哨兵系列卫星

# 简介

哨兵系列卫星是哥白尼计划的一部分，该计划是欧盟的一个地球观测计划。要了解哨兵卫星，我们需要先了解哥白尼计划。

# 哥白尼计划

几十年来，欧洲各国在地球观测领域做了大量研发工作，但具有重复性与缺乏服务连续性。1998 年，欧洲成立了全球环境安全监测GMES用于统筹各国的地球观测系统。2012 年，在欧盟直接参与融资和发展后，该系统后来更名为哥白尼。关于哥白尼计划的具体情况，请看该视频：

哥白尼计划由三部分组成：

空间部分（哨兵系列太空任务与其他太空机构任务）；

测量部分（提供海洋、大陆表面和大气信息的陆基和机载数据收集网络）；

数据管理与全球共享部分；

# 哨兵卫星年表

卫星名	发射时间(年月日)	终止时间	卫星定位
Sentinel-1A	2014.4.3	在运行，预期寿命7年	雷达
Sentinel-1B	2016.4.25	在运行，预期寿命7年	雷达
Sentinel-2A	2015.6.23	在运行，预期寿命7年	高分辨率光学
Sentinel-2B	2017.3.7	在运行，预期寿命7年	高分辨率光学
Sentinel-3A	2016.2.16	在运行，预期寿命7年	包含雷达、光学成像光谱仪、定位等7类传感器
Sentinel-3B	2018.4.25	在运行，预期寿命7年	包含雷达、光学成像光谱仪、定位等7类传感器
Sentinel-4	预计2023年发射	预期寿命8.5年	气象
Sentinel-5P	2017.10.13	在运行，预期寿命7年	大气污染观测
Sentinel-5	预计2021-2022年发射	预期寿命7.5年	大气监测
Sentinel-6A	2020.11.21	在运行，预期寿命5.5年	全球海洋地形观测
Sentinel-6B	预计2025年12月发射	预期寿命5.5年	全球海洋地形观测
Sentinel-7	暂无时间安排	暂无	人为二氧化碳排放监测
Sentinel-8	暂无时间安排	暂无	高时空地表温度监测
Sentinel-9	暂无时间安排	暂无	极地冰雪地形高度计
Sentinel-10	暂无时间安排	暂无	环境高光谱成像
Sentinel-11	暂无时间安排	暂无	极地成像微波辐射计
Sentinel-12	暂无时间安排	暂无	欧洲雷达观测系统-L波段SAR

# 哨兵一号

# 简介

Sentinel-1 任务包括由两颗极轨卫星Sentinel-1A与Sentinel-1B组成星座，昼夜运行，执行 C 波段合成孔径雷达成像。可供用户使用的 Level-0、Level-1 和 Level-2 数据产品。

# 传感器

SENTINEL-1 携带一台 C-SAR传感器，工作在 5.405 GHz 的中心频率。它包括一个右视有源相控阵天线，支持快速的仰角和方位角扫描。C-SAR传感器在双极化（HH + HV，VV + VH）通过一个发射链（可切换到H或V）和两个平行的支撑件来实现操作接收对H和V偏振链。双极化数据可用于土地覆盖分类和海冰应用。

Sentinel-1拥有四种采集模式：

带状图 (Stripmap，SM)
干涉宽幅 (Interferometric Wide swath，IW)
超宽幅 (Extra-Wide swath，EW)
波浪模式 (Wave mode，WV)。

# 带状图(SM)模式:

该模式窄幅宽度为80 公里，提供 5 m x 5 m 分辨率影像。Sentinel-1通过改变光束入射角和仰角光束宽度，用户可以选择六个成像条带之一。

# 干涉宽幅（IW）模式:

该模式是Sentinel-1在陆地上的默认采集模式，窄幅宽度为250 公里，提供 5 m x 20 m 分辨率影像。

Sentinel-1在该模式下，使用 TOPSAR 技术。除了像 SCANSAR 在范围内控制波束外，还可以在每个脉冲串的方位方向上从后到前电子控制波束，避免扇形并产生更高质量的图像。多普勒频谱（在方位域中）和波数频谱（在仰角域中）的充分重叠确保了干涉测量。

