[硕士论文精品]利用卫星遥感技术进行气象灾害监测的研究

。哈尔漳理工大学工学硕士学位论文利用卫星遥感技术进行气象灾害监测的研究摘要随着科技与生产的不断发展，人类所面临的各种灾害的日益加剧，各国在灾害防治方面的研究和投入也逐步增加，防灾减灾、灾害预报工作是尚未攻克的世界性技术难题，至今未得到根本解决。国内外大量研究成果和实践表明，卫星遥感技术是防灾减灾的强有力手段。卫星遥感是一项投入大、技术含量高的尖端技术，各国在进一步加强国际合作，共享资源和成果，使得这一技术在减灾防灾中发挥更大的作用遥感技术在我国农、林、交通和地质等许多部门得到很大发展，在气象科学研究中也同样得到长足的进展因此，如何更好地利用气象卫星遥感技术，成为国内外气象防灾减灾专家关注的一个热点。本课题利用极轨气象卫星遥感接收处理系统，接收美国NOAA系列和FYI系列气象卫星所监测的遥感资料，建立针对哈尔滨市气象灾害的监测评估系统，对哈尔滨市常见的几种气象灾害进行分析研究其中包括夏季洪涝监测、森林火灾监测、作物生长状况监测及产量预报、沙尘监测和哈尔滨市春季裸土卫星遥感干旱监测，通过监测资料得到了适合哈尔滨市气象灾害监测的模型。利用该模型可以在灾害发生后，快速获取灾情，包括灾害发生的范围、等级、受灾对象，特别是生命线工程破坏情况等灾情进行科学评估，正确、有效、高速地进行救灾决策，这是最经济而又最有效减轻灾害损失的手段。本文通过研究获得了切实可行的对气象灾害进行监测的手段，经过对哈尔滨市所发生的各种气象灾害监测，得到了较好的预期结果。本系统还具有较强的可移植性，可扩展到其它灾害监测领域。通过建立相应监测模型，可以实现在其它领域的越来越广泛的应用，为哈尔滨市防灾、减灾、救灾和农业生产发展提供重要科学依据。关键词气象卫星；遥感；光谱；灾害监测哈尔滨理工大学工学硕十学伊论文RESEARCHONMETEOROLOGICALDISASTERSUSINGSARELLITETOREMOTESENSINGABSTRACTWITHTHECONSTANTDEVELOPMENTOFTHESCIENCEANDTECHNOLOGYANDPRODUCTION，DIFFERENTCALAMITIESTHATTHEMANKINDFACESAREAGGRAVATEDDAYBYDAYINTHERESPECTOFTHECALAMITYOFPREVENTINGANDCURING，EVERYCOUNTRYINCREASESRESEARCHANDINPUTPROGRESSIVELY111EWORKONPREVENTIONANDREDUCTIONOFDISASTERANDCALAMITYPREDICTISTHEWORLDTECHNOLOGICALDIMCULTTHATNOTBESOLVEDYETSOFARTHATHAVENOTBEENSOLVEDALA11ALOTOFDOMESTICANDINTERNATIONALRESEARCHANDPRACTICESHOWTHATTHEREMOTESENSINGTECHNOLOGYOFTHESATELLITEISMOREPOWERFULMEANSONTHEDISASTERPREVENTIONANDREDUCTION乃CREMOTESENSINGOFTHESATELLITEISOFHIGHTECHNOLOGYANDHAVINGHIGHINPUTWITHINTERNATIONALCOOPERATIONSTRENGTHENANDRESOURCEANDACHIEVEMENTSHAREDFURTHERTHEREMOTESENSINGTECHNOLOGYHASBEENPLAYABIGGERROLEINREDUCENATURALDISASTERSOFTAKINGPRECAUTIONSAGAINSTNATURALCALAMITIESEVERYCOUNH“YINOARCOUNTRYTHEREMOTESENSINGTECHNOLOGYISDEVELOPEDFTLRTHERINTHEAGRICULTURE，FOREST，TRAFFICANDGEOLOGYETC，MAKEPROGRESSINMETEOROLOGICALSCIENTIFICRESEARCHTOOTHEREFOREHOWTOUTILIZEMETEOROLOGICALREMOTESENSINGTECHNOLOGYBETTERHASBEENAHOTSPOTTHATDOMESTICANDINTERNATIONALMETEOROLOGICALEXPERTSCONCERNINDISASTERPREVENTIONANDREDUCTIONBYMEANSOFTHEPOLARCIRCLESATELLITEWHICHCALLPICKUPFIRSTANDTHENDEALWITHINFORMATIONFROMAMERICANNOAASERIESANDFENGYUN1SERIESPOLARCIRCLESATELLITEWEHAVEESTABLISHEDTHEMONITORINGANDASSESSINGSYSTEMANDANALYSEDTHEMETEOROLOGICALDISASTERSFREQUENTLYHITTINGHARBINSUCHASPLUVIALMONITOR；CROPGROWINGMONITOR；WOODYFIREINSURANCEMONITORANDDROU【GHTMONITORIN哈尔滨理工大学工学硕士学位论文CONSEQUENCE，WEAREREWARDEDTHEVALUABLEMODULE，BASEDONWHICHWECANQUICKLYGETTHECONCERNEDINFORMATIONABOUTDISASTERINCLUDINGAFFECTEDAREAS，RATESANDVICTIMSITTNRNSOUTTHATTHEAPPROACHCANHELPASMAKEASCIENTIFICEVALUATIONASWELLASARIGHTANDTIMELYDECISIONINPREVENTINGCALAMITYANDMINIMIZINGTHEDAMAGEDONEBYTHENATURALCALAMITIES；MOREOVER,ITCANBEEFFECTIVELYTRANSPLANTEDANDEXTENDEDTOOTHERFIELDSKEYWORDSMETEOROLOGICALSATELLITE；REMOTESENSING；SPECTRUM；INSPECTINGDISASTERM哈尔滨理丁大学T学硕士学伊论文哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明。本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文利用卫星遥感技术进行气象灾害监测的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名毛袍我日期2006年3月18日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书利用卫星遥感技术进行气象灾害监测的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。不保密团。请在以上相应方框内打作者签名维旅日期2006年3月18日导师签名专艺仓1荚日期2006年3月18日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文11课题背景第1章绪论目前的灾害形式要求有效的防灾减灾工作必须做到第一，灾害预测对潜在灾害，包括发生时间、范围、规模等进行预测，为有效防灾做准备；第二，灾害监测随时监测各种灾害，特别是洪水、干旱、地震等重大灾害发生情况；第三，紧急救灾当重大灾害发生时，快速准确提供灾情信息，是紧急救援所必须掌握的资料；第四，灾后重建。准确的灾情评估是灾后重建最主要的依据之一顺利完成上述工作的基础是快速掌握准确、全面、客观、直观的灾情信息，而卫星遥感恰恰能做到这一点随着灾害的日益加剧，各国在灾害防治方面的研究和投入也逐步增加，国内外大量研究成果和实践表明，卫星遥感技术是防灾减灾的强有力手段卫星遥感是一项投入大、技术含量高的尖端技术，各国也在进一步加强国际合作，共享资源和成果。使得这一技术在减灾防灾中发挥更大的作用。本项目研究正是在卫星遥感技术飞速发展的前提条件下，而哈尔滨市的气象灾害逐年增多，目前还是依靠过去那种传统的地面观测和人为调查上报统计评估方法，使灾害监测和评估准确性较差，为了对哈尔滨市的气象灾害进行科学地监测和评估，本研究把高、精、尖的遥感技术运用到灾害监测中本课题来源于哈尔滨市科技局支持项目哈尔滨市农业气象灾害监测评估决策服务的研究编号为2003AA2CSL355的一部分，是哈尔滨市气象局重点支持的项目之一。1J1研究意义全球气候变暖，厄尔尼诺、拉尼娜等现象的出现，引起了全球气候异常，全球一部分地区发生了几十年甚至几百年不遇的严重旱灾，而另一部分地区却遭受了多年未遇的暴雨和洪水。台风、冰雹、雪灾、冻害、龙卷风等灾害也在全球各地频频发生，气候作为人类赖以生存的自然环境的一个重要组成部分，它的任何变化都会对自然生态系统以及社会经济系统产生影响。全球气候变化的影响将是全方位的和多层次的，即包括正面影响，同时也包括负面效应。但目前它的负面更受关注，因为不利影响可能会危及人类社会未来的生存与发哈尔滨理工大学T学硕士学位论文展。气候变暖后，极端事件，如厄尔尼诺、干旱、洪涝、沙尘暴、森林火灾等发生频率和强度可能会增加1998年松嫩流域百年不遇的特大洪水，黑龙江省1999年春旱、2000年、2001年严重的初夏连旱，近两年哈尔滨市遭受了沙尘暴袭击，大兴安岭的森林火灾等等由这些极端事件引起的后果也会加剧，如干旱发生频率和强度的增加将加重草地土壤侵蚀，因而将增大荒漠化和沙漠化的趋势，破坏了自然生态系统，危及人民的健康和生活质量同时，气象灾害影响了主要农作物及畜牧业的生产、主要江河流域的水资源供给、人类居住环境与人类健康以及能源需求等，给人类带来不可估量的损失哈尔滨西部大部分地区地处松嫩平原的南端，东部地处张广才岭。松嫩平原土地肥沃，是黑龙江省主要粮食产区，是重要的农业基地，东部山区森林资源丰富。目前，哈尔滨市气象、水利、林业和农业部门在抗旱、防汛、森林防火等防灾、减灾监测和受灾情况评估中一般采取传统的地面观测和人为调查上报统计评估方法，由于观测网点少，各种气象灾害监测和评估准确性较差，人为影响较大，利用卫星遥感技术这一高新技术对我市的气象灾害进行监测有着非常重要的意义，因而本课题的研究具有一定的理论意义和实际意义。