哨兵系列卫星介绍与下载教程

Part1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。

1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：

http://mpvideo.qpic.cn/0bc3tqadcaaaamal2pv3jbqvbhgdggoaamia.f10002.mp4?

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；

2哨兵卫星年表

Part2哨兵一号

1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。

2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。

3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。

4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：

Part3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。

1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。

2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。

3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：

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
});

完整代码的可运行链接：

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

Part4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。

1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。

2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 。

3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：

Part5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。

Part6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。

Part7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。

1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。

2数据下载

官网不提供Sentinel-5P数据下载，但可使用GEE和PIE进行数据下载。

在GEE中，一共提供18种Sentinel-5P产品数据的下载，读者可根据需要选择下载。

数据下载方法可参考哨兵2号的GEE数据下载方式，代码比较简单，这里不再做详细阐述。

Part8哨兵六号

Sentinel-6的首颗卫星于2020年11月21日发射，主要用于全球海洋监测。此外该卫星还配备收集大气数据的传感器，用于改进天气预报和飓风追踪。

1传感器：

Sentinel-6 卫星携带三种传感器，分别是：

Poseidon-4：Ku/C 波段天底指向合成孔径雷达（SAR，仅限 Ku 波段）高度计；

AMR-C：用于气候的多频高级微波辐射计；

HRMR：用于增强沿海地区大气参数测量的实验性高分辨率微波辐射计

2数据下载

虽然该卫星已经发射，但笔者未查询到相关数据的下载方式。

可以试试NASA公布的27景Sentinel-6 的样例数据，下载地址为：https://podaac.jpl.nasa.gov/Sentinel-6?sections=data。

Part9哨兵七号-哨兵十二号

目前欧空局没有透露更多细节，后续卫星有进展，会在“地信遥感数据汇”网站（www.gisrsdata.com）上更新：

Part10哨兵工具

针对哨兵系列数据的处理和使用，欧空局联合一系列机构开发了众多工具箱，具体为：

1SNAP

SNAP是适用于所有 Sentinel 工具箱的通用架构，是目前使用最广泛的Sentinel工具。

SNAP 非常适合地球观测处理和分析。

下载地址为：http://step.esa.int/main/download/snap-download/

2S1TBX

S1TBX是处理Sentinel-1 数据的工具箱，用于校准、散斑过滤、配准、正射校正、镶嵌、数据转换、偏振测量和干涉测量。

下载地址为：http://step.esa.int/main/download/

3Atmospheric Toolbox

Atmospheric Toolbox是用于摄取、处理和分析大气遥感数据的工具。该工具箱由CODA、HARP、VISAN和QDOAS四部分组成。

下载地址为：https://atmospherictoolbox.org/

4Broadview

ESA和CNES联合开发的高度测量开源工具Broadview。

该工具能够读取来自官方数据中心的所有测高数据（ERS -1 、ERS -12、Topex/Poseidon、Geosat Follow-on、Jason-1、Envisat、Jason-2、CryoSat和 Sentinel-3），并进行高度数据处理和可视化。

5PolSARpro

PolSARpro 用于开发极化 SAR 数据。

下载地址为：https://step.esa.int/main/toolboxes/polsarpro-v6-0-biomass-edition-toolbox/

6CFI

Earth Observation CFI 软件是用于计时、坐标转换、轨道传播、卫星指向计算和目标能见度计算的预编译 C 库集合。

下载地址为：https://eop-cfi.esa.int/index.php/mission-cfi-software/eocfi-software/branch-4-x

7ESOV NG

该工具是作为所有 ESA 卫星仪器条带可视化的工具，并帮助用户了解卫星测量的时间和地点。

https://earth.esa.int/eogateway/tools/esov-software-tools-esov-ng-

还存在很多其他官方和第三方的哨兵数据相关工具，这里不再做详细描述，感兴趣的可以去Google一下。

Part11参考

https://scihub.copernicus.eu/

https://docs.sentinel-hub.com/

https://www.mdpi.com/2072-4292/11/17/1969/htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Copernicus_Programme

https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions/sentinel-1/instrument-payload

Part12写在最后

1.Sentinel卫星数据产品非常丰富，从已经得到广泛认可的哨兵二号，到还在计划中的哨兵十二号，让我嗅到了欧空局的土豪气息。

2.文中列出的资料几乎全部来自于欧空局官网和维基百科，保证了信息的可靠性。

3.受限于笔者的知识水平和英语能力，教程未必完全准确。如果有疑问，建议在我列出的参考网址中寻找答案。尽量不要相信中文互联网上的资料，包括我这篇教程，因为翻译必定会引起信息的不准确性。

4.后续哨兵影像有新的更新，我会及时在“地信遥感数据汇”上进行增删改查，欢迎关注（www.gisrsdata.com）。