第1-4章 气象卫星遥感原理
气象卫星的结构与原理课件
气象卫星的应用挑战与对策
数据传输和处理 气象预报的精度和稳定性 全球观测和数据共享
CATALOGUE
案例分析：某型气象卫星的结构与原理
某型气象卫星的基本结构与特点
卫星平台 遥感仪器 数据处理系统
某型气象卫星的遥感原理及数据处理流程
遥感原理
数据处理流程
某型气象卫星的技术创新与应用前景
技术创新
有效载荷
气象卫星的主要任务是收集气象 数据，因此有效载荷是气象卫星 的核心部分，包括红外辐射计、 微波辐射计、扫描辐射计等遥感
仪器。
平台
平台是卫星的支撑结构，包括卫 星的机械结构、电子设备、电源、
姿态控制系统等，为有效载荷提 供稳定可靠的运行环境。
通信系统
气象卫星的通信系统包括上行和 下行链路，用于将卫星收集的数 据传输到地面站和接收地面的指
气象卫星数据可以用于天气预报，通过分析卫星数据，可以预测未来天气情况，提 高预报的准确性和时效性。
气象卫星还可以观测海洋和陆地表面情况，获取海温和陆地温度、湿度、风速等数 据，为海洋和陆地气象预报提供重要依据。
气象卫星在气候监测中的应用
气象卫星可以长期监测全球气候变化，获取全球气温、降水、风速等数据。
令。
气象卫星的发展历程
01
第一代气象卫星
02
第二代气象卫星
03
第三代气象卫星
CATALOGUE
气象卫星的遥感原理
遥感技术的概述
遥感技术的定义
遥感技术的应用 遥感技术的分类
气象卫星的遥感方式
01
02
可见光遥感
红外遥感
03 微波遥感
遥感数据的处理与解析
01
数据获取
02
气象卫星遥感大气的基本原理和资料产品PPT课件
射率φλ
I(λ，T)＝ φλ B(λ，T)
15
其中，I(λ，T)是普朗克函数，由下式表示:
B(λ,T)=C1/λ5[exp(C2/λT)–1] 其中C1和C2是常数。C2=C1h/k,h是普朗克常数，k玻尔兹曼常数， 发射性质与特定波长有关，并随表面温度的变化而变化。在许多遥 感观测中用8至14μm谱段，发射率一般可考虑为常数(即绝大部分 物质可作为灰体)。象雪和植被这样的物质，它们的发射和吸收明 显与波长有关。
8
波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
9
由图看出： (1)理论上，任何温度的绝对黑体都发射波长0～ m的辐射，但温度不同，辐射能力不同，辐射能集 中的波段也不同。例如温度为6000K的物体总辐射能 力比288K大得多。而且6000K温度的物体的辐射能量 主要集中在0.17～4m波段内，而288K温度的物体的 辐射能量主要集中在3.3～80m波段内。 (2)每一温度下，黑体辐射都有一辐射最强的波长， 称为这个温度下发射的辐射峰值，并用max表示，即 光谱曲线的极大值。物体温度越高，其辐射峰值所对 应的波长max越短。
热辐射或温度辐射，这是由于它的产生和大小与温度有关。
(6)微波：这是比红外线波长还要长的电磁波，波长从1毫米到
30厘米，大于30厘米为无线电波。
在气象卫星遥感测量中，主要采用可见光，红外和微波波段，
电磁波谱的各分谱段的划分常没有严格界线，在两谱段之间的边界
是渐变的，可根据使用目的而分，例如把0.38~3.0微米称为反射波
10
3.斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan—Boltzmann)定律 1879年斯蒂芬由实验发现，物体的发射能力是随温度、波长
而改变的。由下图可见，随着温度的升高，黑体对各波长的发射 能力都相应地增强。因而物体发射的总能量(即曲线与横坐标之间 包围的面积)也会显著增大。据研究，绝对黑体的积分辐射能力与 其绝对温度的四次方成正比。1884年波尔兹曼用热力学理论证明 了这一点。在全部波长范围内对普朗克公式进行积分就可以得到 斯蒂芬—波尔兹曼公式。
气象卫星图象识别和运用
MT-SAT 于 2005 年 2 月 发 射升空。左图
为 2005 年 4 月
12日北京时间 19时红外云图。
四 、气象卫星-观测内容
– 云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位的观测。 – 陆地表面状况的观测，如冰雪和风沙，以及海洋表面