112工作目标开发研究本项目的主要用途是为哈尔滨市政府和农业、林业、水利等主管部门在合理安排和指挥全市抗旱、防汛、森林防火、生态市建设、农业生产等提供决策依据，采用卫星遥感高新技术支持的哈尔滨市气象灾害和生态环境监测评估决策服务系统，为各级主管部门在指挥全市抗旱、防汛和森林防火等决策服务中提供科学依据。本项目完成后，科研成果将转化为生产力在哈尔滨市抗御自然灾害和生态市建设中推广应用，主要应用领域是农业、林业、水利、气象灾害和全市生态环境建设。确实可行的灾害监测评估体系可为市政府领导、水利、农业、林业、财政、税务和计委等主管部门提供准确监测和评估准确受灾面积卫星遥感图像和各县受灾面积统计表，市计委、财政和税务部门可根据各地实际受灾面积，科学指挥和安排抗灾救灾经费，使各地灾害造成的经济损失减少到最低，实现趋利避害，抗灾夺减灾，直接和间接的创造了巨大经济效益1在市政府及有关部门制定未来规划和决策时，本项研究成果将为其提供科学依据，有效防灾减灾，使经济损失达到最小程度。2在农业生产方面，根据气候变化，本项研究成果将对农业生产产量、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文布局和结构、成本与投资、重要基础设施的建设有很强的实际指导作用3对水利部门长期和近期的投资可减少经费及增加投资针对性，会带来巨大经济效益和社会效益。4。可对火点、火情、火灾的进行实时监测，为尽快将火灾扑灭，把损失控制在最小范围内12气象卫星概述目前，能够获取卫星遥感数据的有陆地资源卫星、海洋卫星、雷达卫星、气象卫星等，这些卫星因其参数及运营方式的差异，而在不同的领域发挥着重要作用气象卫星是从外层空间利用遥感对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星，具有范围大、及时迅速，连续完整的特点，并能把云图等气象信息发给地面用户气象卫星携带气象遥感器，这种遥感器能够接收和测量地球及其大气的可见光、红外与微波辐射，并将它们转换成电信号传送到地面地面接收站再把电信号复原绘出各种云层、地表和洋面图片，进一步处理后就可以发现天气变化的趋势气象卫星的轨道大致有两种，一种是太阳同步轨道又称极轨气象卫星，一种是地球静止轨道。按照前一种轨道运行，卫星每天对地球表面巡视两遍，其优点是可以获得全球气象资料，缺点是对某一地区每天只能观测两次。由于极轨气象卫星分辨率较高，其晴空资料往往被用于植被、灾害等环境动态变化监测。若运行于地球静止轨道，则可以对地球近L5的地区连续进行气象观测，实时将资料送回地面，用四颗卫星均匀地布置在赤道上空，就能对全球中、低纬度地区气象状况进行连续监测它的缺点是对纬度大于55度地区的气象观测能力差。这两种卫星如果同时在天上工作，就可以优势互补。世界上第一颗气象卫星是美国1960年发射的。泰罗斯L号”卫星，它为美国提供了大量气象资料。但它的云图分辨率不高，随发随收的功能还不理想，只能作为试验型卫星。第三代太阳同步轨道卫星“秦罗斯N，诺阿”号则有较佳表现，卫星上携带着高分辨率扫描辐射计和垂直探测器。它拍摄的云图可以及时传输给地面，也可以把云图贮存在磁带里，在卫星飞经另一地面接收站时传给地面。它每天可输出全球范围内的16000多个地点的大气探测资料，二至四万个点的海面温度测量值。每天全球有一百多个地面接收站在接收这类的卫星云图。前苏联的气象卫星命名为。流星”号，分I、H号两个系列。“流星II号”卫星为太阳同步轨道卫星，每天两次探测全球有关云层分布、雪和冰哈尔滨理T大学T学硕士学位论文层覆盖、地面温度、云顶高度等数据，并将数据传给本国及其他国家的60多个自动图象接收站，业务十分繁忙。中国1988年9月7日发射了第一颗气象卫星“风云一号”FY1太阳同步轨道气象卫星卫星云图的清晰度可与美国NOAA卫星云图媲美，但由于星上元器件发生故障，它只工作了39天目前，中国的气象卫星包括两个主要系统极地轨道卫星系统和静止卫星系统。通过二者的相互结合和补充，建立一套全面的业务气象卫星体系和相应的地面数据接收处理和应用系统，以满足我国各部门的气象、环境观测和防灾减灾的需要。中国气象卫星也是国际气象卫星网络的重要组成部分，增强了我国参与国际合作的能力我国第一代极轨气象卫星“风云一号”和第一代静止气象卫星“风云二号”的研制和在轨运行，为建成我国由极轨和静止两种气象卫星组成的气象卫星业务监测系统打下了良好的基础。到目前为止，美国、苏联、日本、欧洲空间局、中国、印度等共发射了100多颗气象卫星主要的气象卫星有美国的GOES和NOAA、俄罗斯的METEOR和GOMS、欧洲的METEOSAT、日本的GMS、印度的斟SAT和我国的FY系列。尤为值得可喜的是我国成为世界上少数几个完整拥有两个系列卫星系统的国家之一，建立一套全面的业务气象卫星体系和相应的地面数据接收处理和应用系统，。也是国际气象卫星网络中的重要组成部分，增强了我国参与国际合作的能力。随着灾害的日益加剧，各国在灾害防治方面的研究和投入也逐步增加。国内外大量研究成果和实践表明，卫星遥感技术是防灾减灾的强有力手段。卫星遥感是一项投入大、技术含量高的尖端技术，各国也在进一步加强国际合作，共享资源和成果，使得这一技术在减灾防灾中发挥更大的作用。