哨兵卫星Sentinel—2A数据特性及应用潜力分析
2018-10-27陈旭郝震寰
陈旭 郝震寰
【摘 要】Sentinel-2A是欧洲航天局“哥白尼”计划下多光谱成像任务的首颗卫星,其有效荷载为拥有13个谱段的多光谱成像仪(MSI)。简要介绍了Sentinel-2A卫星的特点、轨道参数和成像模式,并与其它常用的光学卫星(Landsat8、SPOT-7、GF-1)进行了对比,同时介绍了Sentinel-2A的不同等级的产品及产品的获取方式。最后详细介绍了国内外学者利用Sentinel-2A数据在土地覆盖监测、生物量预估和风险灾害等领域的实际应用,并对其今后的应用潜力进行了讨论和展望。
【关键词】Sentinel-2A;卫星参数;成像模式;数据产品
中图分类号:P237 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2018)16-0048-003
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.021
【Abstract】Sentinel-2A is the first satellite of the European Space Agency Copernicus program with multispectral imaging. The effective load is multispectral imager (MSI) with 13 spectral segments ranging from visible light to near-infrared to short-wave infrared. The characteristics, orbital parameters and imaging mode of Sentinel-2A satellite are introduced. It also compares the Sentinel-2A satellite with Landsat-8, SPOT-7 and GF-1. At the same time, it introduces the products of different grades and the way of obtaining them. Finally, the applications of Sentinel-2A data in land cover monitoring, biomass estimation and risk disaster are introduced in detail, and its application potential in the future is prospected.
【Key words】Sentinel-2A; Satellite characteristic; Acquisition mode; Data products
Sentinel-2A卫星于2015年6月23日,从法属圭亚那库鲁发射场由“织女星”(Vega)运载火箭发射升空。时隔不到两年,Sentinel-2B卫星在2017年3月7日于同一处发射升空。这2颗卫星由欧洲委员会(EC)和欧洲航天局(ESA)共同实施,是“哥白尼”计划下的多光谱成像卫星,用于全球高分辨率和高重访能力的陆地观测、生物物理变化制图、监测海岸和内陆水域,以及风险和灾害制图等[1]。目前两颗卫星数据已经对外发布并实现共享。本文将主要介绍哨兵卫星Sentinel-2A的主要参数、成像模式和数据产品,列举其在地表覆盖监测、生物量物理变化监测、风险及灾害监测等方面的主要应用,并分析Sentinel-2A数据的应用潜力。
1 Sentinel-2A卫星介绍
1.1 Sentinel-2A卫星参数与成像模式
哨兵卫星Sentinel-2A采用天体平台-L(AstroBus-L),该平台为欧洲空间标准化合作组织(ECSS)标准模块化平台,在轨寿命长达10年。卫星采用太阳同步轨道,轨道高度786km,轨道倾角98.5°,降交点地方时间为10:30,该时间的选择是综合考虑了云层遮盖的最小化和太阳光照条件的最优解。Sentinel-2A和Sentinel-2B卫星运行于同一条轨道上,相位相差180°。两颗卫星联合工作,可以在5天时间内完成对赤道附近的完全覆盖。Sentinel-2A卫星搭载的有效荷载为多光谱成像仪(MSI)。MSI的工作光谱为可见光、近红外(VNIR)和短波红外(SWIR)共13个谱段,并采用堆扫式成像模式。时间分辨率为每10天更新一次全球陆地表面成像数据,双星可达到5天更新一次。每个轨道周期的平均观测时间为16.3min,峰值为31min。光谱分辨率为15-180nm,空间分辨率为10-60m,其中,可见光光谱分辨率为10m、近红外光谱分辨率为20m、短波红外空间分辨率为60m,成像幅宽为290km,每轨最大成像时间为40min,实现了前所未有的陆地监测水平。
1.2 与其他常用光学卫星性能对比
本文对目前国际及国内使用广泛的美国陆地卫星-8(Landsat 8)、法国斯波特-7(SPOT 7)、中国高分一号(GF-1)与哨兵-2A(Sentinel-2A)卫星进行对比,分别从卫星的各个指标参数,包括成像仪类型、轨道重复周期、波段数、分辨率及主要应用领域进行汇总。结果表明,Sentinel-2A数据在成像仪类型、波段数及分辨率等具有明显优势,并且是在免费数据源中时间和空间分辨率最高的卫星数据。具体Landsat 8、SPOT 7、GF-1與Sentinel-2A卫星指标参数见表1中所示。
2 Sentinel-2A卫星数据产品
2.1 不同等级产品介绍
与大多数卫星数据产品相同,Sentinel-2A卫星数据同样具有不同等级的产品。按照处理等级共分为L0级、L1级、L2A级和L3级4个不同层次的数据。
L0级为卫星获取的初始数据,同时可获取系统生产L1级数据所需要的信息。L1级数据又可分为L1A、L1B和L1C3种不同数据。通过欧洲航天局(ESA)提供的免费数据获取网站ESA SciHub可以下载L1C级别格式的卫星数据,L2A和L3级数据需要用户自己借助模型处理生成。利用ESA提供的Python语言编写的Sen2cor模型对L1C级数据进行处理,生成L2A级数据。L3级数据的获取通过调用Sen2three模型对多景L2A数据进行时空集成。总体来说,在4种数据中应用范围最为广泛的为L2A级,其数据的派生产品具有极强的地学综合应用前景和价值。
