卫星图像的分析基础.ppt

第五章 卫星图像的分析基础,第一节卫星图像的基本特征,卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测之一。早期气象卫星采用电视摄像机对地球大气系统进行观测，但是用这种仪器得到的云图只限于白天，到1970年代，美国第二代业务气象卫星姿态改为三轴定向稳定，观测仪器采用扫描辐射仪，可以选择2个或以上的波长间隔(通道)对地球大气系统进行观测，可以得到白天的可见光云图，还可以得到红外或其他类型的云图。,卫星云图主要反映地面、云面的特性，所以卫星观测仪器在选取波长时应注意：减少大气对观测的影响：选用透明的大气窗区，尽可能避免存有气体吸收和散射的波段，以达到清楚观测地表或云分布；根据观测对象确定选用的波段：根据目标物光学特性，观测对象与其他目标物间特征差异最大的波段；根据卫星观测的目标特性确定观测波段,卫星资料的类型：,图像资料，如卫星云图、水汽图等，它是由成像类辐射仪获取，这类资料成像迅速，时、空分辨率高，直观形象，水平分布连续，使用方便，但还须对图像进行二次处理才能进行定量分析应用；探测资料，为定量数字资料，光谱分辨率高，用于大气温度和成分的探测。,卫星云图的主要应用范围,卫星云图为天气预报提供云参数、大气流场和各种大气物理过程等重要的气象信息，能监视常规天气图上无法发现的诸如中、小尺度灾害性天气现象；更重要的是卫星云图能提供海洋、人烟稀少的高原和沙漠地区的气象资料。由于卫星云图的时空分辨率高，对于监测海洋、地理、农作物生长和森林火灾有重要作用。,对天气预报来说，卫星云图分析的主要内容：,区分不同通道的云图，判别是可见光云图还是红外云图?对于分裂窗的红外云图又是哪个通道的等等；区别地表和云，尤其是将云和雪区别开来；识别不同种类的云，中云还是高云?积雨云还是层状云等?相同之处与不同之处?识别不同类型的地表，是陆地还是水体?如果是积雪，是新雪还是陈雪?等等；,分析大范围云的分布及其对应的天气系统，根据天气尺度云系特点确定天气系统发展的阶段，预告其未来变化；从卫星云图估算气象要素，如风、温度、湿度、大气稳定度、垂直运动、涡度、云参数(云量、云顶温度(高度)和光学特性)和降水等；将卫星资料与常规天气资料、雷达等探测资料结合一起，进行综合分析，为天气预报提供可靠的依据。,决定卫星中观测仪器识别云和地面物体的能力（分辨率）的主要因子：（1）卫星的高度（2）观测仪器相对物象点的角度（3）云和地面某物体与环境的反照率相对差异大小（4）观测仪器的扫描线密度,卫星携带的成像仪在不同谱段测量的辐射转换成不同色调的图像就得到卫星图像。卫星图像种类：（1）卫星云图，它主要反映大气中云系分布；（2）水汽图，其主要表示大气中水汽分布。,风云二号卫星图像仪的观测通道,一、可见光云图的基本特点,可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段（0.400.76m）测量来自地面和云面反射的太阳辐射。如AVHRR仪器的CH1(0.680.725m)通道静止卫星的0.520.75m通道。若卫星接收到地面目标物反射的太阳辐射转换为图像，卫星接收到的辐射越大，就用越白的色调表示；接收到的辐射越小，则用越暗的色调表示，这就得到可见光云图。,在可见光云图上，物像的色调决定于反射太阳辐射的强度。而卫星接收到的反射太阳辐射由下列决定：（1）入射到目标物上的太阳辐射；（2）目标物的反照率。入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角有关。因此，在可见光云图上物像的色调与其本身的反照率和太阳高度角有关。,1、可见光云图特点,(1)反照率对可见光云图上色调的影响在一定的太阳高度角下，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。,(2)太阳高度角对可见光云图上色调的影响,太阳高度角决定了卫星观测地面时的照明条件，太阳高度角越大，光照条件越好，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，否则越小。这就是目标物的色调还与每天卫星观测的时刻和季节有关的原因。,如在北半球冬季中高纬度地区，太阳高度角很低，照明差，图片色调十分灰暗。又如卫星在早晨或傍晚观测，太阳高度角也很低，图片色调也很暗。,对于同一图片上的各个点的太阳高度角也不同，如是上午的云图，图片右半侧(东面一侧)的太阳高度角较高，色调明亮，而左半侧，太阳高度角低，色调较暗。反之也可以根据这一特点判断云图的观测时刻，是否是可见光云图。