因此，如何更好地利用卫星遥感技术，为防灾减灾工作服务成为国内外防灾减灾专家关注的一个热点121气象卫星主要产品及应用我国幅员辽阔，位于多种气候带，为全球自然灾害频繁出现区暴雨、洪涝、台风、干旱、高温、龙卷风，冰雪冻害、大雾、雷电灾害等，对以农业为主体的我国这样的发展中国家影响巨大，对人民生命财产安全形成不同程度的威胁。气象卫星带有多种仪器、实现多种项目的观测、生成多种观测产品、提供多种应用服务如天气云图、植被监测、干旱监测、洪涝及火灾监测、沙尘暴、海冰及海温监测、城市热岛等方面的产品应用目前在气象、海洋、农哈尔滨理工大学T学硕十学付论文业林业等领域中都有着广泛的应用。1211卫星云图卫星云图通常是指气象观测仪器中对云敏感的通道的探测数据进行处理加工和各种投影变换后获得的图象信息产品其原理是把卫星仪器探测到的辐射测量值转换成云图，十分直观，只要掌握云对各种光谱段的反射、辐射和散射特性，即可识别云的类型。预报员通过云图的动画，就能感知天气系统的发生发展过程和预测重要天气的来临，能用以估算出台风路径及预报登陆时间，也能用以估算降水的分布和强度1212植被监测利用气象卫星多光谱通道传感器的遥感观测值，计算出能反映地表植被生长状态的数字或图象产品。通常叫做气象卫星植被监测产品由于农作物、森林等植被的叶片对太阳光的红光有强烈的吸收作用，对红外光有强烈的反射作用而极轨气象卫星的多通道传感器，其第L，2通道刚好处在红光和近红外光波段范围，通常利用这2个通道的信息可以监测植被的生长动态及其好坏。第L，2通道组合的系数也叫植被生长指数。1,213干旱监测气象卫星干旱监测是指利用极轨气象卫星传感器，如NOAHAVHRR的探测数据计算出的关于土壤干旱和农作物受旱及程度等信息的产品其原理是当土壤干燥时，昼夜温差大，而土壤含水量高时，昼夜温差卅、。12L4洪涝监测从气象卫星多通道彩色合成产品就可以清晰看到地表水体、植被、山体、海洋等地物，所以利用发生水灾前后监测到的同一区域的水体，尤其是植被变化因为受灾后被淹区域地表光谱反射率发生明显变化，通过图象合成和模式计算，可以获得受灾区域分布及面积，这是目前大面积监测水灾情况最客观有效的方法之一121S火灾监测地面物体都通过电磁波向外放射辐射能，不同波长的辐射率是不同的，通常当温度升高时，辐射峰值波长移向短波方向。从气象卫星监测到的火灾发生前后来看，当地表处于常温时，辐射峰值在传感器的4，5通道的波长范围，而当地面出现火点等高温目标时，其峰值就移向通道3，使通道3的辐射率增大数百倍，利用这一原理，通过连续不断地观测，就可以及时发现火点1216积雪监测从气象卫星云图来看，雪和云往往不好区分，但通过科学研究分析发现，雪和云在中红外通道的反射特性有一定的差别，可以利用这一特性来区分由于不同的云其反射特性有一定的差异，有时还需要综合利用可见光通道和气候、地表覆盖变化情况等信息来判识哈尔滓理T大学T学硕七学位论文12，17海冰监测气象卫星利用冰和水在可见光波段反射率不同，以及红外辐射的差异，来区分海冰的覆盖范围和海冰与水的外沿线。在日常分析中，通常，利用卫星的第L，2，4通道做三通道合成处理，即可得到一张冰与水分布的彩色合成图1218沙尘暴监测研究表明我国区域的沙尘暴与某些低云亮温接近，但反射率不同；西北某些裸露地表与沙尘暴反射率接近，但其亮温却不同所以，沙尘暴的监测就是利用其与云系、地表反射率及辐射率的差异进行的目前，利用可见光和红外多光谱卫星通道信息判别沙尘暴仍是较好的方法之一，而夜间还难以进行沙尘暴的观测。此外，气象卫星还可以进行海洋赤潮、河口泥沙、城市热岛、雾的监铡，可见其应用领域非常广泛122气象卫星发展应用前景目前防灾减灾工作现状灾害预报工作是尚未攻克的世界性技术难题，例如干旱和洪水等重大灾害的预报至今未得到根本解决。因此，在灾害发生后，快速获取灾情灾害发生的范围、等级、受灾对象和生命线工程破坏情况等，正确、有效、高速地进行救灾决策是最经济而又最有效减轻灾害损失的手段，也为快速高效地重建提供科学依据。目前获取较为可靠的灾害损失评估信息主要依靠传统地面调查和历史资料，所浪费时间对急需获得救助的灾区来说实在太长，因此发展更有效的灾害损失评估途径成为必然。由于气象卫星在天气预报、防灾减灾以及国民经济建设中的作用越来越大，国家在“十五”期间计划投入很大的人力物力，加快发展和应用步伐。1221充分采用高新技术成果研制和发射更高性能的气象卫星为了获取更清晰更实时的云图以及生态环境探测资料，同时建立更为稳定可靠的业务运行体系，今后，一方面要增加观测仪器种类和观测通道，提高仪器的空间分辨率和光谱分辨率；另一方面，无论是极轨气象卫星还是静止气象卫星，都采取双星在轨运行我国将在2003年开始发射风云二号第2批卫星，计划共3颗，分别是FY2C，2D、2E，将取代FY2A，2B卫星。未来我国计划在2010年前还陆续发射风云三号系列卫星，到时候气象卫星资料的空间分辨率和光谱分辨率将大为提高。1222加强卫星地面应用系统的建设在加强以国家气象卫星中心为主，广州站、乌鲁木齐站为辅的资料接收、制作分发中心建设的同时，加快各省市卫哈尔滨理工大学工学硕士学位论文星接收系统的规划建设，加快本地化应用软件系统的开发和人才培养，加快业务化进程步伐。