氣象衛星遙感技術應用與物質的光譜特性概述

張國平

摘 要 利用物質的光譜特性及波長的分布范圍，使用不同波段區間的氣象衛星遙感器通道接收、記錄物體或現象反射或發射的電磁波信息，經過對信息的傳輸、加工處理及分析與解譯便生成了不同用途的產品。氣象衛星除了應用于天氣分析、氣象預報、氣候學研究外，還廣泛應用于資源與環境科學的各個領域，如水文學、海洋學、植物學、資源與環境監測、區域土壤水分分析、災害監測等領域。

關鍵詞 氣象衛星遙感技術;電磁波;光譜特性;遙感通道;遙感產品及應用

自然界的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，這種傳播能量的方式稱為輻射。通過輻射傳播的能量稱為輻射能。輻射能是通過電磁波的方式傳輸的，電磁波的波長范圍很廣，從波長10×10-10 μm的宇宙射線，到波長長達數千米的無線電波（見圖1）[1]。

圖1 電磁波譜的波長范圍

任何物體都具有光譜特性，具有不同的吸收、反射、輻射光譜的性能。在同一光譜區各種物體反映的情況不同，同一物體對不同光譜的反映也有明顯差別。遙感技術就是根據這些原理，對物體進行感知和測量。

遙感的定義是：在遠離被測物體或現象的位置上，使用一定的儀器設備，接收、記錄物體或現象反射或發射的電磁波信息（圖2，圖3），經過對信息的傳輸、加工處理及分析與解譯，對物體及現象的性質及其變化進行探測和識別的理論與技術。

圖2 波長范圍與傳感器? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3 光譜輻射計的基本構成

氣象衛星按其軌道特點可分為極軌氣象衛星（太陽同步）和靜止氣象衛星（地球同步）兩個系列;按空間分辨率可分為高分辨率、中分辨率和低分辨率衛星遙感;按常用電磁譜段的不同可分為可見光遙感、紅外遙感、紫外遙感和微波遙感等。

衛星主要是被動遙感來自地球和大氣（包括目標物和非目標物）所發射或反射和散射的電磁波輻射，但由于不同電磁波段輻射亮度的差異、電磁波通過大氣層時的能量衰減以及目標物光譜反射性質的不同，衛星通常需要選擇特定的波段區間，以獲取盡可能多的地物信息，這樣的特定波段區間即衛星遙感器的通道。由于衛星傳感器接收到的輻射是目標物的輻射，并受到非目標物（背景）的影響和傳輸路徑介質的影響，所以選擇通道的目的就是突出所要觀測目標物的信息，并將其他影響降到最小[2]。故衛星通道選擇的原則有三點：

（1）選擇最大輻射的波段，使目標物的輻射信號最強， 易于接收和減小誤差;

（2）選擇窗區和吸收帶，使傳輸介質（大氣）對目標物的輻射影響最小;

（3）選擇易于區分目標物的特定譜區（可從遙感對象的光譜特性去找）。

常見的衛星通道選擇及用途見表1、表2。

表1 無線電波與光的比較

表2 衛星通道波段、用途舉例

基于上述衛星通道，氣象衛星可提供多種多樣的遙感資料。包括：可見光與紅外云圖;一系列氣象與環境數據，如云量、云分布、大氣垂直溫度、大氣水氣含量、云頂溫度、海面溫度、地面溫度、地表植被;以及由上述資料派生的氣象要素，如根據云的運移計算的高低空風場，根據云分布、云量及大氣水氣含量計算的降雨分布和強度，由海面溫度分布推算的洋流速度、海冰覆蓋范圍的變化，由地面溫度推算的土壤濕度、積雪覆蓋范圍等參數。因而氣象衛星除了應用于天氣分析、氣象預報、氣候學研究外，還廣泛應用于資源與環境科學的各個領域，如水文學、海洋學、植物學、資源與環境監測、區域土壤水分分析、災害監測等領域。

氣象衛星針對不同的觀測對象、不同的觀測任務，進行了針對性的觀測，進行相應處理后便生成了不同用途的產品。目前已經業務化使用的產品有如下18種：①氣象衛星射出長波輻射產品;②氣象衛星海面溫度監測產品;③氣象衛星大氣探測產品;④靜止氣象衛星導風產品：也稱云跡風產品;⑤氣象衛星臺風指導產品;⑥氣象衛星積雪覆蓋監測產品;⑦氣象衛星海冰監測產品;⑧氣象衛星火情監測產品;⑨氣象衛星水情監測產品;⑩氣象衛星植被監測產品;?氣象衛星干旱監測產品;?氣象衛星霧監測產品;?氣象衛星沙塵暴監測產品;?氣象衛星河口泥沙監測產品;?氣象衛星城市熱島效應監測產品;?氣象衛星輻射亮度溫度監測產品;?氣象衛星云圖產品;?氣象衛星環境監測數據集產品。

參考文獻

[1] 楊軍，咸迪，唐世浩.風云系列氣象衛星最新進展及應用[J].衛星應用，2018（11）：8-14.

[2] 咸迪，方翔，徐喆.新一代氣象衛星遙感應用服務平臺設計研究[C].第34屆中國氣象學會年會.第34屆中國氣象學會年會S21新一代靜止氣象衛星應用論文集.鄭州：國家衛星氣象中心，2017：111.