Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品應用探討

楊金明，劉志輝

（1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心，新疆 烏魯木齊 830046）

Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品應用探討

楊金明1,2，劉志輝2,3,4

（1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心，新疆 烏魯木齊 830046）

以Sentinel-1衛(wèi)星的特點、傳感器的特點、數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及潛在應用為邏輯主線，介紹了Sentinel-1衛(wèi)星的基本參數(shù)、C波段傳感器的參數(shù)特性以及Sentinel-1的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為Sentinel-1的進一步應用提供參考。

Sentinel-1衛(wèi)星；C-波段；Sentinel-1應用；數(shù)據(jù)產(chǎn)品

2005年年底，歐盟委員會決定實施全球環(huán)境與安全監(jiān)測系統(tǒng)項目，即“哥白尼計劃”，目的是整合歐洲各國的衛(wèi)星觀測力量，形成綜合的觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)并提供運營服務，輔助應對歐洲及世界其他地區(qū)的自然災害和環(huán)境事故。Sentinel-1是專為“哥白尼計劃”設計的第一顆衛(wèi)星，用以監(jiān)測歐洲、加拿大和極地區(qū)域的環(huán)境變化，如海冰、海洋環(huán)境以及地表運動，地表森林、水源和土壤動態(tài)變化，甚至還可以提供危急情況下的人道主義援助[1]。

充分了解Sentinel-1衛(wèi)星和Sentinel-1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可以幫助我們明確數(shù)據(jù)預處理需要的操作，減少因數(shù)據(jù)選擇不當而導致的繁瑣工作量，降低預處理引入的誤差，為Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的進一步應用奠定理論基礎。

1 Sentinel-1衛(wèi)星特點

Sentinel-1衛(wèi)星是歐洲極地軌道C波段雷達成像系統(tǒng)，是SAR操作應用的延續(xù)，其主要任務是向歐洲極地軌道雷達觀測站提供連續(xù)的SAR數(shù)據(jù)。

Sentinel-1衛(wèi)星是意大利多用途可重構衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星尺寸為3 900 mm×2 600 mm×2 500 mm，發(fā)射質量為2 300 kg（其中包含130 kg單組元推進劑），設計壽命為7．25 a，耗材壽命為12 a，自主運行時間為4 d；存儲容量為1 410 GB、測控碼上行速率為64 KB/s、下行速率為128 KB/s、數(shù)傳速率為600 MB/s。

Sentinel-1衛(wèi)星配備了先進的雷達系統(tǒng)，可全天候進行對地觀測，這在實際應用中意義重大。Sentinel-1衛(wèi)星采用預編程無沖突操作模式，可實現(xiàn)高分辨率全球陸地、海岸帶和航線的成像。相對于ERS-1/1 SAR和ENVISAT ASAR，Sentinel-1極大地縮短了重訪周期，提高了覆蓋范圍，其大范圍、多模式以及多應用的特點可為更多的用戶提供數(shù)據(jù)支持[2]。

1.1 大范圍

Sentinel-1衛(wèi)星是雙星座衛(wèi)星，單個Sentinel-1衛(wèi)星每12 d映射全球一次，兩個衛(wèi)星星座的重復周期可縮短至6 d。赤道地區(qū)的重復周期為3 d，北極地區(qū)的重復周期為2 d，無論何種天氣情況，都能在1～3 d之內覆蓋歐洲、加拿大地區(qū)以及主要的航線。

1.2 多模式

雷達主要有兩種工作模式：干涉寬幅模式和波模式。干涉寬幅模式是陸地上的默認模式，幅寬為250 km，地面分辨率為5 m×20 m。此模式在三個子條帶使用遞進式地形掃描方式Scan-SAR或TOPSAR[3]，雷達波束在一個子條帶內重復掃描三次，可產(chǎn)生質量更高、更均勻的圖像[4]，提高了成像輻射性能[5]。干涉寬幅模式支持雙極化（HH-HV，VV-VH）運行。

波模式可以輔助確定海面上波的方向、波長和波的高度，可實現(xiàn)每100 km兩個不同入射角的切換。波模式幅寬為20 km×20 km，圖像分辨率為5 m×5 m。波模式支持HH和VV單極化運行。