1223建立专业网站提高气象卫星资料的应用效果由于气象卫星资料应用领域非常广泛，将建立以卫星资料应用产品发布以及资料分发为主要目的的专业网站，提高卫星资料的使用效果和水平，使宝贵气象卫星资源得到充分共享和利用1224加强以卫星遥感为主地理信息系统和全球定位系统，组成的。3S”应用系统的建设，尽快建立卫星遥感应用研究和技术开发中心，推动卫星遥感技术的应用水平13遥感技术概述1,31遥感技术的特点遥感是一种远距离的、非接触的目标探测技术和方法通过对耳标进行探测，获取目标的信息，然后对所获取的信息进行加工处理，从而实现对目标进行定位、定性或定量的描述“1遥感是本世纪六十年代发展起来的新兴综合技术，它与空间、电子光学计算机、地学等科学技术紧密相关，是现代科学的一个重要组成部分，是研究地球资源环境的最有力的技术手段之一按照所利用的电磁波的光谱段可将遥感分为以下三种类型第一，可见光反射红外遥感，主要指利用可见光04O7岫和近红外07,25TTM波段的遥感技术统称；第二，热红外遥感指通过红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称；第三，微波遥感，指利用波长11000MM电磁波遥感的统称。由于地面目标的种类及其所处环境条件的差异，地面目标具有反射或辐射不同波长电磁波信息的特性，遥感正是利用地面目标反射或辐射电磁波的固有特性，通过观察目标的电磁波信息以达到获取目标的几何信息和物理属性，完成远距离识别物体的目的。遥感技术在一定的空间高度借助于遥感传感器接收地面的电磁波信息，并利用计算机将接收到的数字信号制成可识别的遥感图像的过程。遥感技术包括传感器技术，信息传输技术，信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。图I1表示了不同地面目标所固有的电磁波特性受到大气等环境条件的影响后，再通过传感器收集并经过数据加工处理，最终应用到各哈尔滓理工大学学硕十学位论文种领域的数据流程。地物特性影啊因子避孳数撼采集数掘处卿应用地太阳位置，图计算机农林大气状态，像仉数据处理地质数木文物10节、地袭据海洋电气象，季磁波气象能状态、传量感器性能，人工嘲像环境一电硅瘦长传尊器位IIIIL判I霎置等波段图11遥感数据流程图FIG1FLOWCHARTOFTHEREMOTESENSINGDATA遥感技术按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。卫星遥感SATELLITEREMOTESENSING为航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测遥感科学是从航空摄影测量逐步演变发展起来的，是通过一些高科技军事侦察技术的解密和转向民用而成长起来的。遥感技术自诞生以来因其具有的独特优势而得到迅速发展。当前，遥感技术的应用领域极为广泛，它已成为一门新兴的、先进的、在国民经济和国防事业中不可缺少的、影响深远的对地观测信息获取技术。遥感技术的显著特点是1具有宏观性和直观性；2获取资料的速度快、周期短、而且能反映动态变化；3使用的电磁波各波段之间，性质差异大，用途广4获得的信息量巨大。包括可见光、红外、微波多波段遥感，能提供超出人视觉以外的大量信息；5定时、定位观测。能周期性监测地面同一目标的质体，有利于对比分析其特点，并可对某些地质现象作动态分析6其应用受地面条件限制少，可用于自然条件恶劣、地面工作困难的地区7济效益好，成本低，收益高。遥感技术己经在自然灾害的调查、监测和预警中体现出明显的优势。这些技术特点和优点，对很多领域的研究非常有用，因而在短短的20年哈尔滨理T大学T学硕士学位论文内遥感技术在我国农、林、交通、地质等许多部门得到很大发展，在气象科学研究中也同样得到长足的进展。132卫星气象遥感技术气象遥感仪器按功能大体可分成两类一类是多谱段的平面成像仪器，目前最主要的有可见光红外扫描辐射仪；另一类是大气垂直探测仪器，目前最主要的有红外分光计和微波辐射计这两类仪器在美国1978年发射的第三代极轨气象卫星中均已使用我国的FYI卫星目前装载了多光谱扫描辐射计，只能进行二维平面成像，而无法进行三维定量遥感，也不能全天候工作因无微波遥感这是本文与国外的主要差距。全天候三维探测的任务将在FY3上完成FVL卫星的可见光红外扫描辐射计是极轨气象卫星重要的探测仪器，虽然只能二维平面成像，但它是天气预报、气候预测所需气象资料中不可缺少的部分，同时，也是全国各地和世界上各个国家和地区广大中小用户使用的重要气象资料来源它可以广泛用于减灾防灾和陆地，海洋表面特性的监测，特别是在生态环境的动态监测中有重要的用途。另外在航空和航海的气象服务中的作用也是巨大的。所以它是极轨气象卫星上采用的最主要也可以说是最基本的遥感仪器，它的探测资料被使用得最为广泛FY1卫星虽然仅装载了这种遥感探测仪，但已经为我国乃至世界许多气象部门和其他有关部门作出了重要贡献，受到众多用户，包括国外用户的欢迎。考虑到与国际同类卫星的兼容性，FY1卫星的可见光红外辐射仪的研制在工作体制、信息传送频道和信息格式上尽可能与美国NOAA星一致，技术性能上尽量接近经过从A、B星到C星的发展，研制成功了LO通道的可见光红外扫描辐射计。