遥感概论重点.docx
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遥感概论重点
讲稿
第一章遥感概述
§1.1遥感概念
1．遥感（remotesensing）的定义：
在远离被测物体或现象的位置上，使用一定的仪器设备，接收、记录物体或现象反射或发射的电磁波信息，经过对信息的传输、加工处理及分析与解译，对物体及现象的性质及其变化进行探测和识别的理论与技术。
2．光谱特性（spectralcharacteristics）：
地球上每一物质作为其固有的性质都会反射、吸收、透射及辐射电磁波，物体的这种对电磁波固有的波长特性叫做光谱特性。
§1.2遥感技术系统
遥感技术系统：
是一个从地面到空中，乃至空间，从信息收集、存储、处理到判读分析和应用的完整技术体系。
一、遥感过程：
是指遥感信息的获取、传输、处理及其判读分析和应用的全过程。
二、传感器及遥感平台
1.传感器（remotesensor）：
接收从目标中反射或辐射来的电磁波的装置。
如：
照相机，扫描仪等。
2.遥感平台（remoteplatform）：
指搭载传感器的载体。
如：
地面三角架、遥感车、气球、航空飞机、航天飞机、人造地球卫星等。
三、遥感探测的特点
1．宏观观测，大范围获取数据资料
2．动态监测，快速更新监控范围数据
3．技术手段多样，可获取海量信息
4．应用领域广泛，经济效益高
四、遥感分类
1、按遥感平台分
地面遥感：
传感器设置在地面平台上
航空遥感：
传感器设置在航空器上
航天遥感：
传感器设置在环地球的航天器上
航宇遥感：
传感器设置在星际飞船上
2、按传感器的探测波段分
紫外遥感：
探测波段0.05~0.38μm
可见光遥感：
探测波段0.38~0.76μm
红外遥感：
探测波段0.76~1000μm
微波遥感：
探测波段1㎜~10m
多波段遥感：
在可见光波段和红外波段的范围内，在分成若干窄波段来探测
3、按传感器的工作原理分
主动遥感：
探测器主动发射一定电磁波能量
被动遥感：
探测器不向目标发射电磁波
4、按遥感资料的获取方式分
成像遥感：
目标电磁辐射信号能转换成图象
非成像遥感：
目标电磁辐射信号不能形成图象
5、按波段宽度及波谱的连续性分
高光谱遥感（hyperspectralremotesensing）：
是利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通常小于10nm）产生光谱类型的图像数据。
常规遥感（宽波段遥感）：
波段宽度一般大于100nm，且波段在波谱上不连续。
6、按遥感的应用领域分
从大的研究领域可分为：
外层空间遥感，大气层遥感，陆地遥感，海洋遥感。
从具体应用领域可分为：
资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、城市遥感、工程遥感、灾害遥感、军事遥感。
§1.3遥感技术的简史与发展（了解，不考）
美国海军研究局的EvelynLPruitt（艾佛林·普鲁伊特）于1960年首次提出“RemoteSensing”一词，1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境遥感讨论会上，这一名词被正式通过，普遍采用至今，从此标志着遥感这门新学科的形成。
一、遥感发展的三个阶段：
–萌芽阶段（常规航空遥感阶段）
–航空遥感阶段
–航天遥感阶段
二、我国遥感发展概况
三、当前遥感发展主要特点与展望
1.多国发射卫星的局面已经形成
2.高分辨率小型商业卫星发展迅速
3.雷达卫星遥感日益受到青睐
Ø星载主动式遥感的发展，是探测手段更趋多样化。
4.高光谱分辨率传感器是未来空间遥感发展的核心内容。
Ø高光光谱分辨率传感器是指既能对目标物成像有可以测量目标物波谱特性的光学传感器。
5.遥感应用不断深化
6.地理信息系统的发展与支持是遥感发展的又一进展和动向。
ØGIS的概念
Ø遥感手段获得的丰富信息GIS的科学管理