状况的观测，如海洋表面温度、海冰和洋流等。 – 大气中水汽总量、湿度分布、降水区和降水量的分布。 – 大气中臭氧的含量及其分布。 – 太阳的入射辐射、地气体系对太阳辐射的总反射率以
可以获得云层以下的大气垂直温度分布和云中 的含水量。 气象观测专用系统还包括卫星所载的磁带机等数 据存贮装置和数据传输设备。
风云1号气象卫星
二 、气象卫星-发展史
• 1958年美国发射的人造卫星开始携带气象仪器，
1960年4月1日，美国首先发射了第一颗人造试验 气象卫星，成功地用电视摄像机拍摄了清晰的台 风云图。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。
气象卫星通常由气象观测专用系统和保障系统 两部分组成。气象观测专用系统中的主要设备是 气象遥感仪器。目前，常用的气象遥感仪器有三 种： – 多通道高分辨率扫描辐射计：它可以获得可见
光与红外的云图。 – 高分辨率红外分光计：它可以获得大气垂直温
度分布和水汽分布。 – 微波辐射计：它配合高分辨率红外分光计工作，
号Ａ星，2008年5月27日发射成功。
静止气象卫星
即地球同步轨道气象卫星。它在地球
赤道上空静止轨道运行，与地球处于
相对静止状态，运行高度约35800千
米，每隔30分钟左右，就可对大气层完成一次近1 亿平方千米面积的观测。如在赤道上空均匀分布5 颗静止气象卫星，就可对全球进行24小时全面观 测，昼夜不停地提供全球卫星云图资料，测出垂 直高度的温度、湿度、气压和风力等定量气象资 料。
遥感的原理与应用
遥感的原理与应用1. 遥感的定义遥感是通过对地球表面进行远距离观测与感知的技术，利用传感器获取地球表面物体的信息并进行分析和解释。
遥感技术利用电磁波辐射与物体相互作用的特性，通过记录、测量和解释该辐射，可以获取地表和大气的信息。
2. 遥感原理遥感的基本原理是通过感知和测量地球表面物体物理特性与光辐射之间的相互关系。
当遥感器传播出电磁波辐射时，其与物体相互作用后会发生散射、吸收或反射。
这些辐射回到传感器被接收和记录，并通过数据处理进行解释和分析。
3. 遥感的应用领域3.1 地球科学遥感技术在地球科学领域有着广泛的应用。
通过遥感技术，可以监测地球表面的变化，如环境变化、土地覆盖变化、通量变化等。
通过长期的遥感监测，可以对地球环境进行评估和预测。
3.2 城市规划和土地利用遥感技术在城市规划和土地利用方面的应用也十分重要。
通过遥感技术可以获取到城市的地形、道路、建筑、绿化等信息，进而为城市规划和土地利用提供数据支持。
3.3 农业和林业遥感技术在农业和林业领域也有着广泛的应用。
通过遥感技术可以对农作物的生长状况、土壤质量、水资源利用等进行监测和评估，能够为农业生产提供技术支持。
同时，遥感技术也可以用于林业资源的监测和保护。
3.4 海洋科学遥感技术在海洋科学研究中也发挥着重要作用。
通过遥感技术可以获取海洋的温度、盐度、色素含量等信息，能够对海洋生态环境进行监测和评估，为海洋研究提供数据支持。
3.5 灾害监测与防范遥感技术在灾害监测和防范方面也有着重要的应用。
通过遥感技术可以对洪水、干旱、地震、火灾等自然灾害进行实时监测和预警，提供及时的灾害信息，帮助相关部门进行灾害应对和救援工作。
3.6 环境监测与保护遥感技术在环境监测和保护方面扮演着重要的角色。
通过遥感技术可以监测大气污染、水体污染、土壤污染等环境问题，为环境保护提供数据支持。
4. 遥感的发展趋势随着科技的不断发展，遥感技术也在不断创新和进步。
以下是遥感技术的一些发展趋势：•高分辨率遥感技术的发展，可以获取更精准的地表信息。
气象卫星遥感大气的基本原理和资料产品PPT课件
段,这一波段的辐射源主要是太阳，卫星接受到的是地(云)面的反
射太阳辐射。按吸收气体分为水汽吸收谱段，二氧化碳吸收谱段等
。由于各个谱段的电磁波辐射特性不一样，所以遥感用的探测仪器
也不一样。可见光波段采用照相方法观测物体，在红外波段以热敏
电阻为探测器的辐射计,不同波段内使用的传感器。
4
5
6
§2 太阳和地球—大气系统辐射及其在大气中的传输特性 一、辐射的基本定律 1）基尔霍夫(Kirchhoff)定律 基尔霍夫定律是表明在一定温度下，物体的辐射能力与吸收率
8
波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