FY1C星的可见光红外扫描辐射计在轨测试中，接收到的云图资料经处理分析表明，LO个通道的图像质量良好，与美国NOAA卫星相比毫不逊色C星的红外扫描辐射计除了具有美国NOAA15气象卫星AVHRR的5个通道NOAA15卫星第5通道与3通道是昼夜交替工作的外，还包括了与海洋卫星的海洋水色扫描仪SEAWIFS相近的通道，同时还增加了用于区分云、雪的16TUN通道C星扫描辐射计具备同时获取10个通道资料的能力，这是NOAAAVHRR和SEASTARSEAWIFS无法相比的，也是目前世界气象卫星中观测通道最多的成像观测仪。在将近30年的研制工作中，解决了许多的关键技术和难题，终于达到了目前这样的高水平哈尔滨理工大学T学硕士学傅论文IT另一类空间气象遥感仪器是大气垂直探测，按探测的波段划分为红外分光计和微波辐射计我国的这两类仪器虽然没有装载在卫星上经过飞行试验，但预先研究在80年代初期就已先后开展，至今已经研制出性能接近美国NOAA卫星90年代水平的样机，将用于我国第二代极轨气象卫星FY3”114卫星遥感灾害监测研究现状目前的灾害形式随着经济的高速发展、生产规模的扩大以及资源的过度开发，自然灾害损失呈逐年上升趋势，其特征表现之一为发生频率越来越高比如我国1991年经历了华东地区的特大洪水；19921995年华北地区的农作物病虫害1996年云南丽江的地震；1998年夏我国的特大洪灾；1999年长江中下游、太湖流域的特大洪水等重大灾害其二为损失越来越严重我国自20世纪90年代以来，年受灾人口越来越多，造成的经济损失更是不断增长141洪涝监测国内外研究和应用现状由于遥感技术在洪涝灾害中的应用比较成熟，所以在世界上得到广泛的应用。卫星遥感在减轻洪涝灾害损失方面是可以发挥重大作用的，特别是在紧急救灾和灾后重建方面，卫星提供的灾情信息比其他常规手段有着更快速，客观、全面等优越性早在1983年我国水利部就利用多频段扫描系统MSS数据监测了三江平原挠力河的洪水“九五”期间，中科院等单位完成了洪涝灾情遥感速报系统，其主要是利用NOAA气象卫星的数据，每天两次对全国洪涝灾害易发区内的灾情分布状况、淹没范围、持续时间以及影响程度等进行宏观监测评估，并给出灾情图像、简报以及淹没损失数量的统计报表等在我国1998年特大洪涝灾害中，本系统迅速反应洪涝动态、农作物损失评估、防洪工程有效性分析、险工险段调查分析、城市洪灾监测、工业区生命线工程易损性评估、长江洪水蓄洪分洪必要性分析、防灾减灾决策建议和灾后重建家园功能分区规划等工作。在1999年夏季的长江流域防汛抗洪期间，FYLC卫星发挥了重要的作用。印度、美国都是应用较早的国家，在1998年印度洪灾、1993年美国密西西比河的大洪灾期间，地球卫星EARTHSTTELLITE公司为联邦救灾署FEDIRALRELIEFAGENCIES快速提供了洪水淹没图，为救灾的快速反应提供了重要受灾信息畸尔滨理大学T学酽七学何论文142森林火灾监测国内外研究现状森林是陆地生态系统主体，在保持自然界生态平衡的过程中森林占有特殊的地位，森林火灾是对森林危害极大的主要灾害之一，对生态环境有着极大的破坏性。研究表明，地面物体温度越高，热辐射的峰值波长越短在遥感图像上林火明显地显示为亮红色的热点“1。MATSONM51在1984年曾对含火点像元亮温的明显差异进行过分析，发现含火点像元和周围背景像元的亮温差异可达数十度刘诚”1等2004年提出亚像元火点面积和温度估算方法可以有效地反映个火点像元火势程度的大小目前用于我国森林火灾监测的主要是美国NOAA系列气象卫星，我国的FY1C卫星也已经开始用于林火监测，在1987年大兴安岭特大火灾发生时，中科院中国遥感卫星地面站通过卫星遥感监测了火情在美国、新加坡、法国和德国等国家通过实践证明，利用NOAA、LANDSAR、SPOT卫星以及有关高分辨率数据，结合GIS和GPS技术，可建成火灾监测、救灾的运行性系统，提供火灾实况信息，这样既能清楚显示火灾范围及受灾区环境的遥感图像，又为制定救灾计划提供了最及时的空间信息。143旱情监测国内外研究现状20世纪60年代末、70年代初，美国就研究了土壤水分对反射率的影响，发现干燥土壤具有较高的反射率，并且土壤水分含量达到吸湿极限之前，反射率几乎不变，然后随着水分增多，反射率下降”170年代后期，美国逐步开展了土壤水分遥感监测研究，WATSON”。等人最早应用了热惯量模型。此后许多国家也开始着手这方面的研究工作，80年代后期，遥感监测土壤水分的工作得到了迅速的发展，监测手段多种多样，监测波段有近、中、远等热红外“”和微波遥感。日本为了研究大区域的土壤水分分布状况，用NOAA卫星资料，采用热惯量模式，结合近地层小气候和地面热流量观测，以中国东北部的吉林省为中心进行了区域土壤水分调查，取得了良好的效果“”英国、加拿大曾用NOAAAVHRR资料的可见光和红外波段获得植被指数，进行正常气候条件下农作物产量与干旱条件下农作物产量的比较评估，并在加拿大西部地区旱情监测预报中发挥了作用“”90年代后，随着遥感技术和地理信息系统的发展，干旱遥感监测也得到了进一步发展，从单一的使用遥感资料到与农作物生长模型相结合“”，与地理信息系统GIS相结合“”，监测模式也不断完善。哈尔滨理T大学T学硕士学F论史。