Ø遥感应用有赖于GIS提供多种信息源进行信息复合及其综合分析。
Ø因此，GIS是遥感的进一步发展和延伸，成为遥感发展的一个新动向。
§1.4、遥感在地理学中的作用和意义（了解）
一、遥感已成为地理研究的重要信息源
1.地理学研究的传统方法：
地图及其特点
2.遥感信息的准确性、客观性
3.遥感信息的实时性与及时性
4.遥感信息的周期性：
动态研究
5.遥感信息的多样性：
多波段信息；图像信息与数字化信息；二维平面信息与三维空间信息；从而使获得的信息形成多层次、多方式、多侧面全方位，拓宽了地理学研究的深度和广度。
二、遥感已成为地理研究的重要手段和方法
1.遥感方法改变了地理研究的工作模式
2.遥感方法为地理分析提供了基础，也为地理分析从定性到定量，从静态到动态创造了条件。
3.遥感与地理信息系统的结合，为地理研究提供了广阔的发展前景。
三、遥感的应用
1、遥感在资源调查方面的应用
2、遥感在环境监测评价等方面的应用
3、在区域分析及建设规划方面的应用
4、遥感在全球性宏观研究中的应用
5、遥感在其它方面的应用
第二章遥感电磁辐射基础
§2.1概述、
一、电磁波与电磁波的传输特性
1、电磁波与电磁波谱
1）波：
振动的传播称为波。
2）电磁波（电磁辐射）：
电磁振源产生的电磁振荡在空间的传播。
3）电磁波谱：
将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表称为电磁波谱。
4）电磁波的性质：
波长与频率成反比；两者的乘积为光速；电磁波传播到气体、固体、液体介质时，会发生反射、折射、透射、吸收等现象。
2、遥感技术使用的电磁波分类名称和波长（λ）范围：
名称波长范围
紫外线100Å----0.38μｍ
可见光0.38----0.76μｍ
近红外0．76----3.0μｍ
中红外3．0----8.0μｍ
热红外8．0----15.0μｍ
远红外15----1000μｍ
微波1----1000ｍｍ
无线电波>1000ｍｍ（1ｍ）
二、电磁辐射与黑体辐射
1.辐射源：
任何物体都是辐射源。
不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。
2.辐射能量（W）：
电磁辐射的能量，单位：
J（焦耳）。
3.辐射通量（Φ）：
单位时间内通过某一面积的辐射能量,单位:
W（瓦）。
4.辐照度（I）：
被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。
5.辐射出射度（M）：
辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位：
W/m2。
辐射通量密度、辐射亮度
6.绝对黑体：
如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是绝对黑体。
光谱吸收系数（吸收率）：
α（λ，T）
光谱反射系数（反射率）：
ρ（λ，T）
绝对黑体：
α（λ，T）=1；ρ（λ，T）=0
7.黑体辐射规律：
（1）黑体的辐射（发射）能量----辐射出射度（M）是波长λ和温度T的函数；某一波长下黑体的辐射出射度Mλ是指在某一单位波长间隔（λ~Δλ）的辐射出射度。
在紫外、可见光和红外波段Mλ与λ5成反比；在微波波段，Mλ与λ2成反比与T成正比。
（2）黑体的总辐射出射度M：
黑体对所有波长的（发射）辐射能量的总和。
在这种情况下M~M（T）。
即：
M∝T4
表明总辐射出射度M与温度T的关系是：
随着温度的升高，M的值急剧增大；不同温度下的M值在波长—能量曲线图中，展现为一系列互不相交的曲线（族）。
（3）黑体辐射出射度Mλ的最大值所对应的波长λmax与黑体自身温度T的关系：
λmax与T成反比。
即：
黑体温度越高，其总辐射出射度M的曲线的峰值就越向短波方向偏移。
（太阳的λmax=0.47μｍ；地球λmax=9.0μｍ）
8、实际物体的辐射
☆发射率ε（比辐射率）的概念：
