哨兵衛星Sentinel—2A數據特性及應用潛力分析

陳旭 郝震寰

【摘 要】Sentinel-2A是歐洲航天局“哥白尼”計劃下多光譜成像任務的首顆衛星，其有效荷載為擁有13個譜段的多光譜成像儀（MSI）。簡要介紹了Sentinel-2A衛星的特點、軌道參數和成像模式，并與其它常用的光學衛星（Landsat8、SPOT-7、GF-1）進行了對比，同時介紹了Sentinel-2A的不同等級的產品及產品的獲取方式。最后詳細介紹了國內外學者利用Sentinel-2A數據在土地覆蓋監測、生物量預估和風險災害等領域的實際應用，并對其今后的應用潛力進行了討論和展望。

【關鍵詞】Sentinel-2A；衛星參數；成像模式；數據產品

中圖分類號：P237 文獻標識碼： A 文章編號： 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衛星于2015年6月23日，從法屬圭亞那庫魯發射場由“織女星”（Vega）運載火箭發射升空。時隔不到兩年，Sentinel-2B衛星在2017年3月7日于同一處發射升空。這2顆衛星由歐洲委員會（EC）和歐洲航天局（ESA）共同實施，是“哥白尼”計劃下的多光譜成像衛星，用于全球高分辨率和高重訪能力的陸地觀測、生物物理變化制圖、監測海岸和內陸水域，以及風險和災害制圖等[1]。目前兩顆衛星數據已經對外發布并實現共享。本文將主要介紹哨兵衛星Sentinel-2A的主要參數、成像模式和數據產品，列舉其在地表覆蓋監測、生物量物理變化監測、風險及災害監測等方面的主要應用，并分析Sentinel-2A數據的應用潛力。

1 Sentinel-2A衛星介紹

1.1 Sentinel-2A衛星參數與成像模式

哨兵衛星Sentinel-2A采用天體平臺-L（AstroBus-L），該平臺為歐洲空間標準化合作組織（ECSS）標準模塊化平臺，在軌壽命長達10年。衛星采用太陽同步軌道，軌道高度786km，軌道傾角98.5°，降交點地方時間為10：30，該時間的選擇是綜合考慮了云層遮蓋的最小化和太陽光照條件的最優解。Sentinel-2A和Sentinel-2B衛星運行于同一條軌道上，相位相差180°。兩顆衛星聯合工作，可以在5天時間內完成對赤道附近的完全覆蓋。Sentinel-2A衛星搭載的有效荷載為多光譜成像儀（MSI）。MSI的工作光譜為可見光、近紅外（VNIR）和短波紅外（SWIR）共13個譜段，并采用堆掃式成像模式。時間分辨率為每10天更新一次全球陸地表面成像數據，雙星可達到5天更新一次。每個軌道周期的平均觀測時間為16.3min，峰值為31min。光譜分辨率為15-180nm，空間分辨率為10-60m，其中，可見光光譜分辨率為10m、近紅外光譜分辨率為20m、短波紅外空間分辨率為60m，成像幅寬為290km，每軌最大成像時間為40min，實現了前所未有的陸地監測水平。

1.2 與其他常用光學衛星性能對比

本文對目前國際及國內使用廣泛的美國陸地衛星-8（Landsat 8）、法國斯波特-7（SPOT 7）、中國高分一號（GF-1）與哨兵-2A（Sentinel-2A）衛星進行對比，分別從衛星的各個指標參數，包括成像儀類型、軌道重復周期、波段數、分辨率及主要應用領域進行匯總。結果表明，Sentinel-2A數據在成像儀類型、波段數及分辨率等具有明顯優勢，并且是在免費數據源中時間和空間分辨率最高的衛星數據。具體Landsat 8、SPOT 7、GF-1與Sentinel-2A衛星指標參數見表1中所示。

2 Sentinel-2A衛星數據產品

2.1 不同等級產品介紹

與大多數衛星數據產品相同，Sentinel-2A衛星數據同樣具有不同等級的產品。按照處理等級共分為L0級、L1級、L2A級和L3級4個不同層次的數據。

L0級為衛星獲取的初始數據，同時可獲取系統生產L1級數據所需要的信息。L1級數據又可分為L1A、L1B和L1C3種不同數據。通過歐洲航天局（ESA）提供的免費數據獲取網站ESA SciHub可以下載L1C級別格式的衛星數據，L2A和L3級數據需要用戶自己借助模型處理生成。利用ESA提供的Python語言編寫的Sen2cor模型對L1C級數據進行處理，生成L2A級數據。L3級數據的獲取通過調用Sen2three模型對多景L2A數據進行時空集成。總體來說，在4種數據中應用范圍最為廣泛的為L2A級，其數據的派生產品具有極強的地學綜合應用前景和價值。

2.2 數據產品獲取

Sentinel-2A產品的獲取方式為通過ESA的數據共享網站免費進行下載，下載網址為http：//scihub.copernicus.eu/s2/#/home.目前提供下載的數據為L1C級別的產品數據，所有數據均為已經過輻射校正、幾何校正、輻射定標。用戶在使用的時候只需再對下載的數據進行大氣校正，得到地表反射率即可。數據的大氣校正可以利用專業處理Sentinel系列衛星數據的SNAP軟件操作完成，該軟件由ESA免費提供。下載網址為：http：//step.esa.int/main/download/，根據不同的操作系統選擇需要的版本進行下載，目前最新版本更新到6.0.0版。

