气象遥感完整版本

气象遥感主讲：冯志贤日期：2015年3月24日概述

与传统温、压、湿、风等常规观测手段不同，遥感不仅是一项涉及观测的技术，更是一门涉及综合性探测的科学。遥感中的科学与技术交织在一起，遥感科学是遥感技术发展的先导，遥感技术反过来又促进遥感科学的深入。遥感借助辐射测量技术，通过科学算法反演出能够准确反映大气、陆地和海洋状态的各种物理和生态参量，科学与技术的独特结合方式为遥感学科的发展提供了强大的可持续发展生命力。目录1气象卫星2应用领域3检测干旱技术4结语1、气象卫星

气象卫星：从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。

气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。1.1、气象卫星发展1958年美国发射的人造卫星开始携带气象仪表，1960年4月1日，美国首先发射了第一颗人造试验气象卫星，截止到1990年底，在30年的时间内，全世界共发射了116颗气象卫星，已经形成了一个全球性的气象卫星网，使人们能准确地获得连续的、全球范围内的大气运动规律，做出精确的气象预报，大大减少灾害性损失。1.2、气象卫星分类

气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。由于轨道的不同，可分为两大类，即：太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步气象卫星。极轨卫星观测静止卫星观测地球轨道太阳卫星轨道春夏秋冬H=35860KmSN1.2、气象卫星分类极轨气象卫星。飞行高度约为600～1500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。优点：是可以获得全球气象资料，缺点：是对某一地区每天只能观测两次。同步气象卫星。运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上看，卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距，从南纬50°到北纬50°，100个纬度跨距，因而4颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。缺点：是对纬度大于55度的地区的气象观测能力差。1.3、气象卫星资料的应用增加了气象观测资料的内容填补了海洋和荒漠地区的观测资料实现了连续监视暴雨洪水和冰雹、龙卷、强风、雷电等强雷暴天气，使临近预报成为可能监视海洋上的天气系统，改进了洋面天气预报改善高原天气分析和预报加深了对天气系统的理解改进了长期天气预报收集和转发各种气象资料2、气象卫星应用领域2.1在天气预报中的应用卫星观测范围大，能得到许多地域的气象资料，极大的增强了天气预报的准确性，并且延长了预报时效。分析员利用卫星云图实时监控海洋气象有利于发现和掌握天气系统的规律，减少特大灾害带来的损失。2.2在陆地和海洋科学中的应用气象卫星最初用于气象预报，但人们很快发现它发回的图像对水文勘测也是有用的，尤其适于制作雪盖、湖冰和海冰图。2、气象卫星应用领域2、气象卫星应用领域2.3在农业中的应用使用气象卫星能够大范围、快速、客观的了解农作物各个发育阶段的生长情况。另外，气象卫星覆盖面积大，遥感资料的重复周期短，便于在农作物的估产方面广泛应用。气象卫星在农业要干中的应用主要包括三个部分。农作物生长动态监测农作物单位面积产量的估算和预报农作物播种面积测算2.4在军事气象中的应用2、气象卫星应用领域2、气象卫星应用领域美军卫星拍摄到的伊拉克目的地貌图2.4在军事气象中的应用雷电及沙尘气象图2、气象卫星应用领域2.5在气象通讯中的应用气象卫星不仅是一个空间观测平台，而且是一种资料收集和转发平台，它可以收集船舶、气球、漂浮站及自动气象站资料，并传给处理中心，然后通过卫星向世界各地散发。此外，气象卫星还可兼做通讯之用。3、气象遥感应用技术遥感监测干旱技术干旱是全球各地区普遍存在的一种气候现象，也是对人类社会影响最为严重的一种自然灾害。全球气候变化和社会发展加剧了干旱的影响程度，增强了干旱灾害的风险。近30年来随着全球对地观测技术的迅速发展，卫星遥感监测干旱技术取得很大进步。但是，干旱是多学科交叉的复杂问题，其发展过程缓慢、时间和空间表现特征差异很大，遥感监测干旱技术在应用中还存在许多技术问题，对抗旱防灾提供支撑的力度仍不够。大气环流异常是引发干旱的根本原因。由于大气环流的影响因子众多，过程异常复杂，人类对干旱发生机理还不十分清楚。因此，在目前干旱预测水平还不够理想的状况下，建立完善的干旱防御和风险管理体系便显得十分重要，其中干旱的监测和早期预警是干旱防御的重要环节。传统的干旱监测是利用气象和水文观测站获得的降水、气温、蒸发、径流等气象和水文数据，以及农业气象观测的墒情，依据各种干旱指标进行监测。由于观测站点空间密度有限，仅靠常规站点的观测还不能了解干旱发生发展过程的全貌，特别是在站点稀疏的地区。3、监测干旱技术干旱过程是一个由大气降水减少导致进入土壤的水量降低，植被因供水不足造成生长受挫而减产、江河湖泊因蓄水不足而面积萎缩(或水位下降)，进而对经济、社会产生影响的复杂过程，其涉及范围非常广，不能用单一或几个变量表征。遥感监测技术均是针对干旱过程中某一环节或要素应用干旱指数或模型进行监测。