遣更多的 消防员到不同的地点参加灭火战斗。遥感的分类 ?(1)按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。航天遥感又称太空遥感 (space remote sensing) 泛指利用各种太空飞行器为 平台的遥感技术系统， 以地球人造卫星为主体， 包括载人飞船、 航天飞机和太空 站，有时也把各种行星探测器包括在内。卫星遥感 (satellite remote sensing) 为航天遥感的组成部分，以人造地球 卫星

4、作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。地面遥感主要指以高塔、 车、船为平台的遥感技术系统， 地物波谱仪或传感 器安装在这些地面平台上 , 可进行各种地物波谱测量。（2）按所利用的电磁波的光谱段分类可分为： 可见光/反射红外遥感、 热红外遥 感、微波遥感三种类型。可见光/ 反射红外遥感，主要指利用可见光 （0.4-0.7 微米）和近红外 （0.7-2.5 微米）波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段 , 后者即是反射红 外波段，人眼虽不能直接看见 , 但其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的 特点是，其

5、辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根 据地物反射率的差异， 就可以获得有关目标物的信息， 它们都可以用摄影方式和 扫描方式成象。热红外遥感， 指通过红外敏感元件， 探测物体的热辐射能量， 显示目标的辐 射温度或热场图象的遥感技术的统称。遥感中指 8-14 微米波段范围。 地物在常 温（约 300K）下热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能量 大于太阳的反射能量。 热红外遥感具有昼夜工作的能力。微波遥感，指利用波长 1-1000 毫米电磁波遥感的统称。通过 接收地面物体 发射的微波辐射能量 ，或 接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号 ，对物 体进行探测、

6、识别和分析。微波遥感的特点是 对云层、地表植被、松散沙层和干 燥冰雪具有一定的穿透能力， 又能夜以继日地全天侯工作。（ 3）按研究对象分类 可分为资源遥感与环境遥感两大类。资源遥感：以地球资源作为调查研究的对象的遥感方法和实践， 调查自然资 源状况和监测再生资源的动态变化， 是遥感技术应用的主要领域之一。 利用遥感 信息勘测地球资源，成本低，速度快 , 有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少 勘测投资的盲目性。环境遥感： 利用各种遥感技术， 对自然与社会环境的动态变化进行监测或作 出评价与预报的统称。 由于人口的增长与资源的开发、 利用， 自然与社会环境随 时都在发生变化 , 利用遥感多时相、周

7、期短的特点，可以迅速为环境监测。评价 和预报提供可靠依据。（4）按应用空间尺度分类 可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称。区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程， 它通常按行 政区划（国家、省区等）和自然区划（如流域）或经济区进行。城市遥感：以城市环境、生态做为主要调查研究对象的遥感工程。（5）通过接收的电磁辐射的性质分为主动式、被动式。主动式，通过主动发射电磁波形并接收被研究物体反射或者散射的电磁波进 而推断。被动式，直接接收被观测物体自己发射或者反射电磁辐射， 自然中， 太阳是 一个重要的辐射源（6）遥感技术依其遥感仪

8、器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感技术，声纳 遥感技术，物理场（如重力和磁力场）遥感技术。电磁波遥感技术是利用各种物体 / 物质反射或发射出不同特性的电磁波进行 遥感的。其可分为可见光、红外、微波等遥感技术。按照感测目标的能源作用可 分为：主动式遥感技术和被动式遥感技术。 按照记录信息的表现形式可分为： 图 像方式和非图像方式。 按照遥感器使用的平台可分为： 航天遥感技术， 航空遥感 技术、地面遥感技术。按照遥感的应用领域可分为：地球资源遥感技术，环境遥 感技术，气象遥感技术，海洋遥感技术等。遥感技术包括的基本特征除了不同物体具有不同的电磁波特性这一基本特征外， 还有遥感平台， 在上 面的例

9、子中就是卫星了， 它的作用就是稳定地运载传感器。 除了卫星， 常用的遥 感平台还有飞机、 气球等； 当在地面试验时， 还会用到地面象三角架这样简单的 遥感平台。传感器就是安装在遥感平台上探测物体电磁波的仪器。 针对不同的应用和波 段范围，人们已经研究出很多种传感器， 探测和接收物体在可见光、 红外线和微 波范围内的电磁辐射。传感器会把这些电磁辐射按照一定的规律转换为原始图 像。原始图像被地面站接收后， 要经过一系列复杂的处理， 才能提供给不同的用 户使用，他们才能用这些处理过的影像开展自己的工作。遥感技术包括：传感器技术，信息传输技术，信息处理、提取和应用技术， 目标信息特征的分析与测量技术等

10、。遥感技术系统包括：空间信息采集系统（包括遥感平台和传感器），地面接 收和预处理系统（包括辐射校正和几何校正），地面实况调查系统（如收集环境 和气象数据），信息分析应用系统。遥感常用的传感器有那些： 航空摄影机（航摄仪）、全景摄影机、多光谱摄 影机、多光谱扫描仪 （Multi Spectral Scanner ， MSS、） 专题制图仪（ Thematic Mapper,TM）、反束光导摄像管（ RBV）、 HRV（High Resolution Visible range instruments ）扫描仪、合成孔径侧视雷达 （Side-Looking Airborne Radar，SLAR）