物体（地物）的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比。
☆物体的发射率等于该物体的吸收率：
αλ=ελ
一般情况下,物体的发射率:
0＜ελ＜1
☆物体的发射率是温度和波长的函数。
物体的发射率与身的性质、物理状况（如粗糙度、颜色等）有关；物体的表面温度受自身的比热、热惯量、热导率、热扩散率等影响较大。
☆黑体的ελ=ε=1；灰体的ελ=ε=常数<1;选择性辐射体的ελ<1,且随波长而变。
（P21，表2.3；P22，F2.10）
9、太阳辐射
☆太阳常数：
在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离，约1.496×108公里）内，垂直于太阳辐射方向上，单位面积单位时间内黑体接受到的太阳辐射能量。
其数量为：
1.360×103瓦/平方米。
☆太阳辐射（太阳光谱）的主要特征
（1）太阳辐射到达大气层顶时与60000K黑体的辐射能特征基本相同：
辐射能的强度特征、辐射能随波长的分布特征。
（2）太阳辐射穿过大气层到达地面后，被大气反射、散射和吸收强度有所减少，而且存在多个O3、CO2、H2O的吸收带。
（3）在0.3~0.47μｍ范围内，随波长的增加太阳辐射能急剧增长，在0.47μｍ左右达到极大值；随波长的继续增大，太阳辐射能逐渐减少，在中红外波段，太阳辐射能已相当微弱。
（4）在0.6μｍ附近有一个O3的吸收带；在0.7、0.9、1.1μｍ附近有三个水汽的吸收带、在1.4和1.9μｍ附近太阳辐射能完全被吸收；CO2的强吸收带在2.7和4.3μｍ附近。
（5）到达地面的太阳辐射能43.5%集中在可见光波段38.6%集中在近红外波段。
10、大气吸收、大气散射与大气窗口
☆大气层次与成分（自行阅读）
☆大气对太阳辐射的吸收作用
☆瑞利散射：
当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。
散射强度与波长的四次方成反比，I∝λ-4。
----天为什么是蓝的？
日出日落时天空是橙红色？
☆米氏散射：
当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；主要由大气中的烟尘、小水滴和气溶胶引起。
散射强度与波长的二次方成反比，I∝λ-2。
米氏散射在光线前进方向比向后方的散射更强。
☆非选择性散射：
当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关。
----云雾中水滴粒子的直径与可见光相比；云为什么是白色的？
☆散射作用与波长的关系：
瑞利散射主要发生在紫外、可见光和近红外波段；米氏散射发生在近紫外~红外波段，但在红外波段米氏散射的影响超过瑞利散射；在微波波段，由于微波波长远大于云层中水滴的直径，因而属于瑞利散射类型；此时，散射强度与波长的四次方成反比，散射强度相对很弱，透射能力很强，故微波具有穿透云雾的能力。
☆大气的折射与反射：
大气的折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。
因而，电磁波（太阳辐射）在大气中的传播轨迹是一条曲线。
大气反射主要发生在云层顶部，并与云量密切相关。
☆大气窗口：
将电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的、透过率较高的波段称为大气窗口。
大气窗口的光谱段主要有：
0.3~1.3μｍ
1.5~1.8μｍ和2.0~3.5μｍ
3.5~5.5μｍ
8~14μｍ
0.8~2.5cｍ
7、地球电磁辐射的基本特征
8、地球表面的热辐射特征
☆温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长范围是：
2.5~50μｍ。
☆地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段；在热红外波段，地球的发射辐射能量远远大于太阳的电磁辐射能量，通常称地球的发射辐射为热辐射。
