卫星图像分析基础
1．风云二号卫星简介
风云二号气象卫星定位于东经105°赤道上空，它提供了以我国中部经度为中心的三分之一个地球范围内每小时一次的云图资料。这些云图资料将填补我国西部、西亚、印度洋上的大范围资料空白，对天气预报有十分重要的意义。
我国处于中纬度西风带，天气系统大多从西边来，过去我国天气预报用的卫星云图主要使用日本的GMS卫星。在GMS云图上，我国处于观测区的西北边缘，不仅云图畸变很大，还不能看到从西边过来的天气系统。而从西伯利亚南下的冷空气，从西藏高原上东移的天气系统以及从印度洋上北上的暖湿气流都对我国天气有十分重要影响。有了风云二号气象卫星以后，从我国西面过来的天气系统将处于它的监视范围之内。
风云二号气象卫星的导风资料，将填补印度洋上的广大资料空白区。印度洋上空几乎没有岛屿，气象资料十分缺乏。印度洋上的卫星导风资料将是在这个地区进行天气分析的重要的基本资料。由于我国夏季季风的进退与印度洋上的天气系统关系密切，风云二号气象卫星在印度洋的导风资料，还将对改进我国夏季季风进程的预报有意义。
风云二号气象卫星每小时提供一次云图。在需要的时候，还要以进行加密观测。这种高频次的云图资料，可以有效地监视暴雨、台风等灾害性中小尺度天气系统。
风云二号气象卫星的射出长波辐射资料，提供了大气中云的信息以及热带地区大尺度环流系统分布的信息。这些信息揭示了大气中赤道辐合带、副热带高压等大尺度环流的中期振荡，是中期天气预报的有用工具。
风云二号气象卫星在亚洲地区第一次提供了水汽云图。水汽输送是大气中产生暴雨的基本条件。水汽云图所提供的大气中、高层水汽输送情况对于我国暴雨形成的分析服务也是十分有意义的。
FY-2卫星采用自旋稳定的姿态保持方式：自旋轴垂直轨道平面误差<0.5；自旋速率为98±1转/分（rpm），运行中可能提高为100rpm。
FY-2气象卫星的主要任务是：
? 获取可见光、红外云图和水汽图；
? 收集来自海洋漂浮站、无人自动气象站的观测数据； ? 播放展宽数字云图、低分辩率云图和天气图。
FY-2的02批星装载了多通道可见光红外自旋扫描辐射计，包含1个可见光和4个红外通道，主要参数见表1。
表1 FY-2的02批星扫描辐射计主要参数 通道 波长/μm 星下点分辨率/km 1.25 5 5 5 5 量化/bi t 6 10 10 10 10 用途 白天的云、雪、水体 昼夜云、下垫面温度、云雪区分 昼夜云 半透明卷云的云顶温度、中高层水汽 昼夜云、高温目标 VIS（ch5） 0.55-0.90 IR1（ch1） 10.3-11.3 IR2（ch2） 11.5-12.5 IR3（ch3） IR4（ch4） 6.3-7.6 3.5-4.0 2．卫星图像分析基础
2.1 可见光云图
可见光云图： 气象卫星通过可见光波段（一般是0.5到0.7微米）探测获得的资料。不同的地表、海洋等在可见光波段有不同的特征，可见光云图的探测值为反照率。可见光资料只能在白天使用。 在FY-2云图中为通道5（ch5）的资料。
可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段，如AVHRR仪器的CH1(0.68-0.725微米）通道或静止卫星的(0.52- 0.75微米)，测量来自地面和云面反射的太阳辐射，如果将卫星接收到的地面目标物反射太阳辐射转换为图象，如果卫星接收到的辐射越大，用越白的色调表示；而对接收到的辐射越小，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，物象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决定于入射到目标物上的太阳辐射，及目标物的反照率。入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角有关。因此，在可见光云图上物象的色调与其本射的反照率和太阳高度角有关。
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，卫星接收到的辐射仅决定于物体的双向反射率，如果将地面看成朗伯面，则卫星接收的辐射仅取决于物体的反照率，物体的反照率愈大，它的色调愈白；反照率愈小，色调愈暗；表2给出了各种云和地面目标物体的反照率。表3给出了各类地面目标物在可见光云图上的色调。反过来，可以根据卫星云图上的色调估算入射到地表面的太阳辐射、物象的反照率和双向反射率。