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由图看出： (1)理论上，任何温度的绝对黑体都发射波长0～ m的辐射，但温度不同，辐射能力不同，辐射能集 中的波段也不同。例如温度为6000K的物体总辐射能 力比288K大得多。而且6000K温度的物体的辐射能量 主要集中在0.17～4m波段内，而288K温度的物体的 辐射能量主要集中在3.3～80m波段内。 (2)每一温度下，黑体辐射都有一辐射最强的波长， 称为这个温度下发射的辐射峰值，并用max表示，即 光谱曲线的极大值。物体温度越高，其辐射峰值所对 应的波长max越短。
应的波长与温度的关系。从图2.3可以看到黑体辐射极大值所对应 的波长(max)是随温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。 据研究，黑体辐射极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，这
个定律同样可以由普朗克公式通过对波长求导得到极大值。求导
第三章 气象卫星遥感大气的基本 原理和资料产品
§1 电磁波谱和辐射度量 §2 太阳和地球—大气系统辐射及
其在大气中的传输特性 §3 卫星云图观测原理 §4 气象卫星的定量产品简介
气象卫星的结构与原理
气象卫星的结构与原理气象卫星是一种用于观测和监测地球大气现象的卫星。
它的结构和原理可以分为以下几个方面。
1.结构：气象卫星通常由卫星平台、载荷、通信和控制系统等组成。
（1）卫星平台：卫星平台是气象卫星的核心部分，用于提供通信、导航和定位、动力供给以及卫星的基本机械结构等功能，保证卫星能够正常运行。
（2）载荷：载荷是气象卫星的观测设备，用于测量大气条件和收集气象数据。
常见的载荷包括红外传感器、微波传感器、雷达、光学传感器等。
（3）通信系统：通信系统是气象卫星与地面站之间进行数据传输、控制和通信的重要设备。
（4）控制系统：控制系统用于卫星的定位、姿态控制、姿态变换和轨道控制等。
2.原理：（1）观测原理：气象卫星通过载荷上的传感器和仪器对大气条件进行观测。
其中，红外传感器可以测量大气温度和云层特性；微波传感器可以观测降水、云层、大气水汽含量等；雷达可以测量降水和云层运动；光学传感器可以观测地表温度、气溶胶和大气成分等。
（2）通信原理：气象卫星与地面站之间通过无线电波进行通信。
卫星将观测到的气象数据经过处理后，通过卫星载荷上的通信设备发送到地面站。
地面站接收到数据后进行处理和分析，并且可以通过指令控制卫星的运行和观测任务。
此外，气象卫星还可以通过星上的导航和定位系统确定自身的位置。
通过对卫星的轨道和姿态的控制，可以保证卫星在指定的轨道上准确观测大气现象，并且及时将观测数据传输到地面站。
总的来说，气象卫星通过载荷观测大气现象，并通过通信系统将观测数据传输到地面站进行分析和利用，以提供准确的气象信息和预测，对于天气预报、气候研究和防灾减灾等方面具有重要的作用。
第1-4章 气象卫星遥感原理
③ 横跨轨道扫描红外探测器(CfiS),有1000个红外通道,用于探测大 气的温度和湿度垂直廓线,温度探测精度≤1开,相对湿度探测精度≤10%；
风云气象卫星MVISR探测器的通道序号及主要用途
风云三号卫星的主要任务是：提供全球的温、湿、 云、辐射等参数，实现中期数据预报；监测大范围的自 然灾害和生态环境；探测地球物理参数，研究全球气候 变化与环境变化的规律；为航空、航海等提供全球及地 区的气象信息等。
风云三号卫星与美国、欧洲新一代的极轨气象卫星 一起成为国际上最重要的三大极轨气象卫星，已纳入世 界气象组织业务气象卫星系统，将在国际对地观测体系 占有重要的、不可缺少的地位，成为全球对地观测系统 的重要数据源。
第六阶段：2010年左右后，再更新，进入NOAAO-Q 系列，将分别於2008年，2010年，2013年，2015年发射。
在NOAAO-Q 系列上的新仪器先放在NASA极轨平台上试验， 如果没问题，再移植到NOAA卫星上来。
预计在这一卫星系列上的仪器：功能更强的AVHRR和HIRS， 探测高层大气的AMSU，太阳后向散射紫外辐射仪SBUVR，臭氧 总量绘图光谱仪（TOMS）等。NOAAO-Q系列卫星将可安装有 1000多个通道的红外大气探测器（AIRS）。
第二阶段：从1970到1978年，以美国ITOS卫 星为代表，13颗。
