Sentinel-1衛星數據產品應用探討

楊金明，劉志輝

（1.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學 教育部綠洲生態重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學 干旱生態環境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心，新疆 烏魯木齊 830046）

Sentinel-1衛星數據產品應用探討

楊金明1,2，劉志輝2,3,4

（1.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學 教育部綠洲生態重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學 干旱生態環境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心，新疆 烏魯木齊 830046）

以Sentinel-1衛星的特點、傳感器的特點、數據產品以及潛在應用為邏輯主線，介紹了Sentinel-1衛星的基本參數、C波段傳感器的參數特性以及Sentinel-1的數據產品，為Sentinel-1的進一步應用提供參考。

Sentinel-1衛星；C-波段；Sentinel-1應用；數據產品

2005年年底，歐盟委員會決定實施全球環境與安全監測系統項目，即“哥白尼計劃”，目的是整合歐洲各國的衛星觀測力量，形成綜合的觀測網絡系統并提供運營服務，輔助應對歐洲及世界其他地區的自然災害和環境事故。Sentinel-1是專為“哥白尼計劃”設計的第一顆衛星，用以監測歐洲、加拿大和極地區域的環境變化，如海冰、海洋環境以及地表運動，地表森林、水源和土壤動態變化，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衛星和Sentinel-1數據產品，可以幫助我們明確數據預處理需要的操作，減少因數據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衛星數據產品的進一步應用奠定理論基礎。

1 Sentinel-1衛星特點

Sentinel-1衛星是歐洲極地軌道C波段雷達成像系統，是SAR操作應用的延續，其主要任務是向歐洲極地軌道雷達觀測站提供連續的SAR數據。

Sentinel-1衛星是意大利多用途可重構衛星平臺，衛星尺寸為3 900 mm×2 600 mm×2 500 mm，發射質量為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、數傳速率為600 MB/s。

Sentinel-1衛星配備了先進的雷達系統，可全天候進行對地觀測，這在實際應用中意義重大。Sentinel-1衛星采用預編程無沖突操作模式，可實現高分辨率全球陸地、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據支持[2]。

1.1 大范圍

Sentinel-1衛星是雙星座衛星，單個Sentinel-1衛星每12 d映射全球一次，兩個衛星星座的重復周期可縮短至6 d。赤道地區的重復周期為3 d，北極地區的重復周期為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分辨率的連續性遙感衛星數據和環境衛星數據。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和極地地區提供所需服務，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]，主要包括海洋冰區監測、北極環境監測、海洋環境監測、土地地表運動風險監測以及在危急情況下提供人道主義援助支持的映射。

1）海洋冰區監測、北極環境監測以及海洋環境監測。哥白尼海洋服務可提供海洋狀態、海洋動態和沿海地區的重要信息。這些服務不僅可以幫助保護和管理海洋環境、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，可用于冰山監測。

Sentinel-1還可以提供開闊大洋的連續樣本，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，以此產生潛在的經濟效益。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）土地地表監測。Sentinel-1衛星在同一地區頻繁地重訪可用于密切監測土地覆蓋的變化，尤其長期被云覆蓋的熱帶森林和非法砍伐木材方面的監測，非常實用。Sentinel-1還能夠快速監測洪水和地震等災害，例如2015-04-25 14:11在尼泊爾發生了8．1級地震，Sentinel-1一景數據就能完全覆蓋尼泊爾地震區。相關學者利用Sentinel-1數據量測了震區形變情況，包括對位移、沉降和垂直方向抬升距離的量測，研究發現震區在垂直方向的抬升達到了1 m，在衛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現，地震區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測滑坡導致的地形變形；通過定期的、頻繁的干涉測量來監測地震區域和沉陷區域；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-22 dB，脈沖重復頻率1 000～3 000Hz，數據存儲容量為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（占發射質量的40%），支持雙極化（HHHV，VV-VH）運行。數據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 數據產品