2.2 数据产品获取
Sentinel-2A产品的获取方式为通过ESA的数据共享网站免费进行下载,下载网址为http://scihub.copernicus.eu/s2/#/home.目前提供下载的数据为L1C级别的产品数据,所有数据均为已经过辐射校正、几何校正、辐射定标。用户在使用的时候只需再对下载的数据进行大气校正,得到地表反射率即可。数据的大气校正可以利用专业处理Sentinel系列卫星数据的SNAP软件操作完成,该软件由ESA免费提供。下载网址为:http://step.esa.int/main/download/,根据不同的操作系统选择需要的版本进行下载,目前最新版本更新到6.0.0版。
3 Sentinel-2A卫星数据的主要应用
Sentinel-2A光学遥感卫星具有较高的空间分辨率、13个多光谱波段、独特的“红边”波段、大宽幅。主要应用为土地覆盖监测、海岸和内陆水域监测、生物物理变化制图,以及风险和灾害制图等。Sentinel-2A因其独特的“红边”波段为区域植被生态环境特征信息的提取分析提供了全新的解决方案,拥有巨大的应用潜力。
3.1 土地覆盖监测
Sentinel-2A数据由于其高分辨率和高重访能力,在地表覆盖分类识别和变化监测中应用较多。在植被监测研究方面,Sentinel-2A數据较其他免费数据有较高的时间分辨率和空间分辨率,可以有效的提高植被的分类精度,在植被提取、生物量预估等方面有很大的应用潜力。Dimosthenis Traganos利用Sentinel-2卫星数据,绘制出了地中海海草的分布图,并利用Sentinel-2数据短重访周期这一特性对海草进行变化监测[2]。毕恺艺、牛铮等以山西省吕梁市陈家湾流域为研究区,基于Sentinel-2A时序数据,成功提取了陈家湾流域的植被信息,分类总体精度达到89.7%,Kappa系数为0.87[3]。
在水体监测研究方面,Sentinel-2A的10米的可见光到近红外波段及20m的红边和短波红外波段,是进行内陆水体遥感研究的有效数据源之一。李亭亭、田礼乔等以鄱阳湖为例,基于光学分区理论并结合同步实测数据,探讨了Sentinel系列卫星数据在湖泊叶绿素α遥感反演的可行性[4]。
3.2 生物量预估
Sentinel-2A数据因其高时间、空间分辨率,不仅可以用作地表覆盖定性监测,也可以用于定量监测,在叶面积指数、叶绿素含量等作物生理生化参数监测方面具有应用潜力,为陆基生物量制图和监测提供了新的可能。Sentinel-2A数据红色边缘是最适合用于生物量预测的条带,特别是在森林砍伐率较高的热带地区。Castillo J A A等利用Sentinel-1A的SAR影像和Sentinel-2A的多光谱影像验证了在Sentinel-2A多光谱波段中,红色和红色边缘带(带4、5和7)结合高程数据,是生物量预测的最佳变量组合[5]。郑阳等利用Sentinel-2A卫星数据提取出17种常见的植被指数,结合同期冬小麦地上生物量得出最优估算模型,并绘制研究区的生物量空间分布图。结果表明,加入红边波段的指数不仅能够延缓指数的饱和趋势,而且能够提高反演精度[6]。
3.3 风险灾害监测
在自然灾害发生时,Sentinel-2A卫星能提供免费的高分辨率多光谱影像数据,可以用于及时、连续的应急响应。Fernández-Manso A等人针对2016年8月马德拉火灾的严重程度,利用Sentinel-2A数据对归一化植被指数(NDVI)、绿色归一化植被指数(GNDVI)等多个光谱指标进行评估,主要利用红边光谱带对火灾后的条件进行评估。结果表明,NDVI、GNDVI、NBR和NDVIre1n光谱指标之间的相关性高。如今,拥有双星的Sentinel-2卫星将每隔5天提供一次全球覆盖,因此在研究燃烧区域的演化和重新造林的信息方面具有很高的应用潜力。
4 总结与展望
Sentiment 2系列卫星是“哥白尼”计划下多光谱成像任务的首要部分。Sentinel-2A及Sentinel-2B卫星自发射以来,获取了大量的卫星数据,在全球地表覆盖监测、生物量预估、风险及灾害监测等多方面发挥了重要的作用。全新的Sentinel-2A卫星数据不仅具有高空间分辨率、13个多光谱波段、大宽幅等特征,而且具有独特的“红边”波段,这使得其不仅作为SPOT系列和Landsat系列卫星的连续及补充,还具有更广泛的应用。随着各国专家学者对Sentinel-2A数据使用的不断增加,未来将会发现Sentinel-2A数据更多的应用潜力。
【参考文献】
[1]龚燃.哨兵-2A光学成像卫星发射升空[J].国际太空, 2015(8):36-40.
[2]Traganos D,Reinartz P.Mapping Mediterranean seagrasses with Sentinel-2 imagery[J].Marine Pollution Bulletin,2017.
[3]毕恺艺,牛铮,黄妮,等.基于Sentinel-2A时序数据和面向对象决策树方法的植被识别[J].地理与地理信息科学,2017, 33(5):16-20.
[4]李亭亭,田礼乔,李建,等.基于Sentinel卫星的浑浊水体叶绿素反演对比研究—以鄱阳湖为例[J].华中师范大学学报(自科版),2017(6).
[5]Castillo J A A,Apan A A,Maraseni T N,et al. Estimation and mapping of above-ground biomass of mangrove forests and their replacement land uses in the Philippines using Sentinel imagery[J].Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 2017,134(December 2017):70-85.
[6]郑阳,吴炳方,张淼.Sentinel-2数据的冬小麦地上干生物量估算及评价[J].遥感学报,2017,21(2):318-328.