# 超宽幅（EW）模式：

该模式主要用于海上和极地区域运营服务，满足覆盖面广，短重访时间要求。

EW 模式的工作方式类似于 IW 模式，采用 TOPSAR 技术，使用五个子带而不是三个，导致分辨率较低（20 m x 40 m）。EW 模式和 IW 模式类似，同样可用于干涉测量。

# 波浪（WV）模式

SENTINEL-1的WV模式与全球海浪模型相结合，用以确定海洋上波浪的方向、波长和高度。

波模式由 20 公里 x 20 公里的条带图像组成，传感器两个不同的入射角上交替采集。每 100 公里采集一次波图像，同一入射角的影像相隔 200 公里。

# 产品介绍

目前欧空局官网上提供4种产品数据下载，分别是原始数据RAW、SLC、GRD和OCN。

生成一级数据产品所涉及的处理步骤包括预处理、多普勒质心估计、单视复聚焦、生成 SLC 产品、生成GRD 产品、影像后处理和用于组装多个子的模式特定处理。具体的生成过程如下所示:

1 级数据可以处理成单视复数 (SLC) 和/或地面范围检测 (GRD) 产品。

SLC 产品保留了相位信息并以自然像素间距进行处理。

GRD 产品包含检测到的幅度并进行多视以减少散斑的影响。

OCN是针对Wave Mode推出的2级产品。

# 数据下载

仅限目前我知道的，一共有四种方法可以下载：

欧空局官网 (https://scihub.copernicus.eu/)
地理空间数据云 (http://www.gscloud.cn/)
Google Earth Engine (https://code.earthengine.google.com/)
PIE Engine (https://engine.piesat.cn/engine/home)

我这里比较推荐大家使用地理空间数据云进行下载，主要是两个原因：数据更新及时；国内下载速度快。

地理空间数据云操作比较简单，不再做介绍。这里介绍官网的下载教程：

进入欧空局官网（https://scihub.copernicus.eu/）：

点击进入Open Hub，如果有账号直接登录，没有账号点击Sign up：

按要求填写个人资料，完成后点击Register：

之后会弹出一个窗口，需要去自己的邮箱激活账号，进入自己的邮箱中跳转激活链接即可：

账号激活后，登录主页面，鼠标左键勾选待下载区域影像：

点击数据栏，进行数据筛选：

在数据筛选栏，选择时间（两个时间sensing period和ingestion period，个人理解是采样时间和入库时间，未查到相关资料，一般来说选sensing period就行了）、极化方式、卫星、产品类型等：

点击搜素按钮，会弹出相应影像，点击下载即可：

# 哨兵二号

Sentinel-2 任务由两颗极轨卫星Sentinel-2A（2015年6月23日发射）和Sentinel-2B（ 2017年3月7日发射）组成，分布在同一太阳同步轨道上，彼此成 180° 相位，幅宽为290 公里。

# 波段介绍

每颗 Sentinel-2 卫星都携带一个多光谱仪器 (MSI)，在可见光、近红外和短波红外光谱范围中共有 13 个波段。

波段	中央波长 (µm)	空间分辨率 (m)
波段 1 -沿海气溶胶	0.443	60
波段2 – 蓝	0.490	10
波段3 – 绿	0.560	10
波段4 – 红	0.665	10
波段5 – 植被红边	0.705	20
波段6 -植被红边	0.740	20
波段7 -植被红边	0.783	20
波段8 – 近红外	0.842	10
波段8A -植被红边	0.865	20
波段9 – 水蒸气	0.945	60
波段10 – 短波红外线－卷云	1.375	60
波段11 -短波红外线	1.610	20
波段12 -短波红外线	2.190	20

# 产品介绍

目前Sentinel-2主要提供两种产品数据：L1C和L2A。

L1C：该产品经正射校正和亚像元级几何精校正，为天顶表观反射率数据，每张影像为100 公里 x 100 公里，大小约为 500 MB。

L2A：该产品是利用欧空局官方提供的 Sen2cor工具，对 L1C 进行大气校正得到地表反射率数据产品。从2016年10月起提供全欧洲的数据，从2017年1月起提供全球的数据。

# 数据下载

# 数据下载方式

根据笔者查到的资料，目前能下载Sentinel-2影像的网站有5个，分别为：

网站	网址	备注
欧空局官网	https://scihub.copernicus.eu	官网
地理空间数据云	http://www.gscloud.cn	延后一周更新
Google Earth Engine	https://earthengine.google.com	最靠谱的云计算平台，数据及时并全面
PIE Engine	https://engine.piesat.cn/engine/home	缺失2017年前的数据
Microsoft Planetary Computer	https://planetarycomputer.microsoft.com	只有L2A级别数据