11、。图象处理 ：遥感影像通常需要进一步处理方可使用， 用于该目的的技术称之 为图象处理。 图象处理包括各种可以对像片或数字影像进行处理的操作， 这些包 括图象压缩、 图象存储、图象增强、 处理、量化、空间滤波以及图象模式识别等。 还有其它更加丰富的内容。目前，主要的遥感应用软件是 envi 、ilwis 、PCI、ERMapper和 ERDA。S遥感的优势2 卫星与遥感技术1957年，第一颗人造卫星升空，标志着人类进入了太空时代。 1968 年，美 国阿波罗 8 宇宙飞行器发送回了第一个地球影像，从此，人类开始以全新的视 角来重新认识自己赖以生存的地球。 基于军事方面的考虑， 各主要航天大国相继

12、 研制出各种以对地观测为目的的遥感卫星， 并逐步向商用化转移。 随着计算机技 术、光电技术和航天技术的不断发展， 卫星遥感技术正在进入一个能快速、 及时 提供多种对地观测海量数据的新阶段及应用研究的新领域。国外主要遥感卫星2.1 美国资源卫星美国于 1961年发射了第一颗试验型极轨气象卫星， 到 70年代，在气象卫星 的基础上研制发射了第一代试验型地球资源卫星 （陆地 1、2、3） 。这三颗卫星 上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪 MSS，分别有 3 个和 4 个谱段，分辨率为 80m。各国从卫星上接收了约 45 万幅遥感图像。80 年代，美国分别发射了第二代试验型地球资源卫星 （陆地 4、）

13、 。卫星在技术 上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题绘图仪TM，可通过中继卫星传送数据。 TM的波谱范围比 MSS大，每个波段范围较窄，因而 波谱分辨率比 MSS图像高，其地面分辨率为 30m（TM6的地面分辨率只有 120m）。 陆地 5 卫星是 1984年发射的，现仍在运行。90 年代，美国又分别发射了第三代资源卫星 （ 陆地 6，7） 。陆地 6 卫星是 1993 年发射的，因未能进入轨道而失败。由于克林顿政府的支持，1999 年发射了陆地7 卫星，以保持地球图像、全球变化的长期连续监测。该卫星装备了一台增 强型专题绘图仪 ETM+，该设备增加了一个 15m分辨率

14、的全色波段，热红外信道 的空间分辨率也提高了一倍，达到 60m。美国资源卫星每景影像对应的实际地面 面积均为 185km185km，16 天即可覆盖全球一次。2.2 法国遥感卫星继 1986 年以来，法国先后发射了斯波特、 2、3、4 对地观测卫星。斯 波特 1、2、3 采用 832km高度的太阳同步轨道，轨道重复周期为 26天。卫星 上装有两台高分辨率可见光相机 （HRV），可获取 10m分辨率的全遥感图像以及 20m 分辨率的三谱段遥感图像。这些相机有侧视观测能力，可横向摆动27，卫星还能进行立体观测。斯波特 4 卫星遥感器增加了新的中红外谱段，可用于估测 植物水分， 增强对植物的分类识别

15、能力， 并有助于冰雪探测。 该卫星还装载了一 个植被仪，可连续监测植被情况。 斯波特 5是新一代遥感卫星， 其分辨率更高， 即将向全世界提供服务。加拿大雷达卫星 1加拿大雷达卫星 1 于 1995 年发射，它标志着卫星微波遥感技术的重大进 展。雷达卫星 1 除了有一个地面卫星数据接收站外， 卫星上还载有磁带记录器， 可覆盖全球。该星为地面分辨率、成像行宽和波束入射角提供了更宽的选择范围。 除陆地及海洋应用外， 其重要任务一是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫 星覆盖，二是对全球产生多次卫星覆盖。“奋进”号航天飞机美国国家航空航天局 (NASA)的“奋进”号航天飞机于今年 2月发射成功。 该

16、飞机上装有一个 X波段合成孔径雷达和一个 C波段梭动成像雷达。 其中一个雷达 上装有一根碳纤维复合材料制成的 60m长的波段天线，天线伸向机身外， 与另一 雷达构成一个视角。 两个雷达从不同位置聚焦到地面， 即航天飞机雷达地形测绘 可获取地球的立体影像。依科诺斯依科诺斯卫星是美国 Spaceimage公司于 1999年 9 月发射的高分辨率商用卫 星，卫星飞行高度 680km，每天绕地球 14 圈，星上装有柯达公司制造的数字相 机。相机的扫描宽度为 11km，可采集 1m分辨率的黑白影像和 4m分辨率的多波 段( 红、绿、蓝、近红外 ) 影像。由于其分辨率高、覆盖周期短，故在军事和民用 方面均

17、有重要用途。中国遥感卫星 中国和巴西联合研制的中巴地球资源卫星即资源一号卫星，于 1999年 10月 14 日发射成功。 经过在轨测试后转入应用运行阶段。 由北京、广州和乌鲁木齐三个 地面接收站接收该卫星获取的我国境内的遥感数据。 所接收影像的地面分辨率分 别有 19.5m、78m、256m等三种。资源二号卫星现已在轨运行，这将会为我国遥 感事业的发展以及在国民生活中的应用提供地面分辨率更高的卫星影像。中国将发射首枚海洋卫星2001年 11月 19日华声报讯：中国权威机构透露，明年上半年中国将发射首枚海洋卫星。列入国家 “九五”计划的中国第一颗海洋卫星，已被国家海洋局命名为 “HY-1” 卫星

