卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

71
卫卫卫卫卫卫卫卫 An Introduction to Satellite Oceanic R emote Sensing 卫卫卫卫 卫卫卫卫卫卫卫 卫卫 卫卫卫 卫卫卫卫 卫卫 卫卫卫卫 卫卫卫卫卫卫卫卫

description

卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing. 第二部分 海洋遥感卫星与传感器 第六章 海洋遥感传感器. 武汉大学 遥感信息工程学院. 第六章 海洋遥感传感器. Satellite Oceanic Remote Sensing 1. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

Page 1: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

第二部分 海洋遥感卫星与传感器第六章 海洋遥感传感器

武汉大学 遥感信息工程学院

Page 2: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

第六章 海洋遥感传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 1

6.1 光学传感器

6.2 微波传感器

6.3 数据预处理

Page 3: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

第六章 海洋遥感传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 2

• 按使用的波谱范围光学传感器微波传感器激光传感器• 按成像方式扫描方式非扫描方式图像方式非图像方式• 按工作方式主动式传感器( active sensor )被动式传感器( passive senso

r )

卫星遥感器分类

Page 4: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

第六章 海洋遥感传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 3

光学传感器获取的信息中最重要的三个特征:

1. 光谱特性

2. 辐射度量特性

3. 几何特性

可见光传感器、红外传感器

Page 5: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

特性 项目 说明

光谱特性

观测波段波段边缘响应特性波段外光谱灵敏度波段间灵敏度差

中心波长、带宽(最大灵敏度的半值宽度)响应特性的上升、下降(最大灵敏度的 10%—80% )波段以外波长的灵敏度波段之间的灵敏度之比

辐射度量特性

探测精度S/N 比动态范围像元间灵敏度偏差直线性等效噪声功率校正精度杂光特性

信号与噪声之比满足性能的输入范围(用最大、最小辐射亮度定义)用各波段内像元输出的最大、最小值的比率定义用各波段内像元输入的最大、最小值的比率定义输入输出特性的直线性,用高输入电平时的输入值之比确定信号输出与噪声输出相等时的输入信号的大小观测视野以外的输入辐射对输出的影响

几何特性

视场角瞬时视场波段间配准校准MTF光学系统畸变

遥感器整体的观测视野(全部元件的视野或扫描角)单个探测元件的视场角基准波段与其它波段的位置偏差用遥感器的空间频率响应特性确定分辨率因光学系统引起图象失真的程度

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 4

Page 6: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 5

可见光传感器的优点: 缺点:空间分辨率高 不能穿透云雾,只能白天工作信息直观,分析解译较容易可见光传感器在海洋中的应用:云图、海冰、海岸形态、沿岸流流向、波浪折射、浅海探测、海岛和浅滩定位、水色、叶绿素等

红外传感器的优点: 缺点:空间分辨率高 不能穿透云雾和烟盖等信息直观,分析解译较容易全天候工作

红外传感器在海洋中的应用:海流、水团边界;上升流位置;石油污染和热污染;云顶高度等

Page 7: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 6

• 490 个探测器• 36 个光谱波段• 被动成像• 中等分辨率 (0.25km~

1km)• 覆盖可见光 -热红外 (40

0~ 1400nm)波谱

• 信噪比很高• 量化等级为 12 比特• 地面幅宽为 2330km• 垂直轨迹视场±55°• 每 1~ 2 天观测地球表面一次

6.1.1 MODIS 中分辨率成像光谱仪

Page 8: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1.1 MODIS 中分辨率成像光谱仪

Satellite Oceanic Remote Sensing 7

• 陆地和海洋表面的温度和地面火情• 海洋水色、水中沉积物和叶绿素• 全球植被测绘和变化探测• 云层表征• 汽溶胶的浓度和特性• 大气温度和海表温度的探测、雪的覆盖和表征

• 海洋洋流等。

MODIS 测量的基本目标

Page 9: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1.1 MODIS 中分辨率成像光谱仪

Satellite Oceanic Remote Sensing 8

用 MODIS 测海水温度

Page 10: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1.1 MODIS 中分辨率成像光谱仪

Satellite Oceanic Remote Sensing 9

用 MODIS 观查海洋水色

Page 11: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1.1 MODIS 中分辨率成像光谱仪

Satellite Oceanic Remote Sensing 10

• 太阳漫射器• 太阳漫射稳定监视仪• 分光辐射度定标组件• 板状黑体和天空视频窗

MODIS仪器内的定标器包括:

• 高精度观测• 多频次和宏观观测• 多光谱、高光谱波段同时观测• 用途广泛

MODIS 的显著特点:

Page 12: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 推帚式成像;

• 波长范围为可见光和近红外;

• 主要用于海洋岸区、陆地的生物和地球物理特征、气候应用以及全球环境的研究;

• 其数据可以直接产生以下专题的大比例尺图件:

①海洋色素浓度;

②云和水汽;

③ 植被状态和分布。

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 11

6.1.2 MERIS 中等分辨率成像光谱仪

Page 13: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1.2 MERIS 中等分辨率成像光谱仪

Satellite Oceanic Remote Sensing 12

MERIS仪器参数

Page 14: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 13

6.1.3 GLI全球成像仪

Page 15: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 14

6.1.4 MISR多角度成像光谱辐射计

测得有云和无云的地区的双向反射率:

获得不同类型云在空间范围和季节尺度上的变化对地球的太阳辐射收支的影响。

测得汽溶胶总量变化:

得知其对气候和环境的影响。

地面双向反射率与反照率两者关系的模型:

用于研究陆地气候学,生物圈—大气圈的相互作用以及生态系统的变化。

Page 16: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

MISR仪器性能参数

6.1.4 MISR多角度成像光谱辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 15

Page 17: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1.4 MISR多角度成像光谱辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 16

MISR的数据产品

Page 18: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 17

6.1.5 SeaWiFS 传感器SeaWiFS(Sea-viewing Wide-Field-of View Sensor) 是SeaSTAR卫星所携带的一个针对海洋水色进行专门探测的遥感器,主要用于探测和监测海洋现象。

SeaWiFS image of the east coast of the United States

Page 19: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 18

6.1.6 COCTS 海洋水色扫描仪COCTS也即十波段海洋水色扫描仪安装于我国海洋卫星系列之一的 HY-1 卫星上,它主要用于探测海洋水色要素和温度场等。

波段 波长 (μm) 动态范围 监 测 内 容

1 0.402~ 0.422 40% 黄色物质、水体污染

2 0.433~ 0.453 35% 叶绿素吸收3 0.480~ 0.500 30% 叶绿素、海水光学、海冰、污染、浅海地形4 0.510~ 0.530 28% 叶绿素、水深、污染、低含量泥沙5 0.555~ 0.575 25% 叶绿素、低含量泥沙

6 0.660~ 0.680 20% 荧光峰、高含量泥沙、大气校正、污染、气溶胶

7 0.730~ 0.770 15% 大气校正、高含量泥沙

8 0.845~ 0.885 15% 大气校正、水汽总量9 10.30~ 11.40 200-320K 水温、海冰

10 11.40~ 12.50 200-320K 水温、海冰

Page 20: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 19

6.1.7 CCD成像仪四波段 CCD成像仪也是HY-1 卫星上的主要载荷之一。它主要用于获取海陆交互作用区域的实时图象资料。四波段 CCD成像仪也是HY-1 卫星上的主要载荷之一。它主要用于获取海陆交互作用区域的实时图象资料。

波段 波长 (μm) 目标反射率 监 测 内 容

1 0.42~ 0.50 0.20 污染、植被、水色、冰、水下地形

2 0.52~ 0.60 0.50 悬浮泥沙、污染、植被、冰、滩涂

3 0.61~ 0.69 0.35 悬浮泥沙、土壤、水汽总量

4 0.76~ 0.89 0.50 土壤、大气校正、水汽总量

四个波段的主要用途

Page 21: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 20

6.1.8 HCMR热容量成像辐射计

热红外传感器。

热容量测绘卫星( Heat Capacity Mapping Mission , HCMM )。

利用白天 - 夜间热图像绘制表面热惯量图。

Page 22: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

名称 参数值

轨道高度 620km

角分辨率 0.83mrad

分辨率0.6km×0.6km(星下点)(红外)

0.5 km×0.5km(星下点)(可见光)扫描角 60°(全角)