3 Sentinel-2A衛星數據的主要應用

Sentinel-2A光學遙感衛星具有較高的空間分辨率、13個多光譜波段、獨特的“紅邊”波段、大寬幅。主要應用為土地覆蓋監測、海岸和內陸水域監測、生物物理變化制圖，以及風險和災害制圖等。Sentinel-2A因其獨特的“紅邊”波段為區域植被生態環境特征信息的提取分析提供了全新的解決方案，擁有巨大的應用潛力。

3.1 土地覆蓋監測

Sentinel-2A數據由于其高分辨率和高重訪能力，在地表覆蓋分類識別和變化監測中應用較多。在植被監測研究方面，Sentinel-2A數據較其他免費數據有較高的時間分辨率和空間分辨率，可以有效的提高植被的分類精度，在植被提取、生物量預估等方面有很大的應用潛力。Dimosthenis Traganos利用Sentinel-2衛星數據，繪制出了地中海海草的分布圖，并利用Sentinel-2數據短重訪周期這一特性對海草進行變化監測[2]。畢愷藝、牛錚等以山西省呂梁市陳家灣流域為研究區，基于Sentinel-2A時序數據，成功提取了陳家灣流域的植被信息，分類總體精度達到89.7%，Kappa系數為0.87[3]。

在水體監測研究方面，Sentinel-2A的10米的可見光到近紅外波段及20m的紅邊和短波紅外波段，是進行內陸水體遙感研究的有效數據源之一。李亭亭、田禮喬等以鄱陽湖為例，基于光學分區理論并結合同步實測數據，探討了Sentinel系列衛星數據在湖泊葉綠素α遙感反演的可行性[4]。

3.2 生物量預估

Sentinel-2A數據因其高時間、空間分辨率，不僅可以用作地表覆蓋定性監測，也可以用于定量監測，在葉面積指數、葉綠素含量等作物生理生化參數監測方面具有應用潛力，為陸基生物量制圖和監測提供了新的可能。Sentinel-2A數據紅色邊緣是最適合用于生物量預測的條帶，特別是在森林砍伐率較高的熱帶地區。Castillo J A A等利用Sentinel-1A的SAR影像和Sentinel-2A的多光譜影像驗證了在Sentinel-2A多光譜波段中，紅色和紅色邊緣帶（帶4、5和7）結合高程數據，是生物量預測的最佳變量組合[5]。鄭陽等利用Sentinel-2A衛星數據提取出17種常見的植被指數，結合同期冬小麥地上生物量得出最優估算模型，并繪制研究區的生物量空間分布圖。結果表明，加入紅邊波段的指數不僅能夠延緩指數的飽和趨勢，而且能夠提高反演精度[6]。

3.3 風險災害監測

在自然災害發生時，Sentinel-2A衛星能提供免費的高分辨率多光譜影像數據，可以用于及時、連續的應急響應。Fernández-Manso A等人針對2016年8月馬德拉火災的嚴重程度，利用Sentinel-2A數據對歸一化植被指數（NDVI）、綠色歸一化植被指數（GNDVI）等多個光譜指標進行評估，主要利用紅邊光譜帶對火災后的條件進行評估。結果表明，NDVI、GNDVI、NBR和NDVIre1n光譜指標之間的相關性高。如今，擁有雙星的Sentinel-2衛星將每隔5天提供一次全球覆蓋，因此在研究燃燒區域的演化和重新造林的信息方面具有很高的應用潛力。

4 總結與展望

Sentiment 2系列衛星是“哥白尼”計劃下多光譜成像任務的首要部分。Sentinel-2A及Sentinel-2B衛星自發射以來，獲取了大量的衛星數據，在全球地表覆蓋監測、生物量預估、風險及災害監測等多方面發揮了重要的作用。全新的Sentinel-2A衛星數據不僅具有高空間分辨率、13個多光譜波段、大寬幅等特征，而且具有獨特的“紅邊”波段，這使得其不僅作為SPOT系列和Landsat系列衛星的連續及補充，還具有更廣泛的應用。隨著各國專家學者對Sentinel-2A數據使用的不斷增加，未來將會發現Sentinel-2A數據更多的應用潛力。

【參考文獻】

[1]龔燃.哨兵-2A光學成像衛星發射升空[J].國際太空， 2015（8）：36-40.

[2]Traganos D，Reinartz P.Mapping Mediterranean seagrasses with Sentinel-2 imagery[J].Marine Pollution Bulletin，2017.

[3]畢愷藝，牛錚，黃妮，等.基于Sentinel-2A時序數據和面向對象決策樹方法的植被識別[J].地理與地理信息科學，2017， 33（5）：16-20.

[4]李亭亭，田禮喬，李建，等.基于Sentinel衛星的渾濁水體葉綠素反演對比研究—以鄱陽湖為例[J].華中師范大學學報（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]鄭陽，吳炳方，張淼.Sentinel-2數據的冬小麥地上干生物量估算及評價[J].遙感學報，2017，21（2）：318-328.