18、。寿命两年，其卫星轨道为太阳同步近圆形轨道，高度79km，主要任务是用可见光和红外手段探测水色水温。 已写入 中国的航天 政府白皮书的海洋卫 星，将与气象卫星、资源卫星系列一起， 构成长期稳定运行的卫星对地观测体系。这颗卫星通过观测海水光学特性、叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、 黄色物质和海洋污染物， 能够掌握海洋初级生产力分布、 海洋渔业养殖业资源状况和环境质量， 了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律， 从而为资源利用、 环保 和执法管理提供科学依据。国家海洋局局长王曙光说，为维护中国海洋权益，海洋卫星将与海监飞机、 船舶、浮标和岸站， 共同对中国海域进行立体与动态监测。 中国将要建立的海

19、洋 卫星体系， 包括海洋水色卫星系列 (HY-1) 、海洋动力环境卫星系列 (HY-2) 和海洋 环境综合卫星系列 (HY-3) 。国家海洋卫星应用中心负责人表示，争取在 2015 年，最大限度缩小中国的海洋 卫星研制发射和测控技术及地面应用与先进国家的差距， 在某些方面赶超世界先 进水平。据悉，作为国防科研军民用卫星研制计划， 中国第一颗海洋卫星将利用风云一 号卫星 02 批第二颗卫星发射机会，搭载发射。其地面应用系统总投资达 8700 万元。在卫星上携带各种气象观测仪器， 测量诸如温度、 湿度、云和辐射等气象要素以 及 各种天气现象， 这种专门用于气象目的的卫星称作气象卫星。 按卫星轨道分

20、， 气象卫星 可以分为两类：极地太阳同步轨道卫星。 其卫星的轨道平面与太阳始终保持相对固定的取向， 卫星几乎以同一地方时 经过世 界各地。地球同步气象卫星，又称静止气象卫星。 卫星相对某一区域是不动的。 因而由静止气象卫星可连续监视某一固定区域 的天气 变化。根据气象卫星的目的还分为：试验卫星， 主要对各种气象卫星遥感仪器、 新的技术进行试验， 待试验成 功后转 到业务气象卫星上使用；业务卫星， 这种卫星带有各种成熟的设备和技术， 获取各种气象资料， 为 天气预 报和大气科学研究服务。气象卫星的出现促进了新的学科 卫星气象学的形成。 卫星气象学研究的 内容主 要有：寻找从卫星上探测和获取大气中

21、主要气象要素如云、风、温度、湿度、辐 射、臭氧 等和大气现象的理论和方法；被测物体(如地表、云和大气主要吸收气体)的辐射特性及电磁辐射在大 气中的传 输规律；卫星资料接收、处理、存贮和各种气象要素处理方法的研究；选择测量各种气象要素和物体特性的最佳光谱段， 满足气象观测要求的遥 感仪的最 佳设计；气象卫星资料在业务天气预报、 数值预报模式和大气科学研究中应用方法 的研究；气象卫星资料精度的研究。倾角 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。高度卫星离地球表面的距离。星下点 卫星与地球中心连线在地球表面的交点。升交点卫星由南往北飞行在

22、赤道上的交点。周期卫星绕地球一周需要的时间。截距卫星绕地球一周，地球转过的度数。偏心率焦距与轨道半长轴之比。近地点角 在轨道平面内升交点和近地点与地心连线间的夹角。 平均近点角 若卫星通过近地点的时刻为 tp，卫星的平均角速度为 n，则任 一时刻的 平均近点角 M=n （t-tp）。轨道数 卫星从升交点开始到下一个升交点为止环绕地球的圈数。卫星轨道参数 4近极地太阳同步卫星轨道所谓太阳同步轨道是指卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。 由 于这种 轨道的倾角接近 90，卫星要在极地附近通过，所以又称它为近极地太 阳同步卫星轨道。 为保持轨道平面始终与太阳保持固定的取向，在卫星随地球 绕太

23、阳公转时，轨道平面每 天要自西向东作大约 1的转动。但是若地球是个均 匀球体，当地球绕太阳公转时，轨 道平面随地球作平动，则轨道平面不能保持 与太阳有固定的取向。事实上由于地球是个 扁椭球体，这种扁椭球体上的各点 对卫星的引力不等，使卫星的轨道平面绕地轴朝着与 卫星运动相反方向旋转， 即轨道平面的进动。 若选定合适的倾角（大于 90）使卫星轨 道平面的进动为 1， 正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向。这样就实现了太阳同 步轨道。在 这种轨道上的卫星以固定的地方时观测地球大气，有较固定的光照条件。对 获 取可用的资料、资料的接收、轨道的计算等都十分方便。太阳同步轨道示意图5地球同步卫星轨道若

24、卫星轨道倾角为 0，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空，并 且卫星 的轨道周期等于地球的自转周期，其旋转方向相同，这样的轨道称做地 球同步卫星轨道。 从地面上看， 这种轨道上的卫星相对地球赤道上某一点不动， 故又称静止卫星轨道。实 现地球同步轨道，必须满足以下条件：卫星运行方向与地球自转方向相同；轨道倾角为 0；轨道偏心率为 0，即轨道是圆形的；轨道周期等于 23小时 56分 04秒，即等于地球自转周期。 静止卫星的高度 为 35860 公 里。事实上，静止卫星轨道不完全是圆形， 带有一点椭圆形， 在一天当中轨道半 径时大 时小，轨道半径偏大时，卫星速度减小，其相对地球就要向西漂移，否