扫描频率 14r/s

图像带宽 716km

信息带宽 53kHz/通道

热通道10.5~ 12.5μm;

噪声等效温度( NEDT ) =0.4K 可用范围 =260K~ 340k

可见光通道0.55~ 1.4μm 信噪比( SNR) =10 (反射率为 1% )

动态范围 =0~ 100% (反射率)镜头光学孔径 20cm

定标红外:每次扫描进行冷空、 7 步台阶电定标和黑体定标;

可见光:飞行前定标

6.1.8 HCMR 热容量成像辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 21

HCMR性能参数表

Page 23: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• Along-Track Scanning Radiometer• 欧空局( ESA)的卫星 ERS• 热红外波段辐射计• 1km的空间分辨率• 地球红外图像• 4 个光谱通道• 在轨定标

6.1 光学传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 22

6.1.9 ATSR沿轨迹扫描辐射计

Page 24: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 工作在微波波段的传感器称为微波传感器。包括各种微波辐射计、微波散射计、雷达高度计、微波侧视雷达和合成孔径雷达等。

• 优点:– 全天时全天候– 较易于实现主动式遥感

• 缺点:– 所获取的资料分析解译较复杂– 多数传感器空间分辨率较低,一般为数十到数百公里

• 应用:– 盐度– 海冰厚度– 风速、风向和波浪相关参数– 海面油膜厚度– 海面高度

6.2 微波传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 23

Page 25: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2 微波传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 24

• 测量地球热辐射的绝对量• 被动遥感传感器• 只接收海面或大气的辐射• 可用于其他遥感器的大气修正• 全天时全天候

•有一定探测浅表层特征的能力

6.2.1 微波辐射计

Page 26: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.1 微波辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 25

• 技术指标:• 温度分辨率:灵敏度

– 空间分辨率:W=*H/D 一般较低• 历史:

– 1962年美国“水手 2 号”卫星金星探测– 1972年云雨卫星 5 号的 SMMR– 1975年云雨卫星 6 号的 EMMR– 1978年海洋卫星的 SMMR和 NOSS 上的 LAMMR– 1985年日本MOS-1 上的 MSR– ADEOS 上的 AMSR– DMSP上的 SSM/I– IRS-P4 上的 MSMR等

Page 27: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.1 微波辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 26

微波辐射计工作原理图

Page 28: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.1 微波辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 27

在地表影响大的频带多采用入射角固定的圆锥扫描方式,在地表影响可以忽略的频带多采用轨道交叉扫描方式。

圆锥扫描方式 轨道交叉扫描方式

Page 29: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.1 微波辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 28

全功率辐射计的结构图

Page 30: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.1 微波辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 29

1. SSM/I微波辐射成像仪

7 个不同的微波功率。

多数探测通道采用双极化观测,可以形成 7 个不同的辐射通道分别对应于不同参数的测量。

SSM/I 观测的微波辐射包括海面发射的微波辐射,大气发射的微波辐射以及海面发射的大气向下辐射等。

SSM/I通过接收通过大气的海面微波辐射可反演出海面亮温。

Page 31: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.1 微波辐射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 30

2. AMSR高级微波扫描辐射计

Advanced Microwave Scanning Radiometer

被动式多光谱

可作为遥感仪设计和应用方法的基本依据

使用尺寸为 2m抛物面天线,在 6.9~ 89GHz范围内 8个频带按 55°入射角观测地球

通过圆锥式扫描方法,扫描内地面 1600km刈幅宽度,获取空间分布信息

可直接测量:降水率、云中液态水份、水蒸气、温度轮廓、海面温度分布、冰雪和土壤温度

Page 32: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2 微波传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 31

6.2.2 微波散射计

非成像微波雷达传感器

原理和设计与常规雷达基本相同

主要用于测量目标的散射特性随雷达波束入射角变化的规律。

Page 33: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

微波散射计结构组成

6.2.2 微波散射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 32

Page 34: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.2 微波散射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 33

测风原理:

测量海面的归一化后向散射系数(与海面的风相关),如果从不同的方位得到同一地点的后向散射系数,便可以计算海面的风速和风向。

历史:1978年 SeaSat 上的 SASSADEOS 上的 NSCAT1991年ERS-1/2 上的 ESCAT1996年 NASA QuickSCAT 测风卫星 SeaWinds其他还有 TOPEX、 DMSP SSM/I, Topex/Poseidon 、Radarsat 、神州 4 号飞船等也载有散射计