国内对遥感技术用于干旱监测的研究，起步较晚，但发展迅速，成绩显著根据地面植被覆盖状况，从裸土、稀疏植被覆盖、部分植被覆盖和有植被覆盖等方面采用不同的模型进行了研究。对裸土、稀疏植被覆盖以热惯量方法为主展开了对地面土壤水分的监测研究，田国良等“”用热惯量方法建立试验区土壤表观热惯量与土壤水分的关系，再用NOAA，AVH】支R数字图像和气象数据相结合的方法估算冬小麦地的蒸散，从而估算出壤含水量；肖乾广等“”用NO从气象卫星资料研究用热惯量模式监测土壤水分，引入了。遥感土壤水分最大信息层”的概念，建立了多时相的土壤水分监测的幂函数模型，其精度要高于线性模型；罗秀陵“”使用NOAAAVHRR通道4亮温反演地面温度，从而建立地面温度与干旱指数的关系模型。对于下垫面有植被覆盖的情况，早在20世纪60年代，人们已认识到植物体的温度和土壤可利用水的多少有关红外测温仪的问世使植物群体冠层表面温度的测定得以实现。而以冠层温度为基础建立作物缺水指标的研究开始于20世纪70年代初。BARTHOLIE等首先利用飞机红外遥感测得不同水分状态下的土壤和作物冠层温度，这为遥感数据代替手工测得数据提供了实践的基础。KWBRONW等根据能量平衡一作物阻抗原理，提出了一个作物阻抗一蒸敬模型，为将热红外遥感温度应用到蒸散模型中提供了理论依据，其中包含了作物冠层温度与空气温度差即冠气温差的变量；根据植物对于地面旱情的反映，王鹏新等1在用条件植被指数、条件温度指数和距平植被指数监测年度间相对干旱的基础上，提出了条件植被温变指数唧的概念。随着人们对遥感监测环境的重视，土壤水分分布遥感监测的研究引起了人们很大的兴趣，研究的模型更加细致，对影响因子考虑更加周到，为准确地监铡旱情奠定了基础。144沙尘暴监测国内外研究现状国外对沙尘暴的遥感监测方法进行了大量研究，基本上都是使用气象卫星数据。主要受计算机处理设备能力和卫星数据本身的制约，20世纪90年代以前的沙尘暴研究工作仅局限于单通道信息的处理和分析。随着卫星探测器性能的不断改进，卫星光谱分辨率提高，通道数增加，加之计算机处理能力的提高，使得图像处理和模式识别等理论和技术都有了较大的突破，为利用多通道遥感数据进行沙尘暴的研究创造了有利条件，事实上也取得了满意的效果THOMAS等指出，在NOAAAVHRR数据的可见光，大哈尔漳理大学T学硕士学位论文气沙尘对它的影响往往高于对近红外通道的影响，尤其在地表植被盖度较高时更为明显。范一大等利用NOAAAVHRR数据研究了沙尘暴图像的查找表LOOKUPTABLE增强法和沙尘暴信息提取的经验模型；毛节泰等。利用GMS5可见光通道数据对反演湖面上空气溶胶光学厚度进行了可行性分析，结果表明，反演所得053361XM气溶胶光学厚度强烈依赖于湖面反射率的选取。通过选取合适的湖面反射率，卫星反演的气溶胶光学厚度和地面光度计遥感的月均值相对误差不超过300。15本文研究内容气象卫星的空间分辨率较资源卫星低，但其时间分辨率高、区域宏观性好、数据量小，具有客观、及时和动态跟踪的特点，依据不同物体具有不同的光谱分布，卫星各通道接收不同的信息，利用这些信息分析、提取不同下垫面的属性，判断不同物体的状态、演变趋势，结合地面观测数据，研究其内在关系，建立相应的数学模型，应用于洪涝、干旱、火险、作物长势监测等工作中，国内外在这些方面已经取得了许多有价值的的成就，哈尔滨市利用卫星遥感技术在气象为农业服务领域中的应用也将势在必行，本文的课题就是在此基础上建立一套适合哈尔滨市的卫星遥感气象灾害监测的研究。为以后建立、启动灾害应急措施提供了一个科学、有效的决策依据。本文主要完成了以下内容1研究土壤水分监测的原理建立哈尔滨市春季土壤水分监测模型，为春播期气象服务提供科学依据；2研究洪涝监测的原理建立哈尔滨市夏季洪涝监测模型。为防汛、抗灾提供服务依据；3建立森林防火期森林火情监测模型，为防火期间及时向领导和决策部门提供还在发生地点、火情及采用扑火的措施提供依据；4建立作物生长季水分供应状况及作物生长状况监测模型，为夏秋季农业提供优质气象服务；5利用卫星遥感资料接收处理系统，本系统可以直接接收美国NOAA系列和FYIC极轨卫星发射的遥感资料，建立灾害监测系统；6监测结果与分析哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第2章卫星遥感监测气象灾害的原理21遥感信息接收与处理的技术211地面物体电磁波辐射特性物体都具有反射、吸收、透射和自身发射电磁波的特性。NOAAAVHRR的第一和第二通道的传感器接收的是地物反射太阳的辐射而NOAAAVHRR的第三和第四通道传感器接收的是地物体自身发射的电磁波在任何情况下，地物体反射、吸收、透射电磁波的过程总量必等于入射量。所以反射率、吸收率和透射率之和等于L。遥感传感器接收的地物反射光谱实际上即表征地物界面反射太阳光谱的情况，这个界面可能是一层，也可能是多层介质的。如植被冠层，既可能是单层叶片的，也可能是多层叶片的反射率，还可能是植被冠层与背景土壤、背景水体的综合反射特征。地物体的反射率是波长的函数。一般情况下地物体的光谱特性可归纳为三种类型水体型、植被型和岩土型，其特性曲线见图21。显然这三种地物体在AVHRR的第一、第二通道波段具有最大的光谱离散度。因此应用这些波段数据可以准确地提取植被信息。