另外還包括兩個附加模式：條帶模式和超寬幅模式。條帶模式可提供80 km幅寬、5 m×5 m分辨率的連續(xù)性遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)。條帶模式支持HH-HV和VV-VH雙極化運行。超寬幅模式主要為海冰地區(qū)和極地地區(qū)提供所需服務，特點是覆蓋范圍廣、重訪周期短。

超寬幅模式與干涉寬幅模式相似，都采用TOPSAR技術，不同的是干涉寬幅模式使用3個子條帶，而超寬幅模式使用5個子條帶，超寬幅模式可以提供幅寬400 km，分辨率20 m×40 m的圖像。此外超寬幅模式還可用于干涉測量[6]，支持雙極化（HH-HV，VV-VH）運行。

1.3 多應用

自20世紀90年代以來，極化SAR高分辨率成像技術得到了廣泛應用[7]，主要包括海洋冰區(qū)監(jiān)測、北極環(huán)境監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測、土地地表運動風險監(jiān)測以及在危急情況下提供人道主義援助支持的映射。

1）海洋冰區(qū)監(jiān)測、北極環(huán)境監(jiān)測以及海洋環(huán)境監(jiān)測。哥白尼海洋服務可提供海洋狀態(tài)、海洋動態(tài)和沿海地區(qū)的重要信息。這些服務不僅可以幫助保護和管理海洋環(huán)境、海洋資源，還能確保船只在海上的安全。在日益繁忙的北極水域，Sentinel-1可以為我們提供保障船只在海冰條件下安全通過的及時地圖。Sentinel-1雷達可以區(qū)分更薄、更便于通航的一年冰和更危險、更厚并且不易通航的多年冰，以保障在冰雪覆蓋的北極和亞北極地區(qū)的航行安全。這些雷達圖像特別適合生成高分辨率的冰圖表，可用于冰山監(jiān)測。

Sentinel-1還可以提供開闊大洋的連續(xù)樣本，提供風和海浪的相關信息，有助于我們更直觀地了解波浪和水流之間的相互關系，提高航運中能量應用的效率，以此產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟效益。這些觀測還可以用于跟蹤海洋浮油和其他污染物的路徑。

2）土地地表監(jiān)測。Sentinel-1衛(wèi)星在同一地區(qū)頻繁地重訪可用于密切監(jiān)測土地覆蓋的變化，尤其長期被云覆蓋的熱帶森林和非法砍伐木材方面的監(jiān)測，非常實用。Sentinel-1還能夠快速監(jiān)測洪水和地震等災害，例如2015-04-25 14:11在尼泊爾發(fā)生了8．1級地震，Sentinel-1一景數(shù)據(jù)就能完全覆蓋尼泊爾地震區(qū)。相關學者利用Sentinel-1數(shù)據(jù)量測了震區(qū)形變情況，包括對位移、沉降和垂直方向抬升距離的量測，研究發(fā)現(xiàn)震區(qū)在垂直方向的抬升達到了1 m，在衛(wèi)星運行方向的位移超過了0．8 m。還通過對地震前后的兩軌影像進行干涉測量發(fā)現(xiàn)，地震區(qū)域地表一半沉降一半抬升，測量精度達到了cm級。

3）在危急情況下提供人道主義援助支持的映射。哥白尼緊急管理服務中心旨在加強歐洲應對緊急情況的能力，其中包括地球物理傷害，例如地震、人為災難和石油泄露等。Sentinel-1衛(wèi)星可以輔助哥白尼緊急管理服務中心提供人道主義援助支持的映射，Sentinel-1C波段合成孔徑雷達可以提供分辨率為10 m、小時尺度內的應急援助圖像，此圖像可以精確地監(jiān)測滑坡導致的地形變形；通過定期的、頻繁的干涉測量來監(jiān)測地震區(qū)域和沉陷區(qū)域；還支持水文氣象事件和地質事件等危害類型的影響評估。