25、则要向东漂移。 另外卫星的轨道倾角也不正好为 0，这时卫星作南北漂移。 若卫星轨道有点椭圆形， 又有一点倾角，则卫星星下点轨迹是上面两种结果的 合成，使得每天星下点轨迹为“ 8” 字形。五颗静止气象卫星6泰罗斯 N/诺阿（ TIROS N/NOAA）业务卫星（ 19781985 年）1978年 10月 31 日，泰罗斯 N卫星发射成功，标志了第三代业务卫星的 开始。这一 系列卫星为气象业务和世界天气监视网实验计划提供所需的全球气 象和环境资料。 所携 带的改进的甚高分辨率扫描辐射仪 （AVHR）R 能提供高分辨 率（星下点 1 1 公里）的可 见光和红外云图，以及海表温度、热量收支和各 分量、

26、冰雪覆盖等。 TIROS业务垂直探 测器（ TOVS）为大气垂直结构提供更精 细的估计值。资料收集系统（ DCS）从固定 观测平台、移动观测平台，如浮标、 气球以及其它远距离观测平台收集环境资料，并将 这些资料传递到中心站进行 处理并中继给用户。太阳环境监视器（ SEM）测量太阳质子、 电子和 粒子的 密度。这一代卫星重约 1421千克，其本体是一五面体箱形结构，长 371 米，直 径 1 88 米。 卫星采用近极地太阳同步圆形轨道，卫星标称高度为 833 公里或 870 公里。用两颗卫星同 时运行观测，其轨道平面有 90夹角，一颗在上午（降 交点时间为地方时 08 时），另一 颗在下午（升交

27、点时间为 15时）。 第三代业务卫星的后 6 颗（NOAA EJ）作了改进以加强仪器功能。 卫星加长了 05m，太阳帆板也加大了，以提供更多的能量。自 NOAA8（NOAA Z）开始， 增加了 搜索救援系统（SAR），NOAA9、10 增加了地球辐射收支实验仪器 （ ERBE）， NOAA 9 还增加了太阳紫外后向散射（ SBUV）辐射计。8雨云（ NIMBUS）试验系列卫星（ 1964 1979 年）这系列卫星是美国国家宇航局 （NASA）发展的一种复杂卫星， 目的是要研制 能满 足国家大气和地球科学研究和发展需要的观测系统。 这系列卫星共有 7 颗， 采用准极地 太阳同步轨道。星体呈蝴蝶形

28、，高 3 米，直径 15米，三轴定向稳 定。它的任务有：研制先进的被动辐射仪和分光计，用于监测大气和海洋； 研制并评估新的主动和被动传感器，用于大气探测和地表特征监视； 发展先进的空间技术和地面资料处理技术，用于气象和其他科学研究； 参加世界天气监视网全球观测计划。该系列卫星先后对 30 多种遥感仪器进行了实验研究， 其中高级光导摄象机、 高分辨 率辐射仪、垂直温度探测仪、微波探测器以及数据收集、数据中转设备 等都先后转到业 务卫星上正式使用。 此外它还对业务气象卫星资料起补充作用。 9应用技术卫星（ ATS）这是一组实验性系列卫星，其星体呈圆柱形，长 137 米，直径 146 米， 重 35

29、2 千 克。共有 6 颗，其中 ATS 1 、 3 是专门用于气象观测试验，分别定点 于 150W（太平洋 ）、 60W（大西洋）赤道上空。采用自旋扫描云图照相机 （SSCC）和彩色自旋扫描 云图相机，以间隔为 30 分钟和 26 分钟提供一张地球 圆盘云图，卫星星下点分辨率 3 2 公 里，这两颗卫星分别工作了 5年和 8年。 这种卫星只提供白天云图，卫星还进行天气图传 真试验，为建立静止业务气象 卫星系统提供了依据。1974年 5月发射的 ATS6 是一颗三轴定向稳定的卫星， 主要用于静止轨道 通讯试验。 它装有一个气象传感器， 即地球同步甚高分辨率反描辐射仪 （GVHR）R， 这是一个两

30、通 道扫描辐射仪，可见光通道 055075 m，空间分辨率 55 公里（星下点附近）； 红外通道 105125m，空间分辨率为 11 公里，一 张圆面图在 25 分钟内扫描完。10同步气象卫星 / 地球静止业务环境卫星（ SMS/GOE）S这是美国第一代业务静止气象卫星，它由两颗同步气象卫星（ SMS）和三颗 地球静 止 1、2、3 分别于 1975年 10 月、 1977年 6 月和 1978年 6 月发射。为 了支持业务运行， 通 常有两个卫星分别定点于 75W和 135W赤道上空。 以间 隔半小时对地球进行连续观 测云图。卫星的主要观测仪器是可见光红外自旋扫 描辐射仪（VISSR），另外

31、还装载了 资料搜集系统（DCS）和空间环境监测器 （SEM）。 每隔 2 年就有一颗新的 GOES卫星 接替行将失效的卫星。卫星设计寿命为 23 年，实际寿命在五年以上，因此新卫星替代 时，原有的卫星就调至备用位置， 若现役卫星发生故障，它又调到指定位置。这一系列 卫星的本体呈圆柱形，重 约 305 千克，直径 19米，高 2 31 米。卫星的主要任务有：由 VISSR摄取可见光和红外云图；传真卫星云图和天气资料；收集飞机、气球、浮标、船舶和无人气象站天气资料； 空间环境监测，测量高能粒子、磁场和太阳 x 射线。GOES DH（1980 1987 年）是美国第二代静止业务卫星，主要改进是采 用