光谱反射率波长图21几种典型地物的光谱反射率曲线FIG21SOMEPERSONIFICATIONTHIRIGSP仃1蛐REFLEETIVI白,C11LVE哈尔滓理丁大学T学硕七学位论文卫星遥感目标物的物理基础是地物问光谱特征的差异目前，极轨气象卫星的光谱通道大体可分为两类见表21一类位于可见光波段，可接收来自目标物的反射率，用来测算下垫面的反射率；另一类位于红外窗区波段，可接收来自目标物的热辐射表2I可见光和红外扫描辐射计功能TAB21THEFUNCTIONSOFVISIBLELIGHTANDINFRAREDSCANNINGRADIOMETER通波长P111道NOAA应用FFLCCHL058068O58068白天图像、植被、冰雪CH2084089O72511白天图像植被、水陆区界、大气校正CH3355395355393昼夜图像，热源、地表温度、林火红CH4103113105J13CH5115125115125昼夜图像，海表和地表温度外通CH6158164白天图像、云雪判读、干旱、云相区分道CH7043048CH8048O53海洋水色CH9053O58CHLO09O965水汽从表21中本文可以分析出，NOAA为5个通道，FY1C为10个通道。FYLC与NOAA共用，可使监测次数增加一倍。212遥感图像遥感图像是通过远距离探测而记录的地球表面、大气层、以及其他星球表面等物体在不同的电磁波波段所反射或发射的能量强度的分布和时空变化的产物。其所代表的反射或发射的能量大小是地物本身属性和状态的反映，是识别和研究不同物体及其相互关系和变化规律的依据为了利用图像去了解分析地物，需要对图像数据进行处理，以求补偿、增强、并提取人们感兴趣的信息，建立起清晰的或者能突出某些特征的图像。遥感图像是用传感器，于高空获取地表各类地场电磁波信息后而制成的一种图像包括可见光全波段黑白遥感图像、多波段遥感图像、红外遥感图像、热红外及微波遥感图像等。图像以影像为主，各种影像场从不同的角度反映了哈尔滓理工大学T学硕士学位论文地面、地质和地貌特征，自然地理结构，地表地质及部分深部构造的信息、部分气体状况温度、湿度、大气透过率及大气污染等及人类活动情况农业、交通、居民点等这种图像能全面、真实地反映地面的信息，并具有多层次性、多时相性、多波段性以及图像可处理等特点多层次性是指遥感图像能综合反映空中的云雾、地面的自然成分和地表地质体以及深部的隐伏地质构造等多种层次的信息多时相性是指传感器可定期、重复地接收同一地区的信息多波段性是指传感器对同一地区，可同步接收地表几个不同波段的信息，故可同时获取数张能彼此重叠的图像多波段图像不仅提高了分表不同地场的能力，还可对接收的数字化信息或底片图像进行计算机或光学的图像处理，给出真实反映地面的自然地理成分和地表地质体信息的图像，也能捕捉到超视觉的地表或地球深部的信息图像，如地质体的热切、某些力场的地球化学场及其它地球物理场等在一定条件下，还可以将地表特征、地球物理、地球化学资料与低质体等遥感信息互相套合形成图像。遥感图像是通过其色调或色彩，来反映像幅范围内地场的电磁波特征的任何物体都有电磁波辐射，不同的地面物质都具有不同的波谱特性，甚至同一种类型的物质处在不同的自然状态下其波谱特性也不同，电磁波辐射的波长范围很广，从10一OLO”GM。地球的电磁波信息来自两个部分，一为地球本身的热辐射，二为反射太阳的辐射在短波波段约0325TTRN以反射太阳辐射为主，而热辐射可以忽略不计；波长大于6岬时以热辐射为主。对于已经确定的物质在确定的自然环境下，它的波谱特性是不变化的，正是因为各种物质具有互不相同的不变化的的波谱特性，如果事先掌握了各种物质的的波谱特征，那么将遥感探测到的不同电磁波信息与之相比较，即可得到某种物质及其特性的遥感图像太阳辐射的光谱是连续的，太阳辐射在到达地面的过程中要穿过地球大气层，其能量一部分17被大气所吸收，还有一部分被云层反射回太空中30。到达地面的能量中又有22经散射成为漫射辐射。其余31是太阳直接辐射于地球表面的能量。地球的短波电磁波辐射，以反射太阳的辐射为主。影响地球表面辐射亮度反射亮度的因素有两个，太阳辐射度和地场反射率遥感传感器接收的地场辐射亮度，由于不同地场反射亮度不同，因而其辐射亮度各异，人们就依靠这些差异来判断各种地场及其某些物理性质的。地球的长波辐射来源于地球的热辐射，在吸收太阳辐射能量的同时，也向哈尔滨理工大学T学硕士学位论文外界辐射发射能量凡大于热力学温度R为O置的任何物体都可以向外辐射电磁波能量，物体辐射发射能量P是波长I与温度R的函数，遵守普朗克黑体辐射定律。即P盯T421其中户为单位时间内的总的辐射功率，单位是WM2，T为热力学温度O为常数567101J魄肌。F，由于实际物体不是绝对的黑体，反照率一般都小于1，此时式21可表示为PT盯T422式中；R为反照率，在0，1之间，它同物体的物理和几何性质有关。物体的辐射发射亮度工仅R等于地场的辐射率R与该波长的同温度的黑体辐射亮度厶工”之积LARSAN厶五D23温度不同，各类波长的辐射能量也随之变化，以300为例，大地辐射能量的分布如表22所示，由表可以看出以141AM为主表22大地辐射能量分布波长GRNI啦3L35I58IP1414,303010001000占总辐射度量比例