Page 35: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.2 微波散射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 34

• Seasat-A Satellite Scatterometer

• 海洋卫星所携带

• 波长为 2cm( 14.6GHz)

• 4 个双极化扇形波束天线

• 12 个 Doppler滤波器将天线足迹用电子学方法分成 50km的分辨率单元

• 总幅宽 750km,入射角范围 25° ~ 65°

1. SASS散射计

Page 36: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.2 微波散射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 35

SASS 观测的几何示意图

SASS 的框图

Page 37: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 主动微波遥感仪

• 将安装在 ADEOS-Ⅱ卫星和 QuickSCAT 卫星上

• 测量海面上的风向量

• 性能参数见书

6.2.2 微波散射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 36

2. SeaWinds散射计

SeaWinds 的系统组成

Page 38: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.2 微波散射计

Satellite Oceanic Remote Sensing 37

• ERS-1 卫星搭载AMI-测风仪

• ADEOS 卫星搭载 NSCAT

• 它们都是在 Seasat-SASS 的基础上研制的,测量来自前、后、侧方海面的表面散射,从而观测海面风的风速矢量。

3. AMI-测风仪和 NSCAT散射计

Page 39: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 主动式微波测量仪

• 全天候、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大

• 应用– 海洋动力学研究– 大地水准面高程– 海面风速和浪高– 海冰形状等

6.2 微波传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 38

6.2.3 雷达高度计

Page 40: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.3 雷达高度计

Satellite Oceanic Remote Sensing 39

雷达高度计的基本结构

Page 41: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.3 雷达高度计

Satellite Oceanic Remote Sensing 40

高度计测高原理

Page 42: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.3 雷达高度计

Satellite Oceanic Remote Sensing 41

• 用于绘制海面形态和极地冰层形态图,测量海面浪高和风速,从而提供海流速度

• 主动式微波遥感器

• 采用圆盘状天线

• ALT 数据主要提供:– 海洋冰层地形图 15km/50cm– 海面地貌图 25km/5cm– 海潮模型 高程精度 20cm/ 角分辨率 1 度– 风速 精度 2m/s– 浪高 7km/0.5m

1. 双频雷达高度计

Page 43: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.3 雷达高度计

Satellite Oceanic Remote Sensing 42

• Ku波段( 13.8GHz)

• 应用:– 用来测定海洋波高、风向、风速和海面高程– 用于洋流、潮汐和全球椭球体的研究– 确定冰盖区冰面地形、类型和界面

• 高度测定依据反射脉冲信号的时间延迟度;波高测定依据脉冲信号波形边缘的形状;海面风速和海冰界面判定依据回波信号值大小的变化

• 参数见书

2. ERS-RA高度计

Page 44: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 真实孔径雷达( RAR: real aperture radar )

• 合成孔径雷达( SAR: synthetic aperture radar )

• SAR在距离上与真实孔径雷达相同,采用脉冲压缩来实现高分辨率,在方位上则通过合成孔径原理来改善分辨率。

• SAR能全天时全天候工作,能够穿透尘埃、烟雾和其它一些障碍。

• SAR比起一般红外和电光传感器具备更远距的工作能力。

• SAR的分辨力与距离无关

6.2 微波传感器

Satellite Oceanic Remote Sensing 43

6.2.4 成像雷达

Page 45: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 多频段、多极化、多模态操作

• 应用目标包括三大类:①全球变化和碳循环②水文循环③海冰测绘

• 仪器包括 L、 C、 X等三个频段

• 具有可变空间分辨率和可变刈幅能力

• 参数见书

6.2.4 成像雷达

Satellite Oceanic Remote Sensing 44

1. EOS-SAR地球观测系统合成孔径雷达

Page 46: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.4 成像雷达

Satellite Oceanic Remote Sensing 45

• 多波段、多极化和干涉 SAR系统

• 由 SIR-C和 X-SAR两种 SAR集成

• 目前运行在地球轨道高度的第一个同时成像多波段多极化雷达系统

• C-、 L-和 X-这 3 个波段同时成像

2. SIR-C/X-SAR

Page 47: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.2.4 成像雷达

Satellite Oceanic Remote Sensing 46

• 由 ESA研制, ENVISAT-1 上

• ASAR采用多项新技术,使仪器性能有显著的提高

• C频段,相控阵,宽刈幅,高分辨率成像

• 主要目标是:①海浪特征;②中等规模的比例尺海洋特征;③海冰的分布和运动;④冰和雪的覆盖;⑤地球表面形貌⑥土壤湿度和湿地状况;⑦沙漠化及沙漠蔓延;⑧自然灾害监视等。