32、可见 光红外自旋扫描大气辐射探测仪（ VAS）。它除继续提供云图外，还提供 地表至 30 千米 左右大气温度和水汽分布等。GOES I M（1989），计划 90 年代业务使用。这系列卫星将采用两个独 立的仪 器，一个是辐射成象， 另一个是辐射探测。 成象仪是一个 5 通道扫描仪， 其中一个可见光 分辨率为 4 公里，另一个为 8公里。扫描可以控制，以使观测 范围可变，从 30分钟的地球全 圆面图到每 20秒的 1000500 公里的区域图。 大气探测器为一个 19 通道（1个可见光， 18 个 红外）的扫描辐射仪，装有滤光 盘以选择通道。扫描只在 60N60S 之间可达 1040 公里的视场

33、面积。扫 描范围和频次完全可编程控制。 扫描镜每 10 公里步进一次，步进和 驻留时间为 01s。该系列卫星仍保持 SEM和 DCS服务，搜索和救援能力。 11静止气象卫星（ GMS）（ 1977年 7月）静止气象卫星（ GMS）计划是由日本气象厅（ JMA）创始的；卫星由日本电气公司 （NEC）与美国休斯飞机公司制造，于 1977年 7月 14日，由美国发射了第一颗 GMS1，命名为“向日葵”号， 预定工作寿命为 3年，定点于 140E赤道上空， 星体呈圆柱形，直 径 216 米，高 27米，重 315千克。GMS1、2、3、4 带 有可见光红外自旋扫描辐射仪 （ VISSR）和空间环境探测

34、器。卫星每分钟自旋 100 周，每隔 30 分钟获取一幅全球圆面图 的 2020的扫描， GMS卫星的主要 任务是：获取昼夜云图； 由资料收集平台（ DCP）收集如船舶、气球、浮标站及自动无人气象站观测资 料；对云图进行二次处理，获取风、云顶温度（高度）等气象参数。传送已处理好的传真图象。空间环境监测。12风云 1 号气象卫星（ FY1）这是中国第一代准极地太阳同步轨道气象卫星。卫星发射二颗，分别为 FY1A和FY 1B，于1988年9月7日和 1990年9月3日用长征四号火箭发射， 卫星本体是 1414 1 2米的六面体，星体外侧对称安装六块太阳帆板， 卫星总长度为 86米，星重 750 千

35、 克，三轴定向稳定，卫星高 900公里，倾角 99，周期 102 86 分钟，每天卫星绕地 球为 14 圈。卫星携带多光谱可见光 红外扫描辐射仪，它有五个通道，用于获取昼夜可见 光、红外云图，冰雪覆盖、 植被、海洋水色、海面温度等。卫星资料发送方式有： 甚高 分辨率传输 （HRPT）， 低分辨率图象传送（ APT）和延迟图象传输（ DPT）。首颗 FY1A 卫星入轨后获 取了大量高质量云图资料。由于姿态失控，卫星工作了39天；FY 1B 卫星的姿态控制系统比 FY1A有明显改善，但系统的可靠性有待进一步改进。 13风云 2 号（ FY2）气象卫星这是中国的静止气象卫星，卫星直径 21米，高 1

36、6米的圆柱体，自旋 稳定，速率 1001转/ 分，定点于 105E赤道上空。卫星带有多通道扫描辐射 仪，一个可见光，二个 红外，其中一个是水汽通道。其主要任务是：由多通道扫描辐射仪获取白天可见光云图和昼夜的红外云图和水汽图。 经处 理后获取洋面温度、云分析图、云参数和风矢量等。收集来自气象、海洋和 水文数据收集平台获取的观测数据；播送展宽数字云图（ SVISSR）、模拟云 图（ WEFA）X和局部模拟图（ SFAX）；由卫星接收空间环境监测数据，并发 送给地面。卫星观测时间分辨率为 30分钟；空间分辨率：对可见光（055075m） 为 1 25公里（星下点附近）、红外（ 105125m）为 5

37、公里、水汽图为 5公里。量化等 级：可见光为 6bit 、红外为 8bit 。14地球辐射收支卫星（ ERBS）1984年 8月从空间飞船上成功地发射了地球辐射收支试验卫星，以后在两颗业 务气象卫星 NOAA 9、10上也装有 ERBE。在 ERBE卫星上还携带平流层气溶胶 和气体实验（SAGE/2）仪器，ERBE卫星的轨道高度为 600公里，倾角 57的轨 道，随轨道的进动提 供一天中不同时间的资料。ERBS卫星的目标是：确定至少一年之内，区域、纬度带以及全球的月平均辐射收支， 确定从赤道 到极地的能量输送；确定区域月辐射收支的平均日变化；启动利用地球辐 射收支资料改进对区域和全球气候过程了

38、解的研究； 提供平流层气溶胶及其光 学特征的测量，用于评估气候变化，并确定其可预报性；绘制南北纬70范围内全球平流层的气溶胶、二氧化氮和臭氧的垂直廓线图，并建 立一个全球数 据集。该试验仪器包括了一个扫描的仪器（ ERBES）和一个不扫描的仪 器 （ERBNS）。ERBE是一个三通道扫描辐射器：长波、短波和总量通道。短波通 道测量反射的太阳辐射量，长波通道测量发射辐射量，总量通道作为长波和短 波两个通道的 检验。三个通道的扫描镜安置在一个连续运动的扫描装置上，每 4s扫描一次，每次扫描 得 74次辐射测量。星下点附近地面分辨率约 40公里。 ERBENS有 5个探测器，每个都利 用空腔辐射传感