2 Sentinel-1傳感器特點

Sentinel-1攜帶一個單獨的C波段垂直極化輻射計，波長在3．8-7．5 cm之間，中心頻率為5．405 GHz，帶寬為0．100 MHz，脈沖寬度為5～10 μs，接收機噪聲系數(shù)-22 dB，脈沖重復頻率1 000～3 000Hz，數(shù)據(jù)存儲容量為1 410 GB，X波段下行鏈路容量為520 MB/ s，入射角在20°～45°之間。C波段天線尺寸為12．3 m×0．821 m，質量為880 kg（占發(fā)射質量的40%），支持雙極化（HHHV，VV-VH）運行。數(shù)據(jù)壓縮采用熵約束分塊自適應量化算法和彈性動力分塊自適應量化算法。

3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

Sentinel-1向所有的數(shù)據(jù)用戶（包括公眾用戶、科教用戶和商業(yè)用戶）提供免費的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要分發(fā)在SAFE頭文件中。通常情況下，Nest以及ENVI中的SARscape雷達處理軟件（模塊）都是對頭文件進行處理。Sentinel-1的每一種模式都可能會產(chǎn)生SAR-0級產(chǎn)品、SLC-1級產(chǎn)品、GRDH 2級產(chǎn)品以及OCN 2級產(chǎn)品。

3.1 Level-0級產(chǎn)品

SAR-0級產(chǎn)品包含經(jīng)FDBAQ（彈性動力分塊自適應量化）壓縮的未聚焦的SAR原始數(shù)據(jù)，其中同步幀、通信頭和重復數(shù)據(jù)都已被移除。SAR-0級產(chǎn)品是高級數(shù)據(jù)的基礎，典型的SAR-0級產(chǎn)品的大小為1 GB（IW模式）。SAR-0級數(shù)據(jù)是未聚焦的數(shù)據(jù)，因此在使用SAR-0級數(shù)據(jù)之前必須先進行數(shù)據(jù)的解壓縮，并使用聚焦軟件處理，ENVI中的SARscape模塊就能對SAR-0級數(shù)據(jù)中的每個點的反射率進行快速聚焦處理，并直接輸出SLC數(shù)據(jù)。

在原始數(shù)據(jù)中單點反射回來的合成孔徑雷達信號的能量是沿著方位向和距離向傳播的，聚焦的目的是將分散的信號聚集在一個單獨的像素中。通常情況下SAR-0級數(shù)據(jù)的處理工作量較大，但用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)的使用情況進行選擇性的操作。

3.2 Level-1級產(chǎn)品

Level-1級數(shù)據(jù)適用于絕大多數(shù)的用戶，數(shù)據(jù)本身具有地理參照數(shù)據(jù)、輻射系數(shù)、幾何校正系數(shù)以及時間參考。Sentinel-1的1級產(chǎn)品包括SLC（Single Look Complex）和GRDH（Ground Range Detected）數(shù)據(jù)。

Level-1級SLC圖像是聚焦數(shù)據(jù)，包括聚焦合成孔徑雷達地理參照數(shù)據(jù)和衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星姿態(tài)角對影像有著直接的影響，往往會造成影像的幾何變形，因此幾何校正必須需要衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)。SLC圖像產(chǎn)品包括很多的斑點噪聲，多視處理可對圖像的距離向和方位向的分辨率做平均，抑制圖像的斑點噪聲。Level-1級SLC數(shù)據(jù)保存了圖像的相位信息，相位信息是距離的函數(shù)，InSAR干涉測量就是利用相位信息研究地形形變及沉降，目前已有不少研究者利用C波段主動微波基于D-InSAR反演積雪深度[8]， D-InSAR基線計算過程中使用的數(shù)據(jù)必須是SLC像對或者PWR像對。典型的Level-1級SLC數(shù)據(jù)為8 GB（雙極化IW）或4 GB（單極化IW）。

Level-1級GRDH數(shù)據(jù)產(chǎn)品是經(jīng)過橢球地理編碼的多視聚焦合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，用戶獲取圖像時一般不提供地形編碼。GRDH數(shù)據(jù)產(chǎn)品有三種分辨率：全分辨率（FR）、高分辨率（HR）和中等分辨率（MR）。分辨率的大小取決于多視處理中視數(shù)的數(shù)量。Level-1級GRDH數(shù)據(jù)IW模式和EW模式是中等分辨率或高分辨率，SM模式是高分辨率或全分辨率。典型的產(chǎn)品大小大約是1 GB（IW）。