• 五种操作模态,参数见书

3. ASAR高级合成孔径雷达

Page 48: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3 数据预处理

Satellite Oceanic Remote Sensing 47

地理定位( Geolocation )– 空间数据,具有明确的地理空间位置的概念,在使用传感器数据

之前,必须将其投影到需要的地理坐标系中,因此传感器数据的地理定位是遥感数据预处理过程中的一个重要环节;

– 数据来自哪里;– 多源数据、多时间分辨率数据、多空间分辨率数据之间复合时几

何一致性的保证;– 为辐射处理提供重要的参数(各种角度信息如太阳高度角、卫星

天顶角等)。

辐射定标( Calibration ) – 要从遥感传感器数据精确估算地表的生物地学物理参数,数据

的质量非常重要,特别是传感器的辐射定标精度 。

Page 49: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 确定图像中每像元在大地坐标系中对应的地理经纬度的过程。

• 遥感图像的地理定位采用布劳威尔 -李丹轨道理论,使用根据地球摄动原理修正过的卫星精确轨道参数或利用 GPS 定位数据修正过的卫星位置和速度,并结合卫星姿态参数、地球椭球体参数、地表信息、以及传感器成像几何和扫描几何特性等,计算出每条扫描线上固定点的经纬度。

6.3 数据预处理

Satellite Oceanic Remote Sensing 48

6.3.1 地理定位方法

Page 50: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 49

过 程

卫星轨道根数确定

卫星位置矢量确定

坐标转换

扫描点地理经纬度的计算

其它的地球定位参数的计算 (天顶角和方位角 )

地理定位的几何校正

Page 51: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

• 卫星在空间运行的轨迹是椭圆 , 确定卫星的三维位置可以分解为:

– 确定它的轨道大小和形状

– 确定轨道平面在所取空间坐标系中的位置

– 确定卫星在轨道面上相对于某一初始位置(或时间)的位置(或时间)

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 50

1. 卫星轨道根数确定

Page 52: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 51

卫星轨道图

轨道大小和形状

Page 53: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 52

卫星轨道根数示意图

半长轴 a偏心率 e倾角 i升交点赤经近地点幅角卫星过近地点时刻 t0只要初始条件给定,这六个轨道根数就完全被确定。卫星过近地点的时刻 t0常用对应平近点角表示。卫星过近地点的时刻 t0常用对应平近点角 M表示。

卫星轨道根数

Page 54: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

平近点角的几何意义

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 53

平近点角

卫星在卫星轨道外接圆点上的截点和近焦点对轨道椭圆中心角度称为偏近点角 E;

在指定时间(历元)卫星和轨道近焦点之间的角度称为真近点角;

在这段时间里,假定卫星以平均速度运动,走过的弧段所形成的近点角称为平近点角 M ;

平近点角与偏近点角的关系式就是开普勒方程。

EeEM sin

Page 55: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 54

偏近点角 E与真近点角的关系是: 2

tan1

1

2tan 22 E

e

e

卫星轨道在空间运行中,受到各种摄动影响,如地球非球形摄动、大气阻力等。由于卫星的轨道高度一般较高,所以仅仅考虑地球引力场非球型摄动即可;

a,e,i通常称为“不变”量;

、为慢变量;

E、 M 、为快变量;