☆地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关：
M（λ，T）=ε（λ，T）×M0（λ，T）
☆发射光谱曲线：
某种地物的发射率随波长变化曲线。
☆观察图2.22可以发现：
随着二氧化硅含量的减少（酸性---基性）岩石发射率的最小值向长波方向偏移。
☆由于地表温度的日变化，热红外遥感应在一天中的何时进行？
§2.3地物的反射辐射
2.3.1地物反射光谱特性
☆反射率与镜面反射、漫反射（朗伯面）、实际物体反射（方向反射）
☆对于地球表面而言，入射辐射能量（入射辐照度）由太阳的直接辐射和经大气散射后又漫入射到地面的能量组成。
在晴朗、干燥的天气下，后者可以忽略不计。
☆地物反射光谱曲线：
地物反射率随波长λ的变化曲线。
☆四种典型地物----雪、小麦、沙漠、湿地在可见~近红外波段的反射光谱特征。
☆植物、土壤、水体、岩石的反射光谱特征
☆地物反射光谱的实验室测量和野外测量
2.3.2、地物的透射光谱
1、可见光波段：
透明地物
2、红外波段：
半导体
3、微波
2.3.3、人工辐射源
（1）微波辐射源
*全天时、全天候的探测能力
*对干燥、松散的物质有一定的穿透能力
（2）激光辐射源
§2.4地物波谱特征的测量（了解，不考）
•地物反射波谱测量理论：
双向反射分布函数（BRDF）
对于地物表面dA，设入射时辐照度为dIi（φi,θi），在φr和θr方向上，由dIi产生的反射亮度为dLr，随着入射方向和反射方向的不同，产生一个函数fr，称双向反射分布函数，简称BRDF，表示为：
对于给定的入射角和反射角，这一函数值表示在给定方向上每单位立体角内的反射率。
fr还是波长的函数。
BRDF完全描述了反射空间分布特性的规律。
但是由于BRDF函数值本身是两个无穷小量的比，且实际想要测量dIi也十分困难，因此实际测量中很少采用。
•地物反射波谱测量理论：
双向反射比因子R（BRF）
这一函数比较容易测量，其定义是，在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下的标准参考面的反射辐射通量之比。
而这一标准参考面即为前面讲过的朗伯反射面。
•地物光谱测量方法：
样品的实验室测量
实验室测量常用分光光度计，仪器由微机控制，测量数据也直接传给计算机。
分光光度计的测量条件是一定方向的光照射，半球接收，因此获得的反射率与野外测定有区别。
室内测量时要有严格的样品采集和处理过程。
例如，植被样品要有代表性，采集后迅速冷藏保鲜，并在12h内送实验室测定；土壤和岩矿应按专业要求并制备成粉或块。
由于实验室的测量条件高，应用不够广泛。
•地物光谱测量方法：
野外测量
1）垂直测量：
为使所有数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一般情况下测量仪器均用垂直向下测量的方法，以便与多数传感器采集数据的方向一致。
由于实地情况非常复杂，测量时常将周围环境的变化忽略，认为实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。
垂直测量所用标准板通常用硫酸钡或氧化镁制成，在反射天顶角≤45o时，接近朗伯体，并且经过计量部门标定，其反射率为已知值。
因没有考虑入射角度变化时造成的反射辐射值的变化（对实际地物在一定程度上取近似朗伯体），其测量值也有一定的适用范围
2）非垂直测量：
在野外更精确的测量是测量不同角度的方向反射比因子，考虑到辐射到地物的光线由来自太阳的直射光（近似定向入射）和天空的散射光（近似半球入射），因此方向反射比因子取两者的加权和。
非垂直测量步骤
•自然光照射时测量一次为I值；
•用挡板遮住太阳光使阴影盖过标准板，再测一次为ID；
•自然条件下选择太阳方向和观测角在同一地面位置分别迅速测量标准板的辐射值和地物的辐射值，计算野外测量出的方向反射比因子RS；