39、器。 4 个探测器直接对着地 球：2个宽视场探测器观测地球全圆盘； 2个中视场探测器观测 10区域。第 5 个探测器是一个太阳监视器，测量太阳辐射总输出。一个 宽视场探测器和一个 中视场探测器对短波进行测量，另两个测量辐射总量。 15高层大气研究卫星 （UARS）这种卫星将收集全球资料，将用于增进对平流层、中层和热层下部的化学、动 力学和能量学的了解，特别注意臭氧和其他大气成分含量和分布的长期变化。 UARS有效载荷将由 10种仪器组成，其中 9 种实验仪器互为补充保证圆满完成 所有科学任务，第 10 个仪器将用于继续 NASA的一个研究项目，测量长期太阳总辐射。 UARS将由航天飞机送到 6

40、 00 公里的圆轨道，倾角为 57。除了一个高 能粒子测量仪器外，所有的仪器都是被动遥 感探测器。 UARS将利用高分辨率分 光镜技术首次完成高层大气风的直接测量并收集资料 以便同高层大气的三维模 式预测作比较。 UARS的 9 个仪器由三组组成： （a）3个能量输 入试验仪器；（b） 4种化学物质和温度实验仪器；（ c）2 台测风仪器。16热量图象卫星（ HCM）MHCMM卫星也称应用探测卫星（ AEMA），它提供了地球表面昼夜图象。一个 两 通道的图象辐射计测量太阳反射辐射和地面发射的热辐射。这种卫星高度为 568至 641公 里，倾角为 976，选择地方时 1400 为过赤道时间 （升交

41、点） 以使辐射仪能在一天中 最热和最冷的时间观测地面；该任务的目标是提供用于 估计显热惯量信息，这种信息从 日温度测量中导出，用于地球科学学科应用， 如气象学、农艺学、海洋学和地质学。 17平流层气溶胶和气体实验卫星 （SAGE）SAGE与 HCMM类似，其高度为 550640 公里，轨道倾角为 55，它在每 一条轨道上 测量日出和日落时波长为 038、045、06及 10m的太阳辐 射光透过地球大气时的 衰减系数。这些测量获得了第一套全球气溶胶资料。 （六）气象卫星仪器和观测资料及处理1改进的甚高分辨率辐射计（ AVHR）R这是第三代业务气象卫星上携带的仪器， 是甚高分辨率辐射计的改进型。

42、它 的主要 特点是观测的通道有五个，分别为： Ch1058068 m，Ch20725 Ch3355393m，Ch4105113m，Ch5115125m。观测通道增 加， 扩大了资料的信息和应用范围，不仅应用于气象领域，而且能用于农业、 水文、林业、 海洋、地质地理等领域。仪器采用数字传输体制，提高了发送速 率和抗干扰能力。加强 了星上资料处理功能。 卫星的空间分辨为 1 1 公里（星 下点），低分辨率云图资料为该 仪器五个通道中的二个。2可见光、红外自旋扫描辐射仪（ VISSR）这是装载于静止气象卫星的仪器， 有二个观测通道： 可见光 050075m、 红 外 10 5 125 m；测量地面和

43、云面反射的太阳辐射和地面、云面发射的 红外辐射， 主要用于测量地球系统云分布状况及其他气象参数和大气物理现象。 仪器对地球观测是 通过东西和南北两个方向扫描实现的。自西向东扫描是靠卫 星本体自旋（ 100转/ 分）完 成的，而南北方向的扫描则是靠扫描镜的步进运动 （2500 步）完成的，卫星自旋一周， 扫描镜步进一步。对地球圆面完成一次扫 描需 25 分钟。由于可见光探测器并列放置 4 个， 故一张可见光云图含 10000 条扫描线，而红外云图仅 2500 扫描线。3可见光红外自旋扫描辐射大气探测器（ VAS）这是美国静止业务气象卫星 GOES D 上的仪器，它与可见光红外自旋扫描辐射 计一

44、样，用一个反射望远镜扫描地球。辐射以垂直于光轴的方向进入望远镜，这是由一个角 度定位的步进机械装置来实现扫描地球景物的。从西向东的扫描 线是由卫星自旋形成的， 从北向南扫描是通过扫描镜步进实现的。可见光 （055075m）数据由一列 8 个光 电倍增管组成的阵子探测并转换为电信 号，每个管子观测扫描线宽度的 1/8 ，从而卫星的 每次自旋时扫过八条扫描线， 星下点分辨率为 09公里。 VAS有六个探测器进行红外探 测。有两个是多数成 像仪采用的小型碲镉汞长波探测器（ HgCdTe），其分辨率为 69km； 还有四个 较大的红外探测器， 两个是 HgCdTe，而另外两个是锑化铟 （InSb），其

45、分辨率 为 138km；它们均用于大气探测。为实现多光谱扫描成像， VAS可按编程指令发 送每条 扫描线的可见光数据及成对发送红外信号。有选择地使用滤光片（指令 控制滤光片片轮） 和探测器，并对大、小探测器进行交替扫描，全帧扫描可以 在多达三个红外通道上对地 球成像。此外 VAS具有的滤光轮片，覆盖二氧化碳 吸收带中的七个探测波段，三个水汽 吸收带、两个“窗区”波段，其中一个在 光谱上较接近长波吸收带探测器，另一个较接 近短波探测器。高分辨率红外探测器（ HIRS/2）这是载于 Nimbus6 上的仪器 HIRS/1 的改进型，它测量 19 个红外波段和一个可 见光 波段的辐射，共 20 个光