序号名称序号名称1归一化植被指数NDVI10温度状况指数TCI2距平植被指数AVI11植被健康指数VHI3植被状况指数VCI12植被供水指数VSWI4增强的植被指数EVI13温度植被干旱指数TVDI5归一化水分指数NDWI14条件植被温度指数VTCI6垂直含水量指数PDI15作物缺水指数CWSI7修正的垂直干旱指数MPDI16植被干旱响应指数8半干旱区水分指数SAWI17微波集成干旱指数MIDI9表观热惯量P3、监测干旱技术卫星遥感干旱监测应用技术研究进展基于地物反射光谱的干旱监测植物吸收性光合有效辐射分量(FAPAR)监测干旱热红外遥感干旱植被指数(VI)与地表温度TS组合的指数基于蒸散的干旱监测微波监测干旱干旱监测综合模型重力卫星监测干旱3、监测干旱技术基于地物反射光谱的干旱监测1、可见光—近红外遥感是利用地物对太阳短波辐射的反射强度信息来判别地物的类型。绿色植物在这段光谱区间具有独特的光谱反射特点，是最易被识别的地类。人们根据植被的光谱特征，通过对可见光和近红外波段的组合，构建出了多种植被指数VI。当土壤供水不足导致植被发生水分胁迫时，植被在生理上会出现叶绿素含量下降、光合作用速率降低、植被叶面积和覆盖度减少的现象，这些变化均可导致卫星遥感植被指数下降。3、监测干旱技术不同干旱状况下春小麦光谱曲线2、近红外—短波红外在近红外和短波红外有5个叶片水分吸收带，分别位于970、1200、1450和2500nm。利用这一特性，通过监测植被含水量来监测干旱。植物吸收性光合有效辐射分量(FAPAR)监测干旱3、监测干旱技术植物吸收性光合有效辐射分量是植物主要的生理参数之一，也是作物生长模型、生态模型等多种模型中的重要参数，同时可以作为监测干旱的指标。与基于波段线性组合的NDVI相比，FAPAR更具有生物物理意义，对降水的敏感性FAPAR较NDVI高;FAPAR异常在不同植被类型和地形特征下对干旱的敏感性均较NDVI高。应用FAPAR时还需要注意，FAPAR在高海拔地区监测干旱时会受到限制;不同传感器的FAPAR产品对干旱的监测结果也有差异。热红外遥感干旱3、监测干旱技术波长在8~14区间的电磁波段为热红外波段，应用热红外波段数据可以反演地表温度、热惯量等与土壤水分等相关联参数。植被指数(VI)与地表温度TS组合的指数植被指数(VI)与地表温度TS组合的指数如上所述，植被指数和地表温度不仅是描述地表特征的2个重要参数，也是监测干旱的指标。将2种数据组合可以获得更多土壤和植被水分信息，进而可以更有效地监测干旱。基于蒸散的干旱监测3、监测干旱技术蒸散(包括土壤蒸发和植被蒸腾)是地表水分平衡和热量平衡的重要组成部分，也是与植被生理活动以及生物量形成密切相关的量。研究表明，区域实际蒸散量(E)和潜在蒸散量(Ep)的比值(E/Ep)与土壤水分密切相关，当土壤水分小于理想供水状况下的土壤水分含量(即实际蒸散量小于潜在蒸散量)时，表征区域缺水;反之，表征区域不缺水。微波监测干旱3、监测干旱技术光学遥感由于每日卫星过境时间不一致以及大气状况的差异，会在对太阳辐射和大气状况敏感的物理参数，如反照率、地表温度等合成产品中产生误差。在多云的地区和时段也很难完全消除云的影响。微波遥感具有全天时、全天候的监测能力，以及对云、雨、大气较强的穿透能力;并且微波传感器对于植被特性的变化、地表土壤水分等参数十分敏感，已被广泛应用于地表土壤水分等地表参数的反演之中。在过去10年，随着多种星载微波传感器的发射，微波遥感已经具有在全球尺度上精确监测整个地球系统中许多要素的能力，其中微波反演降水和土壤湿度可以直接用来监测干旱。干旱监测综合模型3、监测干旱技术由于干旱在时间和空间上表现出的多样性和复杂性，目前还没有一个单独的指标或指数可以完全扑捉到不同时空尺度和不同影响程度的干旱特征，多元干旱监测信息综合技术集成是目前最好的方法。美国国家干旱减灾中心在美国以及北美干旱综合监测的成功实例可供各国借鉴，该中心近年开发的植被干旱响应指数VegDRI是其亮点之一。重力卫星监测干旱3、监测干旱技术地球重力场是地球科学中的基本物理场，反映了地球表层及内部的物质分布变化及其运动状态。它不仅为人类提供了地球物理环境及其变化的重要信息，也为解决自然资源、环境及灾害等问题提供基础数据。近10年来，卫星重力测量技术具备了高精度全球重力场观测的能力。与传统重力观测技术不同，重力卫星具有全天候、高精度、大范围的优势，可获取全球覆盖均匀的地球重力场信号，尤其是卫星重力获得的全球性重力时间变化信息，能在大尺度上定量揭示全球环境变化(海平面与环流变化、冰川消融、陆地水量变化、强地震及极端气候等)导致的地表质量分布与迁移，为定量探测和研究地球物理环境及全球环境变化提供了独特的、不可替代的手段。4、结语2014年，国外共计发射了100颗遥感卫星，其中，环境观测和气象卫星共11颗。世界遥感卫星技术迅速发展，美国、欧洲、中国、日本、以色列、韩国、印度的卫星都具备拍摄亚米级全色分辨率的能力；美、欧、日具备优于2m多光谱分辨能力。在高分辨率光学成像方面，美国独占鳌头，其民用卫星能力达到甚至超过其他国家军用光学成像侦察卫星水平。随着高分－2卫星的发射，我国民用遥感卫星也进入亚米级“高分时代”。高分辨率遥感卫星已带来巨大的经济和军事效益，广泛应用于国防、基础设施和工程建设、自然资源监测、能源监测、位置服务、海事和灾害管理等领域。在气象卫星的遥感水平方面，中国与先进国家之间尚存在差距：卫