•用黑挡板遮住太阳直射光，在只有天空漫入射光时分别迅速测量标准板和地物的辐射值，计算比值得到漫入射的半球——定向反射比系数RD；
•由公式计算出直射光照射下双向反射比因子R。
第二章遥感平台及运行特点
§2.1.遥感平台的种类
1．地面平台：
三角架、遥感塔、遥感车和遥感船等与地面接触的平台称为地面平台或近地面平台。
它通过地物光谱仪或传感器来对地面进行近距离遥感，测定各种地物的波谱特性及影像的实验研究。
Ø三角架：
0.75-2.0米；对测定各种地物的波谱特性和进行地面摄影。
Ø遥感塔：
固定地面平台；用于测定固定目标和进行动态监测；高度在6米左右。
Ø遥感车、船：
高度的变化；测定地物波谱特性、取得地面图像；遥感船除了从空中对水面进行遥感外，可以对海底进行遥感。
2．航空平台：
包括飞机和气球。
飞机按高度可以分为低空平台、中空平台和高空平台。
Ø低空平台：
2000米以内，对流层下层中。
Ø中空平台：
2000-6000米，对流层中层。
Ø高空平台：
12000米左右的对流层以上。
Ø气球：
低空气球：
凡是发放到对流层中去的气球称为低空气球；高空气球：
凡是发放到平流层中去的气球称为高空气球。
可上升到12-40公里的高空。
填补了高空飞机升不到，低轨卫星降不到的空中平台的空白。
3．航天平台：
包括卫星、火箭、航天飞机、宇宙飞船。
§2.2.卫星轨道及运行特点
2.2.1轨道参数：
用于表示遥感卫星轨道特征的数值组。
1、轨道形状：
固定的椭圆轨道绕地球周期性的运行。
轨道高度：
卫星离地面的平均距离。
2、轨道参数（开普勒的六个参数）
•升交点赤经Ω：
是赤道轨道的升交点与春分点之间的角距。
•近地点角距ω：
卫星轨道的近地点与升交点之间的角距。
•轨道倾角i：
卫星轨道面与地球赤道面之间的两面角。
即升交点一侧的轨道面至赤道面的夹角。
•卫星轨道长半轴a：
卫星轨道远地点到椭圆轨道中心的距离。
•卫星轨道偏心率（扁率）e：
e=c/a
•卫星过近地点时刻t0：
以近地点为基准表示轨道面内卫星位置的量。
2.2.2卫星坐标的测定和解算
1、星历表法解算卫星坐标
2、用全球定位系统（GPS）测定卫星坐标
2.2.3卫星姿态角
Ø滚动（ω）：
绕x轴旋转的姿态角。
Ø俯仰（φ）：
绕y轴旋转的姿态角。
Ø偏航（κ）：
绕z轴旋转的姿态角。
§2.3陆地卫星及轨道特征
一、Landsat系列
1．陆地卫星Landsat，1972年发射第一颗，已连续31年为人类提供陆地卫星图像，共发射了7颗，产品主要有MSS,TM,ETM，属于中高度、长寿命的卫星。
2．陆地卫星的运行特点：
（1）近极地、近圆形的轨道；
（2）轨道高度为700～900km；
（3）运行周期为99～103min/圈；
（4）轨道与太阳同步。
3．在陆地卫星1～3号上装载的传感器有反束光导管摄像机（RBV）及多光谱扫描仪（MSS）。
在陆地卫星4、5号上，除装载多光谱扫描仪（MSS）外，还装载有专题制图仪（TM）；在陆地卫星7号，安装了增强型的专题制图仪（ETM＋）
1）MSS多光谱扫描仪
多光谱扫描仪是把来自地面上地物的电磁波辐射（反射或发射）分成几个不同的光谱段，同时扫描成像的一种传感器，在陆地卫星1～5号上均装有这种传感器。
它是由扫描反射镜、校准器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和探测器等所组成。
MSS各个波段：
4、0.5-0.6（绿色）：
对水体有一定透射能力，清洁水体中透射深度可达10-20m，可判读浅水地形和近海海水泥沙。
可探测健康绿色植被反射率。
5、0.6-0.7（红色）：
用于城市研究，对道路、大型建筑工地、砂砾场和采矿区反映明显。
可用于地质研究。
用于水中泥沙含量研究。
进行植被分类。
6、0.7-0.8（近红外）：
区分健康与病虫害植被。
水陆分界。
土壤含水量研究。
7、0.8-1.1（近红外）：
测定生物量和监测作物长势。
水陆分界。
地质研究。
2）TM专题制图仪