# 官网下载方式

我们采用官网的方式进行数据下载：

参考哨兵1号卫星数据下载方式，注册账号后进入主页面，并勾选研究区，选择时间：

哨兵二号共有4个参数选择，分别是选择卫星、产品类别、相对轨道、云覆盖率，一般来说只选择产品级别和云覆率。需要注意，云覆盖率的选择方式为中括号加条件，比如[0 TO 10]代表只选择云覆盖率在0-10%的影像：

筛选完成后即可点击下载：

如果你是下载数年前的影像，有可能该影像已被下架，你需要提交申请，大概一天后即可下载。比如我要下载2019年北京地区的Sentinel-2 L2A数据，

这时显示的是数据已下架，你需要加入购物车，再点击下载会弹出该数据会进行重新上架，最迟一周，最短1天该数据即可下载。

# GEE下载数据

官网的数据下载方式还得在本地做波段合成、裁剪和镶嵌，甚至还会遇到数据已下架的情况。因此笔者一般不喜欢官网下载。

如果你只是想下载某地区的哨兵数据，不做研究，可以考虑直接GEE下载，方便快捷。我这里列一个简单的数据下载脚本，仅供参考：

//研究区可视化
Map.addLayer(roi)
Map.centerObject(roi,9)

//时间
var startDate = ee.Date('2021-5-27'); 
var endDate = ee.Date('2021-8-31');  

var collection = SENTINEL
                  .filterDate(startDate, endDate)//时间过滤
                  .filterBounds(roi)//位置过滤
                  .filter(ee.Filter.lt('CLOUDY_PIXEL_PERCENTAGE',10))//云量过滤,
                  .sort('CLOUDY_PIXEL_PERCENTAGE')//云量排序
                  .first()                  ;//选择云量最小的影像
//裁剪研究区
var image=collection.clip(roi);
//选择导出的波段
image=image.select([ "B2", "B3", "B4", "B8"]);
//加载假彩色影像
Map.addLayer(image, imageVisParam, "image-假彩色");
//加载真彩色影像
Map.addLayer(image, imageVisParam2, "image-真彩色");
//导出
Export.image.toDrive({
  image: image,
  description: 'ROI',
  scale: 10,
  region: roi,
  maxPixels:1e13
});

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完整代码的可运行链接：

https://code.earthengine.google.com/2af1e4b4d6ce7eeb6a2e029c29266748

# 哨兵三号

截至 2021 年12月，Sentinel-3由2颗卫星组成：Sentinel-3A和Sentinel-3B。欧空局计划将分别在 2024 年和 2028 年发射Sentinel-3C 和 Sentinel-3D卫星，以确保 Sentinel-3 任务的连续性。Sentinel-3 也是目前搭载传感器最多的一颗卫星，共计7类传感器。

# 传感器

这里分别对Sentinel-3的七种传感器进行介绍：

海陆表面温度辐射计（SLSTR）：用来确定全球海面温度。它在九个光谱通道和两个额外的波段进行测量，以优化火灾监测。前六个光谱带涵盖可见光、近红外光谱以及短波红外；VNIR 适用于频段 1 至 3，SWIR 适用于频段 4 至 6。这 6 个频段的空间分辨率为 500 m，频段 7 至 9 以及另外两个频段的空间分辨率为1 公里。

海洋和陆地色彩仪器（OLCI）：一种中等分辨率的成像光谱仪，它使用五个摄像头来提供广阔的视野。OLCI 有 21 个光谱带，波长范围从光学到近红外。波段的宽度从 400 nm到 1020 nm不等，可用于测量水蒸气吸收、气溶胶水平和叶绿素吸收。SLSTR 和 OLCI 是具有重叠路径的光学仪器，允许新的组合应用。由于气候变化因素，内陆沿海地区已成为越来越受关注的地区，从 2002 年到 2012 年，中分辨率成像光谱仪 (MERIS) 提供了用于分析的高质量观测。OLCI 对 MERIS 进行了改进，因为它增加了六个光谱带、更高的信噪比 (SNR)、减少了太阳眩光、最大 300 m 的空间分辨率以及增加的地面覆盖范围，这是目前太空中唯一能够检测蓝藻的传感器。