46、谱间隔，其中： 15 通道的波长范围在 1495 1397 m，用 于温度廓线和云探测； 67 通道于 13641335m波长范 围内，用于二氧化碳和水 汽测量；8 通道为大气窗 111m，测地面温度和云； 9通道为 971m，用于测量臭氧 含量；1012 通道范围为 816672m， 用于湿度廓线和薄卷云； 1317 通道波长 范围：457424m，用于温度 廓线； 1820 通道的波长范围： 400069 m， 用于云，在部分云覆盖下 的地表温度。该仪器是一种滤光片辐射计， 它由下面几部分组成： 扫描系统；光学系 统 （包括滤光片轮）；辐射致冷；电路和资料处理系统。扫描系统是一步进扫 描镜

47、，步进与卫星钟同步，一旦它从卫星接收到一个主帧脉冲 则与其它 TOVS 仪器一起开始一条新的扫描线，每条扫描线分 64 步，每步 01秒，合计 64 秒，步进角为 18，其中 54 步是对地球采样，提供 56 个点的辐射资料，为 保证观 测精度，每 40 条扫描线进行一次自动校正， 在校正时就得不到观测资料。 光学系统由卡 塞格伦望远镜、二色射线分裂器、反射镜、光调制盘、光栏和滤 光片轮等部件组成。5微波探测器（ MSU）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 55

48、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 474范围内扫描。天线的波束 宽度为 75（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/

49、D）组 成， 该 A/D 具有 12bit 精度和 005%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。6卫星探测的分辨率是指卫星仪器能区分两个物体的最小距离。表示卫星探测分辨率通常有三个参 数： 空间分辨率：这是指卫星在某一瞬时观测到地球的最小面积，这最小 面积又称象元 （或象素）。从卫星到这最小面积间构成的空间立体角称瞬时视 场。卫星的空间分辨率 与卫星的高度有关，卫星高度越高，分辨率越低，而且 与卫星视角有关，视角越倾斜， 观测面积

50、越大，分辨率就差。灰度分辨率： 在卫星云图上，如果两个邻接瞬时视场内目标物的反照率或温度相等， 则其色 调一样，无法区别它们。但是当这两个瞬时视场目标物的反照率或温度有差异， 并达到一定数值时， 这两个视场就可以被分辨， 这个能分辨的最小温度差或反照 率差异 称做灰度分辨率。时间分辨率：指卫星对某一观测区域进行一次观测 的时间间隔。静止气象卫星对固 定区域每隔半小时进行一次观测，具有很高的 时间分辨率。7可见光云图可见光是波长从 0 350 80m很狭窄的波段。 卫星在可见光谱段测量来自 地 面云面反射的太阳辐射， 将卫星接收的这种辐射转换为图象称为可见光云图。 卫星在可 见光谱段选用的波长间

51、隔有： 052075 m和 058068 m。 卫星在可见光 波段接收辐射与物体的反照率和太阳的天顶角有关，若太阳天顶 角越小，物体的反照 率越大，则卫星接收到的辐射越大，反之则越小。在可见 光云图上，辐射越大，色调越 白；辐射越小，色调越暗。通常云层越厚，反照 率越大，色调也越白，而水面，象湖泊、 海洋的反照率很小，表现为黑色，陆 地反照率比海洋略大，表现为灰色，而潮湿或森林 覆盖的地区表现为灰暗的色 调。在电视显示的卫星云图上，地表和海洋常用绿色和蓝色 表示。8红外云图 卫星在 10 512 5 微米测量地表和云面发射的红外辐射，将这种辐射以图 象表示 就是红外云图。在红外云图上物体的色调

52、决定其自身的温度，物体温度 越高，发射的辐 射越大，色调越暗，红外云图是一张温度分布图。由于大气有 吸收及物体发射率不完全 为 1，卫星接收到的红外辐射要比实际表面温度发射 的黑体辐射要小，故严格地说，红外 云图是一张亮度温度分布图。地面的温度 一般较高，呈现较暗的色调；由于大气的温度 随高度是递减的，故云顶高而厚 的云，其温度低呈白的色调。低云的云顶温度较高，与 地面相近，故在红外云 图上不容易识别。由于各类云的云顶温度的差异较大，在红外云 图上可以识别 各种高度的云。此外，地表的温度随季节、纬度、海陆分布及其本身的热 惯量 而不同， 所以在红外云图上的色调亦不同。 在电视显示的红外云图上，

53、 地表以绿 色 表示，以与云相区分开。9水汽图卫星选用 6 7m水汽吸收谱段接收大气中水汽发射的辐射，并以图象表示便 得到 水汽图。在这一波段，水汽一面接收来自下面的辐射，又以自身较低的温 度发射红外辐 射。卫星接收到的辐射决定于水汽含量，大气中水汽含量越多， 发射的辐射越小；水汽 含量越少，大气低层的辐射越可以透过水汽到达卫星， 则卫星接收的辐射越大。在水汽 图上，色调越白，辐射越小，水汽越多；否则 越少。对于 6 7m水汽带， 卫星测得的 辐射来自对流层中上层， 故水汽图反 映大气上层水汽的空间分布。10增强红外云图这是对灰度或辐射值进行变换处理，将人眼不能发现的细节结构清楚地显示出 来，

54、 如积雨云在云图上表现为一片白色，通过增强处理后可将云顶结构显示出 来，能准确地 确定积雨云的强度，强对流中心位置。红外云图的增强处理是将 图象上的灰度值，按需 要进行合并或分解为若干灰度间隔（等级），每一间隔 赋予一个灰度值。11被动微波遥感微波辐射通常指 1 毫米到 30 厘米波长范围的辐射。自然界里许多物体都能发射 和吸 收微波辐射。气象卫星携带的微波探测器测量地表或大气发射的微波辐射， 由此推测物 体的各种特性的技术称被动微波遥感。在大气中，水汽在波长 =13.5 毫米（ 22.235 千兆赫）、 1.6 毫米（ 183.34 千兆赫）；氧在波长 =5 毫米（5070 千兆赫）、 2.