红外波段的图像使人们可以昼夜观测地球大 气，气象卫星的观测做到了全天候，出现了用于 大气温度垂直廓线观测的探测仪。
气象卫星观测数据从空间向地面模拟传递。 由于数据传递过程中夹带了噪音；气象卫星观测 数据的定量处理和应用尚不能做到，卫星观测资 料的应用方法主要还是云图的定性判读。
气象卫星数据处理技术综述
气象卫星数据处理技术综述第一章气象卫星数据的基本概述气象卫星数据是指通过卫星获取到的用于气象预测和科学研究的大气和地球物理学数据。
它们包括卫星图像、温度和湿度、风速和风向、云量和类型以及其他位置和时间相关的信息。
通过对这些数据的处理和分析，科学家们可以检测到不同区域的气象和环境变化，从而更好地理解气候变化和天气变化的机理。
第二章气象卫星数据的处理技术气象卫星数据处理技术是指用不同的方法和工具来处理气象卫星数据，以获取更有用的信息。
这些技术包括以下几种：1. 图像处理技术卫星图像处理技术主要包括图像增强、图像分类和图像分析等。
其中，图像增强技术可以改善卫星图像的质量，并使其更容易被阅读和分析。
图像分类技术可以根据不同的区域、时间和天气条件将不同的卫星图像分类。
最后，图像分析技术可以利用计算机算法来检测、测量和识别不同的元素。
2.数据压缩技术卫星数据是由成千上万的像素组成的，因此需要使用数据压缩技术来减少存储空间的需求。
数据压缩技术将重要的数据从较低质量的数据中提取出来，并利用不同的编码和压缩算法来压缩数据。
3. 遥感技术遥感技术是使用气象卫星的核心技术之一。
遥感技术可以将不同波段的辐射数据转化为数字信号，从而生成高质量的卫星图像。
这些图像可以用来监测各种自然灾害、气象变化和人类活动等。
4. 数据挖掘和机器学习技术数据挖掘和机器学习技术可以利用计算机算法对大量的气象卫星数据进行分析和处理。
这些技术可以帮助科学家们检测和预测不同元素之间的关系，并找出不同气象变化的原因。
第三章气象卫星数据处理的主要应用气象卫星数据处理技术具有广泛的应用，包括以下几个方面：1.气象预测气象卫星数据是气象预测的重要数据来源之一。
通过分析卫星图像、温度、湿度、风速和风向等数据，气象预测者可以准确地预测天气的变化和发展趋势。
2.自然灾害监测卫星数据处理技术可以用来预测和监测自然灾害，如洪水、台风、地震、森林火灾和干旱等。
这些数据可以用来提高应急响应和减少人员伤亡。
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春 15：00
i90 进动方向从西向东
（3）近极地太阳同步卫星轨道 的实现 利用卫星轨道在地球扁率 夏
作用下的进动去抵消卫星轨道 15：00
球地 轨 道
太阳
卫星轨道
冬
15：00
平面随地球绕太阳运行时引起
的转动，即可实现近极地太阳 同步卫星轨道。
秋 15：00
图2-10 太阳同步轨道
3、太阳同步轨道的优缺点
一.近极地轨道气象卫星的发展
1、美国的地球静止轨道气象卫星 发射近极地轨道气象卫星的国家有：美国、苏联、中
国和日本。 世界上第一颗气象卫星，美国泰罗斯-1（TIROS），
仪器越来越先进，精度越来越高。
遥感的概念
在一定距离之外，不直接接触被测 物体和有关物理现象，通过探测器接收 来自被测目标物发射或反射的电磁辐射 信息，并对其处理、分类和识别的一种 技术。
遥感探测的设备 ➢ 传感器，运载工具
遥感探测的内容 ➢ 遥感信息获取手段的研究； ➢ 各类物体的辐射波谱特性及
传输规律的研究； ➢遥感信息的处理与分析判读
技术的研究。
遥感探测的分类：
➢ 按工作方式分为：被动遥感和 主动遥感；
➢ 按波段分为：紫外遥感、可见 光遥感、红外遥感和微波遥感；
➢ 按对象分为：大气遥感、海洋 遥感、农业遥感和地质地理遥感等。
第二节 气象卫星遥感观测的特点
在空间固定轨道上运行 全球和大范围的观测 使用新的探测技术 受益面广
1、什么是地球同步卫星轨道
N
H=35860Km
S 图2-11 地球同步卫星轨道
2、地球同步卫星轨道的实现
①卫星运行方向与地球自转方向相同； ② 轨道倾角i=0，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；
③ 轨道偏心率e=0，即轨道是圆形；
④ 卫星运行周 期T=23小时56分04秒。 H=[（/42）T2]1/3-R H= 35860（Km） V=[ /（R+H）]1/2=3.07（千米/秒）