3.3 Level-2級產(chǎn)品

OCN 2級數(shù)據(jù)包括海洋涌譜（OSW）組件和另外兩個新的組件：海洋風場（OWI）和表面徑向速度（RVL）。海洋涌譜是二維海洋表面膨脹譜，包括風速和風向涌譜的估算，只有波模式和條帶模式才有海洋涌譜。條帶模式從內部產(chǎn)生1級SLC圖像并且能夠導出多光譜。海洋風場主要用于估算10 m/s以上表面風速的風向和地面范圍網(wǎng)格。表面徑向速度是2級多普勒網(wǎng)格測量和1級幾何多普勒計算之間地面范圍網(wǎng)格的差值。

3.4 數(shù)據(jù)獲取

Sentinel-1科學數(shù)據(jù)中心（https://scihub．esa．int/ dhus/）提供免費和開放的0級和1級用戶數(shù)據(jù)。目前免費提供的Sentinel-1數(shù)據(jù)僅包括IW模式VV極化0級RAW、1級SLC以及1級GRDH數(shù)據(jù)，而1級SLC產(chǎn)品僅提供個別區(qū)域的數(shù)據(jù)。為了權衡所有用戶的下載量，每個用戶名最多可同時下載兩個數(shù)據(jù)。

4 Sentinel-1數(shù)據(jù)潛在應用

1）基于Sentinel-1數(shù)據(jù)的雪深反演。經(jīng)模擬，Sentinel-1的C波段在積雪覆蓋地區(qū)的穿透深度在80～500 cm之間，而模擬區(qū)雪深最大為41 cm（2015年2月23日實測獲得），基于此，可利用Sentinel-1數(shù)據(jù)選擇無雪和干雪圖像像對，優(yōu)選相干性強的主圖像與輔圖像，去除干擾相位，依據(jù)相位與雪深之間的幾何關系反演雪深。

2）基于Sentinel-1數(shù)據(jù)的地形形變因子提取。Sentinel-1C波段合成孔徑雷達是跟蹤地面沉降和結構損傷的最佳方式，干涉測量法甚至可以監(jiān)測大范圍內幾mm的輕微地面運動，因此可使用Sentinel-1數(shù)據(jù)基于重軌干涉測量的方法，依照二軌差分原理生成高精度干涉圖紋，提取滑坡預警模型需要的地形形變參數(shù)，優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)，提高模型預警能力。下圖為基于Sentinel-1 IW模式SLC像對制作的云南省大理市形變干涉圖，由此可以說明Sentinel-1在干涉測量方面的潛在應用不僅可行，而且具有很好的研究價值。

圖1 大理市相位干涉圖

5 結 語

Sentinel衛(wèi)星家族有5個衛(wèi)星系統(tǒng)、12顆相關衛(wèi)星。其中Sentinel-1主要完成雷達成像任務，用于陸地和海洋觀測；Sentinel-2主要完成多光譜成像任務[9]，其攜帶的光學傳感器與Sentinel-1A相結合可獲取大范圍、高分辨率的數(shù)據(jù)，可應用于植被、土壤和水的研究；Sentinel-3主要用于地形監(jiān)測、地表海表溫度監(jiān)測；Sentinel-4主要用于大氣化學成分監(jiān)測；Sentinel-5主要用于監(jiān)測大氣環(huán)境；Sentinel-6主要用于監(jiān)測全球海面高度[10]。

哨兵家族衛(wèi)星打開了衛(wèi)星對地觀測的新窗口[11]，歐洲太空局承諾免費提供哨兵家族數(shù)據(jù)，用戶可以免費獲取信息量豐富的數(shù)據(jù)產(chǎn)品用于科學研究，歐洲太空局的這一舉措將進一步推進哨兵衛(wèi)星家族的發(fā)展。

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B

1672-4623（2016）12-0018-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.007

楊金明，碩士研究生，研究方向為水文水資源與遙感應用。

2015-09-11。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41171023、41130531）。