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，太阳高度角愈大，光照条件愈好，卫星接收到的反射太阳辐射也愈大，否则愈小。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，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，物象间的反差明显，图片明亮。
表2一些主要云和地面目标物的反照率
云和地面目标物 积雨云 积雨云 卷层云 积云，层积云 层积云 层云 沙漠 层积云 积雪 层云 卷云 卷层云 晴天积云 中云(高层高积云) 沙地 沙地和矮树林 主要特征 大而厚 小，云顶在六公里左右 厚，下面有中低云和降水 陆地上，云量>80% 陆地上，云量>80% 厚，出现在洋面上，云厚约0.5公里 白砂 洋面成片 旧雪,已有3-7天,大部分在森林地区 新雪 薄洋面上 薄,单独出在陆地上. 单独在陆地上 陆地上云量 云量>80% 中等厚度 谷地、平原、坡地， 反照率 92 86 74 69 68 64 60 60 59 80 42 36 32 29 68 77 17 植被 海洋,湖泊,河流 色 调 1.黑 色 2.深灰色 3.灰 色 4.灰白色 5.白 色 6.浓白色 目 标 物 海洋、湖泊、大的河流 针叶林 表3 可见光云图上主要目标物的色调
18 12 9(7) 陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地 陆地上晴天积云、塔里木沙漠、陆地上单独出现的卷云 大陆上的中高云 积雪、冰冻的湖泊和海洋、中等厚度的云（中云、积云和层积云） 大块厚云、积雨云团 2.2 红外云图 红外云图: 通过气象卫星上红外探测器得到的云图。一切绝对温度高于0度的物体都会发出红外辐射，气象卫星通过红外扫描仪可探测物体的温度。红外云图的优点是不论白天夜间都可以实现连续观测，它的探测值是物体表面温度的分布情况。
在红外云图上的色调分布反映的是地面或云面的红外辐射或亮度温度分布，在这种云图上，色调愈暗，温度愈高，卫星接收到的红外辐射愈大；色调愈浅，温度愈低，辐射愈小。根据卫星云图上的色调差异可以估计地面、云面的温度分布。由于地表和大气的温度随季节和纬度而变，所以红外云图上的色调表现有以下几个特点：
红外云图上地面、云面色调随纬度和季度而变化
在红外云图上，从赤道到极地，色调愈来愈变白，这是由于地面和云面的温度向高纬度地区递减的缘故。同一高度上的云，愈往高纬度，云顶温度降低，其低云比中高云尤为明显。这就造成了在高纬度地区，低云和地表面的色调同中高云的色调很相近，这种现象在冬季最明显，而且尤其是在夜间，最不容易区分出冷的地表面上空的云。在冬季热带和副热带地区，地表面和高云的温度差达100℃以上，在云图上有明显的反差；但是大陆极地区域，这种温度差不到20℃，这就是说在高纬度地区地表和云之间的温度差很小，所以在红外云图上只有很小的色调反差，不容易将云与冷地表区别开，云的类型也难以区别。
红外云图上水面与陆地色调的变化
在冬季中高纬度地区，海面温度高于陆地温度，因此海面的色调比陆面要暗。但是到夏季，陆面的温度要高于海面温度，特别是在我国北方沿海地区，还不到夏季白天陆地增温较快， 如山东半岛地区就表现为较暗的色调。
如果陆地与水面的温度相近，则它们的色调相近，水陆界线也不清楚。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，温度变化较干燥的地区小，其色调变化也较小。
2.3 卫星图像的基本特征：可见光云图与红外云图的比较
可见光云图上物象的色调决定于其的反照率和太阳高度角，红外云图上物象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。 请比较同一时刻可见光云图和红外云图：
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