二.近极地太阳同步卫星轨道
1、什么是近极地太阳同步卫星轨道
春
地 球 轨 道
太阳
夏
卫星轨道
冬
秋
图2-8 太阳同步轨道
2、近极地太阳同步卫星轨道的实现
（1）卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动 一年使卫星卫星轨道平面发生360的转动，平均每天变化为： 360/365天=0.985/天 变化方向从东向西
5、地球同步卫星轨道的优缺点 优点： （1）高度高，视野广； （2）对同一地区连续观测； （3）监视中小尺度天气系统； （4）圆轨道，定位、处理、接收方便。 缺点： （1）不能观测两极； （2）高度高，精度难提高。
第三节 气象卫星发射概况
第一颗气象卫星：1960年4月1日,泰罗斯（TIROS）气象卫 星发射。
卫星气象学
第一章 绪 论
卫星气象学
第一章 绪 论 第二章 卫星的运动和气象卫星 第三章 气象卫星遥感大气的基本原理 第四章 气象卫星资料的接收和处理 第五章 卫星云图的识别 第六章 天气尺度云系和天气系统分析 第七章 热带天气系统的云图分析 第八章 卫星资料在强对流天气分析中的应用 第九章 卫星资料分析举例
春 9：00
夏
3：00
球地 轨 道
太阳
卫星轨道
冬
15：00
21：00 秋
图2-9 卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动
（2）卫星·轨道平面进动的利用
10/（1- e2）2 ·（R/a）3.5 osi=0.985/天
若太阳同步轨道圆形轨道，则a=R+H e=0
cosi=-9.8510-2[R/（R+H）]3.5
极轨卫星观测
自上而下进行观测 遥感探测 丰富的观测资料
静止卫星观测
第三节 卫星遥感观测资料的作用
在大气科学中的应用 农业遥感中的应用 林业遥感中的应用 海洋遥感中的应用 军事气象中的应用 航空气象中的应用 空间环境监测中的应用 通信中的应用
➢气象卫星资料在大气科学中的应用
增加了气象观测资料的内容 填补了洋面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、
第一节 气象卫星遥感的意义和内容 背景：二十世纪40—50年代，科技发展的两大 突出进展： ➢ 1946年现代电子计算机技术研制成功，大 大地缩短了科学进程。 ➢ 空间科学的迅速发展，出现了人造卫星， 人类向宇宙空间进军，并广泛应用于天文、气象 、地质、海洋、农业、军事和通信等领域。
气象卫星 ➢ 1960年4月1日，TIROS卫星升空，开 创了人造卫星应用于气象的新纪元。 ➢气象卫星:在宇宙空间、固定的轨道上， 携带着各种气象探测仪器，测量诸如温度、 湿度、风、云、和辐射等气象要素和雷电等 天气现象，用于气象观测目的的人造星体。
气象卫星的国家：美、苏、日、中、印、法国、欧洲空组 织和韩国等。150多颗。
卫星种类：60年代初，近极地轨道—现在，近极地轨道和 地球静止轨道两类。
探测仪器：照相机—多光谱高精度扫描辐射仪。 观测内容：白天单光谱云图的观测—昼夜都能准确地提供
大气不同高度的温、湿、风、云资料。 气象卫星探测技术有了显著的改进和提高，卫星探测 已经成为大气科学不可缺少的有用的现代化探测工具。
优点： （1）轨道近似圆形，轨道预告、接收和资料定位方便； （2）有利于资料处理和使用； （3）全球观测； （4）在观测时有合适的照明，可以得到戳充分的太阳能。 缺点： （1）对同一地点观测的时间间隔太长； （2）不利对中小尺度天气系统的监测； （3）相临两条轨道的观测资料不是同一时刻，利用不利。
三.地球同步卫星轨道
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
第二章 气象卫星
一.气象卫星探测的要求 1、环绕地球运行（圆或椭圆） 2、在轨运行时间长（寿命长） 3、可进行多种观测 4、观测资料精度高 5、观测连续 6、便于观测资料处理
▲实际卫星轨道不可能是圆，有点椭圆形；倾角也不正好 等于0，常有1的倾角。这种误差会使卫星的星下点在以赤道
为中心的两侧产生“8”字形的摆动。
3、地球同步卫星轨道的有效利用
若在地球同步轨道上每3放置一颗卫星，共可放置120 颗卫星，两相临卫星间的距离为2210.04公里卫星的波束 宽度应小于20.5。