楊金明，劉志輝

（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué) 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(xué) 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(yīng)用探討

楊金明1,2，劉志輝2,3,4

（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué) 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(xué) 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(yīng)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(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

Sentinel-1衛(wèi)星；C-波段；Sentinel-1應(yīng)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(luò)系統(tǒng)并提供運營服務(wù)，輔助應(yīng)對歐洲及世界其他地區(qū)的自然災(zāi)害和環(huán)境事故。Sentinel-1是專為“哥白尼計劃”設(shè)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(yù)處理需要的操作，減少因數(shù)據(jù)選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的繁瑣工作量，降低預(yù)處理引入的誤差，為Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的進(jìn)一步應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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(dá)成像系統(tǒng)，是SAR操作應(yīng)用的延續(xù)，其主要任務(wù)是向歐洲極地軌道雷達(dá)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(gòu)衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星尺寸為3 900 mm×2 600 mm×2 500 mm，發(fā)射質(zhì)量為2 300 kg（其中包含130 kg單組元推進(jìn)劑），設(shè)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(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，可全天候進(jìn)行對地觀測，這在實際應(yīng)用中意義重大。Sentinel-1衛(wèi)星采用預(yù)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(yīng)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(fù)周期可縮短至6 d。赤道地區(qū)的重復(fù)周期為3 d，北極地區(qū)的重復(fù)周期為2 d，無論何種天氣情況，都能在1～3 d之內(nèi)覆蓋歐洲、加拿大地區(qū)以及主要的航線。

1.2 多模式

雷達(dá)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(rèn)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(jìn)式地形掃描方式Scan-SAR或TOPSAR[3]，雷達(dá)波束在一個子條帶內(nèi)重復(fù)掃描三次，可產(chǎn)生質(zhì)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(wù)，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(shù)，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(yīng)用

自20世紀(jì)90年代以來，極化SAR高分辨率成像技術(shù)得到了廣泛應(yīng)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(fēng)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(wù)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(wù)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(dá)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(dá)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(fēng)和海浪的相關(guān)信息，有助于我們更直觀地了解波浪和水流之間的相互關(guān)系，提高航運中能量應(yīng)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(zāi)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(guān)學(xué)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(dá)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(jìn)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(dá)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(wù)中心旨在加強歐洲應(yīng)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(zāi)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(wù)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(dá)可以提供分辨率為10 m、小時尺度內(nèi)的應(yīng)急援助圖像，此圖像可以精確地監(jiān)測滑坡導(dǎo)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(zhì)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(fù)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(zhì)量為880 kg（占發(fā)射質(zhì)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(yīng)量化算法和彈性動力分塊自適應(yīng)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(dá)處理軟件（模塊）都是對頭文件進(jìn)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(yīng)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(fù)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(chǔ)，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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(dá)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(dá)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(fēng)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(fēng)速和風(fēng)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(nèi)部產(chǎn)生1級SLC圖像并且能夠?qū)С龆喙庾V。海洋風(fēng)場主要用于估算10 m/s以上表面風(fēng)速的風(fēng)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(xué)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(quán)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(yīng)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(guān)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(dá)是跟蹤地面沉降和結(jié)構(gòu)損傷的最佳方式，干涉測量法甚至可以監(jiān)測大范圍內(nèi)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(yù)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(yù)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(yīng)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(jié) 語

Sentinel衛(wèi)星家族有5個衛(wèi)星系統(tǒng)、12顆相關(guān)衛(wèi)星。其中Sentinel-1主要完成雷達(dá)成像任務(wù)，用于陸地和海洋觀測；Sentinel-2主要完成多光譜成像任務(wù)[9]，其攜帶的光學(xué)傳感器與Sentinel-1A相結(jié)合可獲取大范圍、高分辨率的數(shù)據(jù)，可應(yīng)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(xué)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(xué)研究，歐洲太空局的這一舉措將進(jìn)一步推進(jìn)哨兵衛(wèi)星家族的發(fā)展。

[1] 李曉峰．首個臺風(fēng)哨兵合成孔徑雷達(dá)圖像[J]．海洋學(xué)報,2015,34(1):1-2

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P237.9

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(yīng)用。

2015-09-11。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41171023、41130531）。