Sentinel-1向所有的數據用戶（包括公眾用戶、科教用戶和商業用戶）提供免費的數據產品。其數據產品主要分發在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生SAR-0級產品、SLC-1級產品、GRDH 2級產品以及OCN 2級產品。

3.1 Level-0級產品

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

在原始數據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級數據的處理工作量較大，但用戶可以根據數據的使用情況進行選擇性的操作。

3.2 Level-1級產品

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

Level-1級SLC圖像是聚焦數據，包括聚焦合成孔徑雷達地理參照數據和衛星姿態數據。衛星姿態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星姿態數據。SLC圖像產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數據保存了圖像的相位信息，相位信息是距離的函數，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據必須是SLC像對或者PWR像對。典型的Level-1級SLC數據為8 GB（雙極化IW）或4 GB（單極化IW）。

Level-1級GRDH數據產品是經過橢球地理編碼的多視聚焦合成孔徑雷達數據，用戶獲取圖像時一般不提供地形編碼。GRDH數據產品有三種分辨率：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的數量。Level-1級GRDH數據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。典型的產品大小大約是1 GB（IW）。

3.3 Level-2級產品

OCN 2級數據包括海洋涌譜（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格。表面徑向速度是2級多普勒網格測量和1級幾何多普勒計算之間地面范圍網格的差值。

3.4 數據獲取

Sentinel-1科學數據中心（https://scihub．esa．int/ dhus/）提供免費和開放的0級和1級用戶數據。目前免費提供的Sentinel-1數據僅包括IW模式VV極化0級RAW、1級SLC以及1級GRDH數據，而1級SLC產品僅提供個別區域的數據。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據。

4 Sentinel-1數據潛在應用

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

2）基于Sentinel-1數據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測大范圍內幾mm的輕微地面運動，因此可使用Sentinel-1數據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，優化模型輸入參數，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衛星家族有5個衛星系統、12顆相關衛星。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、高分辨率的數據，可應用于植被、土壤和水的研究；Sentinel-3主要用于地形監測、地表海表溫度監測；Sentinel-4主要用于大氣化學成分監測；Sentinel-5主要用于監測大氣環境；Sentinel-6主要用于監測全球海面高度[10]。

哨兵家族衛星打開了衛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據，用戶可以免費獲取信息量豐富的數據產品用于科學研究，歐洲太空局的這一舉措將進一步推進哨兵衛星家族的發展。

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

[2] 吳玉峰,孫光才,邢孟道．掃描SAR全孔徑成像處理方法[J]．電子與信息學報,2011, 33(10): 2 445-2 446

[3] 劉保坤,禹衛東．Scan與TOPSAR的對比研究[J]．中國科學院研究生院學報,2011,28(3): 360-364

[4] 鄧云凱,趙鳳軍,王宇．星載SAR技術的發展趨勢及應用淺析[J]．雷達學報,2012,1(1):1-3

[5] 李永生,馮萬鵬,張景發,等．2014年美國加州納帕MW6．1地震斷層參數的Sentinel-1A InSAR反演[J]．地球物理學報,2015,58(7):2 340-2 342

[6] 巢子豪,謝宏全,費鮮蕓．基于Sentinel-1A雷達影像的DEM提取方法[J]．淮海工學院學報,2015,24(2):57-58

[7] 金亞秋．空間微波遙感驗證理論與方法[M]．北京:科學出版社,2012:3-4

[8] 李暉,肖鵬峰,馮學智．基于重軌InSAR的積雪深度反演方法[J]．冰川凍土,2014,36(3):517-526

[9] 岳楨干．歐洲Sentinel-2A衛星即將大顯身手:“哥白尼”對地觀測計劃簡介（上）[J]．紅外，2015,36(8):34-48

[10] 楊魁,楊建兵,江冰茹．Sentinel-1衛星綜述[J]．城市勘測,2015(2):24-27

[11] 龔燃．“哨兵”衛星家族概覽[J]．國際太空,2014(7):23-27

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用。

2015-09-11。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41171023、41130531）。