卫星气象学课件：第四章：观测仪器、要素及分辨率

1、第四章,卫星观测仪器和观测要素及分辨率,一、卫星观测仪器 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,第一节 卫星观测仪器 一、 卫星探测分辨率 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。 1、空间分辨率： 卫星能分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小面积（像素）的直径表示，单位为km。,1) 瞬时视场IFOV - 波束宽度 2) 地面瞬时视场GIFOV =2h*tanIFOV/2 h*IFOV - 星下点分辨率,卫星

2、高度h,地面,光学系统,瞬时视场IFOV,地面瞬时视场GIFOV,1.空间分辨率,卫星,卫星的空间分辨率与卫星的高度有关，卫星的高度越高，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。 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的扫描线的数目。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星探测分辨率，则称该云图为原分辨率或全分辨率云图。,3)卫星斜视时的地面分辨率,到卫星视线沿垂线方向,到卫星视线和垂线成30度角,到卫星视线和垂线成45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：,各主要

3、云图的分辨率,2、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，则能分辨的最小温度差或反照率差值称为温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300K时，温度分辨率为0.3K，而当目标物温度为185K时，温度分辨率1.4K。,3、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12小时对全球观测一次，静止卫星则每半小时对某一

4、固定区域进行一次观测。 4、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。反之，则温度分辨率降低。,二、 卫星的空间扫描方式 卫星对地的扫描方式大致有四种： 1）单个探测器线扫描 ：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的扫描。（图4-6a） 2）多探测器扫描：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，

5、从而提高空间分辨率。（图4-6b） 3）线性阵列探测器前推式扫描：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。（图4-6c） 4) 圆锥扫描：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向之间的角度始终一定。（图4-6d）,卫星的空间扫描方式,三、 极轨卫星的观测仪器 1）先进的甚高分辨率辐射计（AVHRR-最多6通道）： 观测陆地表、海洋、 云和气溶胶等信息。 侧重于大气的 水平结构探测。,2）高分辨红外探测器：（HIRS-2）：相对AVHRR而言，HIRS-2有更多的观测通道，但空间分辨率低，用于大气的垂直探

6、测。（通道位置-P154：表4-4）,3）先进的微波探测装置（AMSUP155：通道位置）：AMSU-A，用于反演大气垂直温度廓线和云中液太水、大气可降水；AMSU-B，用于水汽探测； 4）中分辨率成像辐射光谱仪（MODIS）：是地球观测系统（EOS-由美国、加拿大、欧洲空间局和日本共同建立）的仪器，在NASA的EOS-Terra卫星上，分MODIS-N和MODIS-T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-气和海-气相互作用。MODIS-N有36通道（表4-8，P157）,中分辨率图象光谱仪（MODIS）,5） SSM/T、 SSM/T2、 SSM/I和MIMR微波成像仪

7、,四、 静止卫星观测仪器 1）可见光红外自旋 扫描辐射仪（VISSR）,地球静止卫星观测,扫描方向（东）,可见光红外自旋辐射计（VISSR）扫描和视场配置,VIS：1000，13376，1.25km IR：2500，6688， 5km,VISSR观测种类及资料处理 1、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 （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

8、或灰度变换。,2）VISSR大气探测器（VAS）； 3）GOES-IM图像仪； 4）GOES-I探测仪,第二节 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，突出某些感兴趣的目标 手段：光学、 电子模拟、 数字处理 内容：复原、 几何校正、增强、统计分析、分类识别,1、图像的灰度表示：将图像x，y处的辐射值B（x，y）以灰度l表示，则有 式中 Lmin，Lmax为图像的灰度范围，范围越大，则图像的反差越大。一般令Lmin=0（黑色）， Lmax=L（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。

9、如果图像灰度的空间分布以g（x，y）表示。云图的空间采样和量化有两种方式： 1）均匀采样和量化； 2）非均匀化采样和量化。,3、卫星云图的增强处理：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示出来。 1）反差增强：-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，白的更白。（1）灰度的线性扩展（P191公式4-81: Z=3Z/2）；（2）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 （P192）。 3） 例：增强红外云图（P193）,灰度,白,黑,白,黑,灰度,亮温度,增强前的图象灰度与计数值之间的关系,计数值,255,0,0,255,计数值,IR Channels,VIS Channels,灰度,白,黑,白,黑,灰度,亮温度,IR Channel增强前后的图象灰度与计数值之间的关系,计数值,255,0,0,255,计数值,Before Enhancement,After Enhancement,红外云图增强显示暴雨云团1978.9.12.09：00（MB曲线）,增强显示红外云图（