合成孔径雷达高度计（SRAL）：地形仪器，可在海冰、冰盖、河流和湖泊上提供准确的地形测量。它使用双频Ku和C 波段，并由大气校正的微波辐射计(MWR) 和轨道定位的 DORIS 接收器支持。
卫星综合多普勒轨道图和无线电定位(DORIS) ：一种用于轨道定位的接收器。
微波辐射计（MWR）：测量水蒸气、云中的水含量以及地球发出的热辐射。MWR 传感器的辐射精度为 3.0 K。
激光回射器（LRR）：用于使用激光测距系统准确定位在轨卫星。当与 SRAL、DORIS、MWR 结合使用时，它们将获得海洋和内陆水域的详细地形测量结果。
全球导航卫星系统（GNSS）：提供精确的轨道确定并可以同时跟踪多颗卫星。

# 产品类型介绍

SLSTR：

Level-1经过质量控制、正射定位（纬度和经度坐标、高度）、地标和初步像素分类（例如土地/水/云掩码）。

Level-2 是从Level-1 产品中提供的测量数据得出地球物理量，专门用于海洋和陆地应用领域。

**OLCI **：

Level-1包括大气顶 (TOA) 辐射测量、辐射校正、校准和光谱表征。

Level-2 是从Level-1 产品中提供的测量数据得出地球物理量。

**Synergy **:

SYN Level-1处理 OLCI 和 SLSTR 辐射度和亮度温度，其关联的注释进行相同计算。同时也计算 OLCI 参考通道与所有其他 OLCI 和 SLSTR 通道之间的对应网格。 SYN Level-2处理来自 OLCI 和 SLSTR 仪器的信息，为地表分析提供改进的数据。

Altimetry ：

Level-1 是 Level-0 数据进行仪器校正后的数据。 Level-2 是Level-1 数据进行地球物理校正后的数据。

# 数据下载方式

根据笔者查到的资料，目前能下载全部Sentinel-3影像的网站只有欧空局官网（https://scihub.copernicus.eu），GEE只能下载OLCI EFR影像，因此采用官网的下载方式：

参考哨兵1号卫星数据下载方式，注册账号后进入主页面，并勾选研究区，选择时间：

选择相应的哨兵三号的产品数据（由于产品类型选项与传感器、级别数据互不相干，只建议在产品类型或者相应传感器里面勾选条件）：

选择适合的数据，进行数据下载：

# 哨兵四号

哨兵四号暂未发射，该卫星的主要目标是监测欧洲上空的空气质量和气溶胶，以高空间分辨率和快速重访时间支持哥白尼大气监测服务 (CAMS)。该卫星将由欧盟、欧洲航天局 (ESA) 与欧洲环境署 (EEA) 共同运营。

# 哨兵五号

该卫星暂未发射，预计2021-2022年发射。Sentinel-5 将专注于空气质量和成分-气候相互作用，主要数据产品为 O₃、NO ₂、SO₂、HCHO 和气溶胶。此外，Sentinel-5 还将提供 CO、CH₄ 和平流层 O₃ 的质量参数，每天覆盖全球气候、空气质量、臭氧、地表紫外线影像。

# 哨兵5p

哨兵5p于2017 年 10 月 13 日从俄罗斯普列谢茨克航天发射场成功发射，拥有一颗携带对流层监测仪器 (TROPOMI) 传感器，主要目标是执行具有高时空分辨率的大气测量，用于空气质量、臭氧和紫外线辐射以及气候监测和预测。

# 传感器

Tropomi（TROPO spheric Monitoring Instrument，对流层监测仪）可感应紫外（UV）、可见光（VIS）、近（NIR）和短波红外（SWIR），以监测在大气中的臭氧、甲烷、甲醛、气溶胶、一氧化碳、NO₂ 和SO₂ 。

Tropomi 每秒进行一次测量，覆盖约 2600 公里宽和 7 公里长的区域，分辨率为 7 x 7 公里。该传感器使用光栅光谱仪分离成不同的波长，然后再用四个不同的检测器对各自的光谱带进行测量。UV光谱仪的光谱范围为270-320 nm，可见光光谱仪的范围为310-500 nm，NIR的范围为675-775 nm，SWIR的范围为2305-2385 nm。