Sentinel-1卫星数据产品应用探讨

2016-12-28杨金明刘志辉

地理空间信息 2016年12期

杨金明，刘志辉

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.新疆大学教育部绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆乌鲁木齐 830046；4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心，新疆乌鲁木齐 830046）

杨金明1,2，刘志辉2,3,4

以Sentinel-1卫星的特点、传感器的特点、数据产品以及潜在应用为逻辑主线，介绍了Sentinel-1卫星的基本参数、C波段传感器的参数特性以及Sentinel-1的数据产品，为Sentinel-1的进一步应用提供参考。

Sentinel-1卫星；C-波段；Sentinel-1应用；数据产品

2005年年底，欧盟委员会决定实施全球环境与安全监测系统项目，即“哥白尼计划”，目的是整合欧洲各国的卫星观测力量，形成综合的观测网络系统并提供运营服务，辅助应对欧洲及世界其他地区的自然灾害和环境事故。Sentinel-1是专为“哥白尼计划”设计的第一颗卫星，用以监测欧洲、加拿大和极地区域的环境变化，如海冰、海洋环境以及地表运动，地表森林、水源和土壤动态变化，甚至还可以提供危急情况下的人道主义援助[1]。

充分了解Sentinel-1卫星和Sentinel-1数据产品，可以帮助我们明确数据预处理需要的操作，减少因数据选择不当而导致的繁琐工作量，降低预处理引入的误差，为Sentinel-1卫星数据产品的进一步应用奠定理论基础。

1 Sentinel-1卫星特点

Sentinel-1卫星是欧洲极地轨道C波段雷达成像系统，是SAR操作应用的延续，其主要任务是向欧洲极地轨道雷达观测站提供连续的SAR数据。

Sentinel-1卫星是意大利多用途可重构卫星平台，卫星尺寸为3 900 mm×2 600 mm×2 500 mm，发射质量为2 300 kg（其中包含130 kg单组元推进剂），设计寿命为7．25 a，耗材寿命为12 a，自主运行时间为4 d；存储容量为1 410 GB、测控码上行速率为64 KB/s、下行速率为128 KB/s、数传速率为600 MB/s。

Sentinel-1卫星配备了先进的雷达系统，可全天候进行对地观测，这在实际应用中意义重大。Sentinel-1卫星采用预编程无冲突操作模式，可实现高分辨率全球陆地、海岸带和航线的成像。相对于ERS-1/1 SAR和ENVISAT ASAR，Sentinel-1极大地缩短了重访周期，提高了覆盖范围，其大范围、多模式以及多应用的特点可为更多的用户提供数据支持[2]。

1.1 大范围

Sentinel-1卫星是双星座卫星，单个Sentinel-1卫星每12 d映射全球一次，两个卫星星座的重复周期可缩短至6 d。赤道地区的重复周期为3 d，北极地区的重复周期为2 d，无论何种天气情况，都能在1～3 d之内覆盖欧洲、加拿大地区以及主要的航线。

1.2 多模式

雷达主要有两种工作模式：干涉宽幅模式和波模式。干涉宽幅模式是陆地上的默认模式，幅宽为250 km，地面分辨率为5 m×20 m。此模式在三个子条带使用递进式地形扫描方式Scan-SAR或TOPSAR[3]，雷达波束在一个子条带内重复扫描三次，可产生质量更高、更均匀的图像[4]，提高了成像辐射性能[5]。干涉宽幅模式支持双极化（HH-HV，VV-VH）运行。

波模式可以辅助确定海面上波的方向、波长和波的高度，可实现每100 km两个不同入射角的切换。波模式幅宽为20 km×20 km，图像分辨率为5 m×5 m。波模式支持HH和VV单极化运行。

另外还包括两个附加模式：条带模式和超宽幅模式。条带模式可提供80 km幅宽、5 m×5 m分辨率的连续性遥感卫星数据和环境卫星数据。条带模式支持HH-HV和VV-VH双极化运行。超宽幅模式主要为海冰地区和极地地区提供所需服务，特点是覆盖范围广、重访周期短。

超宽幅模式与干涉宽幅模式相似，都采用TOPSAR技术，不同的是干涉宽幅模式使用3个子条带，而超宽幅模式使用5个子条带，超宽幅模式可以提供幅宽400 km，分辨率20 m×40 m的图像。此外超宽幅模式还可用于干涉测量[6]，支持双极化（HH-HV，VV-VH）运行。

1.3 多应用

自20世纪90年代以来，极化SAR高分辨率成像技术得到了广泛应用[7]，主要包括海洋冰区监测、北极环境监测、海洋环境监测、土地地表运动风险监测以及在危急情况下提供人道主义援助支持的映射。