55、3 毫米（118.7 千兆赫）处有强烈吸收和发射微波辐 射。微波辐射具有穿透云雾、降水的 能力，可以测定云下物体发射的辐射，具 有全天候、全天时的工作能力。由微波辐射计 接收大气中水汽、氧等气体发射 的微波辐射，并经反演处理能得到大气中温度、湿度、 降水等气象要素。12卫星资料的预处理 卫星将来自不同探测器的观测数据按不同的速率采样，复合成单一的比特数据 流， 以规定的格式记录或传送到地面接收站。这种未经加工处理的数据称原始数据，为了便 于进一步处理和使用，必须对原始数据进行预处理，转换成更容 易处理和使用的格式。 预处理的步骤有：将卫星发送的数据接收输入计算机；将不同类型的数据分离或单独的数

56、据 集；进行数据定标或以相应物理量表示； 附加地球定位信息， 使每一测量值 能直接对应某一地理位置； 仪器性能和数据转换的定期监视； 预处理后的数 据存储在可供产品处理程序直接存取使用数据库中，其格式和存档 兼容。13卫星资料产品的处理 原始数据经预处理附加有地球定位和定标信息， 这种数据投入业务应用还需 要进一 步处理后生成各种产品。生成的产品主要有两类：图象和数字产品。图 象产品主要是可 见光、红外云图和水汽图，这些产品以硬拷贝传真或动画方式 送给用户；图象产品也可 以按数字方式存取做人机对话分析。数字产品包括垂 直温度探测，云移动估算风、海面 温度、辐射收支和臭氧总含量。14卫星资料的数

57、据存档管理和用户服务数据存档和管理的任务为从资料获取、保存和存取管理政策的确定到资料接收、 质 量控制、目录建立、存档资料的保存以及所提供的各种准实时服务和对存档 资料和信息 用户的追溯等。这些工作要能适应以下几方面：用户对服务的新需求， 这包括改进资料存取目录、 增加数字资料量和改进数据 质量 控制；新的存储器、 资料处理和通信技术； 新卫星系统和仪器的实施， 它将引入新的卫星数据和产品。任何数据存档项目的目 的是保存资料，以最大 限度地扩大其应用范围，最广泛地提供给用户团体。达到这一目 的需对卫星资 料收集、保存、管理和编目，同时也要为用户提供可随时提取处理后的产 品， 以及数据格式说明文

58、件、处理方法、仪器档案和其它信息。12卫星监测海面温度 气象卫星在红外大气窗区测量洋面、 海面发射的辐射， 由这种辐射按普朗克公式 可 以监测洋面和海面温度，由于大气的吸收和视线的倾斜等原因，现有多种方 法监测海面 温度：单通道海面温度求取，建立了全球海面温度计算业务，这 一技术在 1980年前的业 务中使用；多通道海面温度计算，于 1981 年，多通 道海面温度估算技术投入业务， 这一技术有 较大改进， 包括消除云和水汽订正， 使计算结果精度有很大提高。图 1 显示了中国沿海 地区海温分布，深蓝色是温 度较高的区域，浅蓝色是温度较低的区域。13海面悬浮物质的监测在海洋中，泥沙含量不同，其反射

59、率也不同，气象卫星可见光通道058068 m对水体含沙量的变化很敏感，很适于遥感泥沙含量。图中为渤海湾水 域含沙量分布图， 浅色区为高浓度悬沙区，暗色区为低浓度含沙区；下图为长 江口区水域含沙浓度分布图， 浅蓝色区是高浓度含沙区。14海冰的卫星监测 海冰改变海面的反照率， 是影响海气交换的重要因子， 海冰对人类在海上活动有 严 重影响，固定冰盖可阻碍海上航行。由于海冰与水面的反照率有明显差异， 卫星可以监 测它。左右图为不同时期渤海湾海冰，蓝绿色是辽东湾和黄河入海 口区的海冰状况。15草原和森林火灾的监测 草原或森林发生火灾的地区，温度远高于周围地区。采用37m波段，对高温区 特别敏感，利用

60、3 7m可以监测林区和草原发生的火灾。图的红色部分表示 内蒙古地 区林区及草原火灾图象。16植被的监测 利用绿色植被在可见光和近红外波段中反射率的差异， 叶绿素在近红外波段的反 射 率显著加大，并决定叶绿素含量，可监测植被生长状况。通常用 NDVI= ( Ch2-CH1)/ (Ch2+Ch1) 来表示。图显示了我国植被分布状况。21 世纪初中国应用卫星发展趋势二、世界应用卫星发展的基本趋势90 年代以来，通信广播卫星、遥感类卫星和导航定位卫星技术均有重大进 展，应用的广度和深度在迅速扩大。 在通信广播类卫星率先实现商业化之后， 遥 感类卫星的商业化程度正在加快。特别是小卫星技术的发展，为“更快