某观测时刻 t 的瞬时轨道根数是由已知初始时刻 t0 (对应)的轨道参数经过布劳威尔 -李丹轨道理论计算外推得到。

Page 56: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 55

卫星位置矢量与轨道根数的几何关系式: 2. 卫星位置矢量确定

,卫星至地心的距离近升距与真近点角之和Eear

u

iu

iuu

iuu

r

Zs

Ys

Xs

r

cos1

,

sinsin

coscossinsincos

cossinsincoscos

Page 57: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 56

3. 坐标转换传感器坐标系 X轴与飞行方向平行, Z 轴指向星下点方向(地球), Y轴与它们构成右手坐标系。

航天器坐标系

固定在航天器上,原点在其质心。坐标轴由航天器姿态控制系统定义。该坐标系方位与轨道坐标系有关,可由航天器的姿态数据确定。

轨道坐标系位于卫星中心,其定向基于惯性空间的航天器位置。原点在航天器质心, Z 轴从航天器质心指向地心。 Y轴是 Z 轴和瞬时速率矢量的正交产物,其方向是瞬时运动矢量的反方向, X轴则分别与 Y和 Z 轴正交。

地心惯性坐标系

空间关系固定,原点在地球质心, Z 轴指向北极, X 轴指向春分线, Y轴与 X和 Z 轴正交。

地心旋转坐标系

是地球固有的,原点为地球质心,它是由 IERS (International Earth Rotation Service)定义的常规陆地系统 (CTS),它与美国国防部 1984世界地心参考坐标系 (WGS84)相同。

大地测量坐标系

一般基于WGS84参考框架,其坐标由经纬度和参考地球椭球面以上的高程表示,地心旋转坐标系无须椭球面,而该坐标系依赖于椭球面的选择。经纬度定义为椭球法线及其在赤道上的投影之间的夹角和本地子午线与格林威治子午线之间的夹角。

Page 58: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 57

轨道坐标系统 地心惯性坐标系

Page 59: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 58

地心旋转坐标系

Page 60: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 59

4. 扫描点地理经纬度的计算(扫描成像方式)

卫星位置矢量和单位扫描矢量已知;

测定卫星坐标的方法有卫星星历表解算和全球定位系统测定两种方法;

卫星星历表解算的依据是卫星轨道的六个轨道根数。在六个轨道根数确定后,根据坐标系之间的变换关系,可以预先编制成卫星星历表,当已知卫星的运行时刻时,就可以通过星历表查找卫星的地理坐标。

Page 61: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

1

,

2

2

2

22

b

Zp

a

YpXp

RuZs

RuYs

RuXs

Z

Y

X

u

u

u

U

UAr

Z

Y

X

z

y

x

Pz

y

x

scan

scant

P

又:

根据扫描几何关系 ,地球表面上的任一扫描点 P的位置矢量为:

椭球体观测矢量截面

卫星轨道矢量

卫星观测单位矢量 卫星至地面

观测点的距离

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 60

Page 62: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 61

将扫描几何关系与椭球方程联立解出 R:

可由地面上任一扫描点的矢量求出地理经纬度:

2221

1

1 YpXpfZptglat

ZpYptglon

22222

2

2222

2

1

1

1

ZsRYsXsfc

uZsuYsuXsfb

uuufa

a

acbbR

e

zzx

zyx

Page 63: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 62

主垂面上椭球体的曲率半径

在求出最终的地理坐标经度、纬度和高度(常用、、 h 表示),计算出相应的地心旋转坐标系( ECR)中( x, y,z):

2

22

2122

2

1

sin1

sin1

sincos

coscos

a

be

eaN

heNz

hNy

hNx

Page 64: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 63

其它地球定位参数及其相互之间的关系

5. 其他的地球定位参数的计算

Page 65: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 64

太阳天顶角为太阳与地面观测点的法线之间的夹角:Solar_Z=arccos ( U·S )

其中 U为地面观测点的单位法矢量, S为地面观测点到太阳的单位矢量。

卫星天顶角为卫星与地面观测点的法线之间的夹角:Sat_Z=arccos ( U·T )

其中 U为地面观测点的单位法矢量, T为地面观测点到卫星的单位矢量。

散射相角为太阳和卫星与地面观测点的连线之间的夹角:Scatter_Ph=arccos ( S·T )

其中 S为地面观测点到太阳的单位矢量, T为地面观测点到卫星的单位矢量 。

太阳反射角为卫星与地面观测点的连线与太阳镜面反射线之间的夹角 :Sun_reflection=arccos ( (R·T )