1）海洋冰区监测、北极环境监测以及海洋环境监测。哥白尼海洋服务可提供海洋状态、海洋动态和沿海地区的重要信息。这些服务不仅可以帮助保护和管理海洋环境、海洋资源，还能确保船只在海上的安全。在日益繁忙的北极水域，Sentinel-1可以为我们提供保障船只在海冰条件下安全通过的及时地图。Sentinel-1雷达可以区分更薄、更便于通航的一年冰和更危险、更厚并且不易通航的多年冰，以保障在冰雪覆盖的北极和亚北极地区的航行安全。这些雷达图像特别适合生成高分辨率的冰图表，可用于冰山监测。

Sentinel-1还可以提供开阔大洋的连续样本，提供风和海浪的相关信息，有助于我们更直观地了解波浪和水流之间的相互关系，提高航运中能量应用的效率，以此产生潜在的经济效益。这些观测还可以用于跟踪海洋浮油和其他污染物的路径。

2）土地地表监测。Sentinel-1卫星在同一地区频繁地重访可用于密切监测土地覆盖的变化，尤其长期被云覆盖的热带森林和非法砍伐木材方面的监测，非常实用。Sentinel-1还能够快速监测洪水和地震等灾害，例如2015-04-25 14:11在尼泊尔发生了8．1级地震，Sentinel-1一景数据就能完全覆盖尼泊尔地震区。相关学者利用Sentinel-1数据量测了震区形变情况，包括对位移、沉降和垂直方向抬升距离的量测，研究发现震区在垂直方向的抬升达到了1 m，在卫星运行方向的位移超过了0．8 m。还通过对地震前后的两轨影像进行干涉测量发现，地震区域地表一半沉降一半抬升，测量精度达到了cm级。

3）在危急情况下提供人道主义援助支持的映射。哥白尼紧急管理服务中心旨在加强欧洲应对紧急情况的能力，其中包括地球物理伤害，例如地震、人为灾难和石油泄露等。Sentinel-1卫星可以辅助哥白尼紧急管理服务中心提供人道主义援助支持的映射，Sentinel-1C波段合成孔径雷达可以提供分辨率为10 m、小时尺度内的应急援助图像，此图像可以精确地监测滑坡导致的地形变形；通过定期的、频繁的干涉测量来监测地震区域和沉陷区域；还支持水文气象事件和地质事件等危害类型的影响评估。

2 Sentinel-1传感器特点

Sentinel-1携带一个单独的C波段垂直极化辐射计，波长在3．8-7．5 cm之间，中心频率为5．405 GHz，带宽为0．100 MHz，脉冲宽度为5～10 μs，接收机噪声系数-22 dB，脉冲重复频率1 000～3 000Hz，数据存储容量为1 410 GB，X波段下行链路容量为520 MB/ s，入射角在20°～45°之间。C波段天线尺寸为12．3 m×0．821 m，质量为880 kg（占发射质量的40%），支持双极化（HHHV，VV-VH）运行。数据压缩采用熵约束分块自适应量化算法和弹性动力分块自适应量化算法。

3 数据产品

Sentinel-1向所有的数据用户（包括公众用户、科教用户和商业用户）提供免费的数据产品。其数据产品主要分发在SAFE头文件中。通常情况下，Nest以及ENVI中的SARscape雷达处理软件（模块）都是对头文件进行处理。Sentinel-1的每一种模式都可能会产生SAR-0级产品、SLC-1级产品、GRDH 2级产品以及OCN 2级产品。

3.1 Level-0级产品

SAR-0级产品包含经FDBAQ（弹性动力分块自适应量化）压缩的未聚焦的SAR原始数据，其中同步帧、通信头和重复数据都已被移除。SAR-0级产品是高级数据的基础，典型的SAR-0级产品的大小为1 GB（IW模式）。SAR-0级数据是未聚焦的数据，因此在使用SAR-0级数据之前必须先进行数据的解压缩，并使用聚焦软件处理，ENVI中的SARscape模块就能对SAR-0级数据中的每个点的反射率进行快速聚焦处理，并直接输出SLC数据。

在原始数据中单点反射回来的合成孔径雷达信号的能量是沿着方位向和距离向传播的，聚焦的目的是将分散的信号聚集在一个单独的像素中。通常情况下SAR-0级数据的处理工作量较大，但用户可以根据数据的使用情况进行选择性的操作。

3.2 Level-1级产品

Level-1级数据适用于绝大多数的用户，数据本身具有地理参照数据、辐射系数、几何校正系数以及时间参考。Sentinel-1的1级产品包括SLC（Single Look Complex）和GRDH（Ground Range Detected）数据。