陆地卫星4、5号上的TM（ThematicMapper）是一个高级的多光谱扫描型的地球资源传感器，与多光谱扫描仪MSS的性能相比，它具有更高的空间分辨率，更好的频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨率。
TM中增加了一个扫描行改正器，目的之一是使扫描行垂直于飞行轨道（MSS扫描行不垂直于飞行轨道）。
其二是使往返双向都对地面进行扫描，收集图像数据（MSS仅仅从西向东扫描式单向收集图像数据，从东往西回扫时，关闭望远镜与地物之间的光路）。
TM各个波段：
（1）、0.45-0.52（蓝色）：
对水体有透射能力，可区分土壤和植被。
（2）、0.52-0.6（绿色）：
同MSS-4。
（3）、0.63-0.69（红色）：
同MSS-5。
（4）、0.76-0.9（近红外）：
同MSS-6。
（5）、1.55-1.75（短波红外）：
同MSS-7。
（6）、10.4-12.5（热红外）：
探测地球表面不同物质的自身热辐射，可用于热辐射制图、岩石识别和地质探矿等。
（7）、2.08-2.35（短波红外）：
探测高温辐射源，如监测森林火灾、火山活动等。
3）ETM+增强型专题制图仪
陆地卫星7号安装的是增强型专题制图仪，它是在TM传感器的基础上增加了一个波长为0.5～0.9μm的全色波段，称为pan波段，其瞬间视场为13m×15m，其他7个波段的波长范围：
如表2-2所示，瞬时视场与TM相同。
只是热红外波段的探测器阵列从4个增加到8个，从而提高了地面分辨率。
二、SPOT对地观测卫星系统
是由法国空间研究中心研制开发，比利时、瑞典等国参与。
中等高度（832km）圆形、近极地、太阳同步、可重复轨道。
白天自北向南（略偏西）航行，夜晚自南向北（略偏西）航行。
主要成像系统:
高分辨率可见光扫描仪（HRV，HRG），VEGETATION，HRS。
1、HRV结构和成像原理
探测元件为4根平行的CCD线列，每根探测一个波段，每线含3000（HRV1～3）或6000（PAN波段）个CCD元件。
SPOT的HRV波谱段
光谱段
光谱特性
分辨率
0.50~0.59μm
绿
20m
0.61~0.68μm
红
20m
0.79~0.89μm
近红外
20m
0.51~0.73μm
绿—红全波段
10m
三、IKONOS数据
1、具有太阳同步轨道，倾角为98.1°。
设计高度681km（赤道上），轨道周期为98.3min，下降角在上午10:
30，重复周期l～3d。
2、携带一个全色1m分辨率传感器和一个四波段4m分辨率的多光谱传感器。
3、传感器由三个CCD阵列构成三线阵推扫成像系统。
四、高分辨率商业卫星Qucikbird
Quickbird-2卫星的全色波段地面分辨率为0.61m，目前是世界上分辨率最高的遥感数据，幅宽16.5km。
多光谱波段地面分辨率为2.44m。
卫星轨道高度450km,倾角98°,卫星重访周期1～6d（与纬度有关）。
可应用于制图、城市详细规划、环境管理、农业评估。
五、CBERS数据特点
1、数据来源：
中巴地球资源卫星。
2、太阳同步极地轨道。
CBERS具有三台成像传感器：
高分辨率CCD像机（CCD）、红外多谱段扫描仪（IR-MSS）、广角成像仪（WFI）。
七、海洋卫星
主要用于海洋温度场，海流的位置、界线、流向、流速，海浪的周期、速度、波高，水团的温度、盐度、颜色、叶绿素含量，海冰的类型、密集度、数量、范围以及水下信息、海洋环境、海洋净化等方面的动态监测。
主要的海洋卫星简介
•美国的海洋卫星（SEASAT）:
1978年发射；近极地太阳同步轨道；扫描覆盖海洋的宽度1900km；五种传感器，以微波为主。
•日本的海洋观测卫星系列（MOS-1）：
获取大陆架浅海的海洋数据。
•欧洲海洋卫星系列（ERS）：
主要用于海洋学、海冰学、海洋污染监测等领域。
•加拿大的雷达卫星（RADARSAT）:
加、美、德、英共同设计，1995年发射。
八、气象卫星
是广泛应用
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