其中 R为太阳反射方向单位矢量, T为地面观测点到卫星的单位矢量。

Page 66: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.1 地理定位方法

Satellite Oceanic Remote Sensing 65

6. 地理定位的几何校正在定位过程中,由于定位方法、轨道根数和卫星姿态的误差会造成定位的偏差;修正误差的方法很多,通常采用地标点修正定位误差,称为地标导航;如果地标导航的精度还不能满足要求,则需要进行几何精确校正,方法很多。

Page 67: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3 数据预处理

Satellite Oceanic Remote Sensing 66

6.3.2 传感器的辐射定标与验证CEOS/WGCV认为, 传感器定标是指对已知可控输入信号的传感器系统响应的量化确定过程,这主要包括以下几个方面:

光谱响应(波长和光谱波段); 辐射响应(输入信号的强度); 空间响应(瞬时视场和 / 或整景影象的不同位置关系); 不同的积分时间,透镜和光圈的设定; 其它杂信号的影响等。

绝对定标是指对目标作定量的描述,建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系(即定标系数),从而得到目标的辐射绝对值 ;

相对定标只是得到目标中某一点辐射亮度与其它点的相对值。

Page 68: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.2 传感器的辐射定标与验证

Satellite Oceanic Remote Sensing 67

传感器定标系统 :发射前仪器标定( Preflight Calibration ):

传感器制造商在仪器发射升空前精确确定

在轨定标( In-flight absolute Calibration ): 由于发射升空后,受空间环境的变化影响,如除气作用、能量粒子的撞击、电子元器件的衰减等,这类定标参数往往会变。在轨定标就是为了解决这类问题,但是在 MODIS 传感器之前的许多传感器只进行红外在轨定标,而没有对可见光近红外的太阳反射波段进行定标,主要原因还是由于卫星的能量、重量和有效载荷等技术上的限制。

替代定标( Vicarious Calibration ):

应用地球或太空的自然或人工的已知目标对传感器进行定标的相关技术

传感器间交叉定标( Interinstrument Cross-Calibration )

Page 69: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.2 传感器的辐射定标与验证

Satellite Oceanic Remote Sensing 68

常用的定标方法是采用定标模型公式,最简单的定标公式是线性公式,它简单地将传感器的有效记数值 (DN)和传感器入瞳处的辐射量 L描述为线性关系:

Y=AL

这里 Y代表DN 值, A为绝对定标因子距阵。其中 A可以由上面提到的几种定标方法获得。

Page 70: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.2 传感器的辐射定标与验证

Satellite Oceanic Remote Sensing 69

定标方法 不确定性 制约条件

试验场(绝对定标) 3.5%反射法2.8% 辐射法

昂贵、需要地面仪器、需要好的大气条件、与传感器计划相关

瑞利散射(绝对定标) 5% SPOT XSL2-3.5% POLDER

几何条件严格、很好的大气条件、不适用长波、大的视场角

稳定的沙漠(多时间多传感器定标)

约 3% 特定计划洁净的大气条件

云(波段之间定标) 4% POLDER含高云的影象合适的几何条件

耀斑(波段之间定标) 1-2% POLDER几何条件严格、无云风速在 2-5m之间

月亮(多时间定标) 预计 2% 特定的计划和观测条件

月亮(绝对定标) 预计 2%特定的计划和观测条件需要更多的辐射验证

Page 71: 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

6.3.2 传感器的辐射定标与验证

Satellite Oceanic Remote Sensing 70

一般地,用户在订购数据时,辐射定标参数都包含在一般地,用户在订购数据时,辐射定标参数都包含在数据的头文件中,用户只须得到这些定标参数,然后数据的头文件中,用户只须得到这些定标参数,然后根据定标公式即可以将有效记数值转换为有物理意义根据定标公式即可以将有效记数值转换为有物理意义的辐射量。的辐射量。

书中给出了武汉大学书中给出了武汉大学 MODISMODIS 数据地面接收站接收的数据地面接收站接收的 MMODIS ODIS 数据的头文件,其中就包含了定标参数。 数据的头文件,其中就包含了定标参数。

0.4—2.5μm0.4—2.5μm波段的辐射定标 (反射波段)波段的辐射定标 (反射波段)

热红外波段的辐射定标 (发射波段)热红外波段的辐射定标 (发射波段)

微波图像的校准与定标 微波图像的校准与定标