Level-1级SLC图像是聚焦数据，包括聚焦合成孔径雷达地理参照数据和卫星姿态数据。卫星姿态角对影像有着直接的影响，往往会造成影像的几何变形，因此几何校正必须需要卫星姿态数据。SLC图像产品包括很多的斑点噪声，多视处理可对图像的距离向和方位向的分辨率做平均，抑制图像的斑点噪声。Level-1级SLC数据保存了图像的相位信息，相位信息是距离的函数，InSAR干涉测量就是利用相位信息研究地形形变及沉降，目前已有不少研究者利用C波段主动微波基于D-InSAR反演积雪深度[8]， D-InSAR基线计算过程中使用的数据必须是SLC像对或者PWR像对。典型的Level-1级SLC数据为8 GB（双极化IW）或4 GB（单极化IW）。

Level-1级GRDH数据产品是经过椭球地理编码的多视聚焦合成孔径雷达数据，用户获取图像时一般不提供地形编码。GRDH数据产品有三种分辨率：全分辨率（FR）、高分辨率（HR）和中等分辨率（MR）。分辨率的大小取决于多视处理中视数的数量。Level-1级GRDH数据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。典型的产品大小大约是1 GB（IW）。

3.3 Level-2级产品

OCN 2级数据包括海洋涌谱（OSW）组件和另外两个新的组件：海洋风场（OWI）和表面径向速度（RVL）。海洋涌谱是二维海洋表面膨胀谱，包括风速和风向涌谱的估算，只有波模式和条带模式才有海洋涌谱。条带模式从内部产生1级SLC图像并且能够导出多光谱。海洋风场主要用于估算10 m/s以上表面风速的风向和地面范围网格。表面径向速度是2级多普勒网格测量和1级几何多普勒计算之间地面范围网格的差值。

3.4 数据获取

Sentinel-1科学数据中心（https://scihub．esa．int/ dhus/）提供免费和开放的0级和1级用户数据。目前免费提供的Sentinel-1数据仅包括IW模式VV极化0级RAW、1级SLC以及1级GRDH数据，而1级SLC产品仅提供个别区域的数据。为了权衡所有用户的下载量，每个用户名最多可同时下载两个数据。

4 Sentinel-1数据潜在应用

1）基于Sentinel-1数据的雪深反演。经模拟，Sentinel-1的C波段在积雪覆盖地区的穿透深度在80～500 cm之间，而模拟区雪深最大为41 cm（2015年2月23日实测获得），基于此，可利用Sentinel-1数据选择无雪和干雪图像像对，优选相干性强的主图像与辅图像，去除干扰相位，依据相位与雪深之间的几何关系反演雪深。

2）基于Sentinel-1数据的地形形变因子提取。Sentinel-1C波段合成孔径雷达是跟踪地面沉降和结构损伤的最佳方式，干涉测量法甚至可以监测大范围内几mm的轻微地面运动，因此可使用Sentinel-1数据基于重轨干涉测量的方法，依照二轨差分原理生成高精度干涉图纹，提取滑坡预警模型需要的地形形变参数，优化模型输入参数，提高模型预警能力。下图为基于Sentinel-1 IW模式SLC像对制作的云南省大理市形变干涉图，由此可以说明Sentinel-1在干涉测量方面的潜在应用不仅可行，而且具有很好的研究价值。

图1 大理市相位干涉图

5 结语

Sentinel卫星家族有5个卫星系统、12颗相关卫星。其中Sentinel-1主要完成雷达成像任务，用于陆地和海洋观测；Sentinel-2主要完成多光谱成像任务[9]，其携带的光学传感器与Sentinel-1A相结合可获取大范围、高分辨率的数据，可应用于植被、土壤和水的研究；Sentinel-3主要用于地形监测、地表海表温度监测；Sentinel-4主要用于大气化学成分监测；Sentinel-5主要用于监测大气环境；Sentinel-6主要用于监测全球海面高度[10]。

哨兵家族卫星打开了卫星对地观测的新窗口[11]，欧洲太空局承诺免费提供哨兵家族数据，用户可以免费获取信息量丰富的数据产品用于科学研究，欧洲太空局的这一举措将进一步推进哨兵卫星家族的发展。

[1] 李晓峰．首个台风哨兵合成孔径雷达图像[J]．海洋学报,2015,34(1):1-2

[2] 吴玉峰,孙光才,邢孟道．扫描SAR全孔径成像处理方法[J]．电子与信息学报,2011, 33(10): 2 445-2 446

[3] 刘保坤,禹卫东．Scan与TOPSAR的对比研究[J]．中国科学院研究生院学报,2011,28(3): 360-364

[4] 邓云凯,赵凤军,王宇．星载SAR技术的发展趋势及应用浅析[J]．雷达学报,2012,1(1):1-3

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[8] 李晖,肖鹏峰,冯学智．基于重轨InSAR的积雪深度反演方法[J]．冰川冻土,2014,36(3):517-526

[9] 岳桢干．欧洲Sentinel-2A卫星即将大显身手:“哥白尼”对地观测计划简介（上）[J]．红外，2015,36(8):34-48

[10] 杨魁,杨建兵,江冰茹．Sentinel-1卫星综述[J]．城市勘测,2015(2):24-27

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