对于静止卫星中午的云图，整个观测区的光照条件较好，物像间的反差明显，图片明亮。,VIS图像中分析中需特别注意：,一是云与地面雪盖的区分，采取方法是运用VIS云图动画，由云动而雪盖不动特征来分辨，同时还可由其地理特征变模糊来判断有云存在。二是小对流云块问题，当卫星视场中充满小而碎的积云（Cu）时，辐射一般来自云和地表的反射和散射。若云块比卫星辐射计分辨率小，图像将被平滑，而不像一般情况下所看到的对流云块。,三是薄云问题，薄云虽然反照率低，但它能让比它更低的云或地表的光散射到卫星上，造成图像为来自不同高度层光线的混合图像，从而在高反照率的地表或沙漠之上的薄云看起来非常厚而亮，造成错觉。,二、红外云图的基本特点,红外感应器是测量来自云层顶面、陆地表面和水面所发射的红外辐射总量。这个总量反映出被测物体表面的冷热情况，并用图像表示出来，这种图就是红外云图。即在10.512.5m红外谱段，卫星接收到的辐射仅与温度有关，物体的温度越高，卫星接收到的辐射就越大；温度越低，辐射越小。将辐射转换为图像，辐射大用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。这样就得到红外云图。,因此在红外云图上的色调表示了物体的温度分布。由红外云图上的色调可以推算地表面的温度。因而从严格意义上说，红外云图是一幅亮度温度分布图。根据卫星观测表明，大多数云的发射率为0.75左右，由卫星观测值按普朗克公式算出的温度，考虑到温度高低和视角的大小需加510K的订正，计算的云顶高度比实际的高1km。实际的表面温度与亮度温度间的关系为：,(2)红外云图上水面与陆地色调的变化,中高纬度地区：冬季:暗 海面 陆面 亮（海温陆温）夏季:亮 海面 陆面 暗(陆温海温)如山东半岛地区就表现为较暗的色调。若陆温=或相近水温水陆界线不清楚。,在白天的陆地上：干燥地表的温度变化较大，其色调变化也大；潮湿或有植被覆盖的地区温度变化小，其色调变化也较小。,3使用红外云图的注意点,由于云顶温度随高度递减，在IR图像中不同高度云的层次分明，并且透明的卷云清晰可见，这些都优于VIS云图。另外，陆表和海表温差强烈处，海岸线清晰可见，但是云的纹理结构VIS图像中更清晰。在IR图像解释中也存在一些问题。如夜间在IR图像上很难辨别出低云和雾（它们的温度与地表温度太相近）。另外，在IR资料定量应用中，如由云顶温度估算云顶高度，必须考虑以下四点：,（1）在将地表或云发射的辐射转换成温度时作了云为黑体的假定，这仅对厚度超过几百米的低云和非常厚的高云才是对的。（2）当存在薄云或有未充满卫星视场小云块时，其下面地表的辐射能到达卫星，这样云就会显得比真实情况更暖，估计出的云高也将过低。,从图可以看出，卫星估算的云顶温度与实际云顶温度间的误差决定于瞬时视场内：云层中各云单体的大小(或云区中晴空区大小)；总云量的多寡；仪器对云区视角的大小；云层的厚度，即云的透过特性。,（3）必须对大气中水汽含量的吸收和发射作订正，否则测量到的温度比真实的低；另外，图像边缘或“临边”附近误差也很大，因为那里的辐射是斜射到卫星的。这两种情况合在一起，中纬度地区的误差可达23，热带地区可以达到10。,这种现象在三种情况下特别明显：在红外云图的两边部分较明显。（辐射路径较长，吸收气体含量加大，吸收增加）热带地区水汽含量大，吸收也强，对估算云顶温度和地面温度的影响较大；大气中的水汽主要集中于低层，低空的水汽吸收较大气高层要大得多，对卫星估计低云面温度影响较大。,路径增长和水汽对云顶温度的影响,（4）由卫星的IR辐射作出的“地面温度”估计是地表上的温度，与天气学意义上的“地面大气温度”（百叶箱）有几度偏差。这四条也是分析云图中应当十分注意的。,三、可见光云图与红外云图的比较,可见光云图上物像的色调决定于其反照率和太阳高度角，红外云图上物像的色调决定于它的温度，所以比较这两种云图，有一些外貌上相差很大，但也有些是十分相似的。下表给出了这两种云图上云和地表色调的特征比较。该表中各物像所对应的色调，只是概念性的，由于决定物像的因素很多，所以如仅按表中所示的色调判别是不够的。,可见光云图与红外云图的比较,下图给出了同时刻的可见光与红外云图，图中可见光云图的西北侧E处色调很暗，这是因在该处太阳高度角太低，光照不足之故；相应在红外云图上E处，由于该时已是深秋时刻，地表的温度较低，显现较浅的色调。IR图中A-B为白色卷云带，之下为中低云区，之南M处为较厚的中低云区。在IR上，越往南，温度越高，色调越暗；而在VIS上，越往东南，太阳高度角越大，云色调越白。,2008年7月22日7时46分可见光云图,2008年7月21日12时46分可见光云图,2008年7月22日19时16分可见光云图,