哨兵(Sentinel)系列卫星是欧洲全球环境与安全监测系统项目——“哥白尼计划”的成员。目前共有7颗卫星在轨(S1A/B,S2A/B,S3A/B,S5P)。目前已经免费公开了S1~S3的数据。
Sentinel-1卫星是欧洲极地轨道C波段雷达成像系统,是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)操作应用的延续(杨魁等,2015)。单个卫星每12天映射全球一次,双星座重访周期缩短至6天,赤道地区重访周期为3天,北极为2天。拥有干涉宽幅模式和波模式两种主要工作模式,另有条带模式和超宽幅模式两种附加模式。干涉宽幅模式幅宽250 km,地面分辨率5m×20m;波模式幅宽20 km×20 km,图像分辨率5m×5m;条带模式幅宽80 km,分辨率5m×5m;超宽幅模式幅宽400 km,分辨率20m×40m。
Sentinel-2是全球环境与安全监测系统“哥白尼计划”中的第二颗卫星,是高分辨率多光谱成像卫星,携带一枚多光谱成像仪(Multispectral Imager,MSI),用于陆地监测,可提供植被、土壤和水覆盖、内陆水路及海岸区域等图像,还可用于紧急救援服务(苏伟等,2018),分为2A(2015年6月23日)和2B(2017年3月7日)两颗卫星。高度为786 km,可覆盖13个光谱波段,幅宽达290 km。地面分辨率分别为10m、20m和60m,一颗卫星的重访周期为10天,两颗互补,重访周期为5天。Sentinel-2号卫星的波段设置如表4-2所示。Sentinel-2卫星数据是目前可免费获取的空间分辨率最高的光学遥感数据,最高空间分辨率可达10m,被用于白水江国家级自然保护区土地利用现状分类。
Sentinel-3是一个极轨、多传感器卫星系统,搭载的传感器主要包括光学仪器和地形学仪器。光学仪器包括海洋和陆地彩色成像光谱仪(OLCI)、海洋和陆地表面温度辐射计(SLSTR);地形学仪器包括合成孔径雷达高度计(SRAL)、微波辐射计(MWR)和精确定轨(POD)系统(晓然,2016)。能够实现海洋重访周期小于3.8天,陆地重访周期小于1.4天。主要任务是高精度和准确测量海面地形、海洋和陆地表面温度及颜色,以支持海洋预测系统,用于环境和气候监测。
表4-2 Sentinel-2号波段设置
Sentinel-2数据从美国地质勘探局网站(http://earthexplorer.usgs.gov/)下载。Sentinel-2 L1C是经过几何精校正的大气表观反射率产品,因此,其预处理包括辐射定标、大气校正、拼接和裁剪,由于ENVI5.5之前的版本对Sentinel-2数据的支持不好,不能直接打开数据,因此使用ENVI5.2.2试用版本(http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102ycm2.htm l)对Sentinel-2数据进行预处理。
(1)Sentinel-2数据辐射定标。Sentinel-2 L1C是大气表观反射率产品,辐射亮度值ρλ与大气表观反射率Lλ存在如公式(4-1)的数学关系,进而可由公式(4-2)求得辐射亮度值。
式中,d表示日地距离,单位为天文单位,即太阳和地球之间的平均距离;Eλ表示太阳辐照度,单位为W/(m2·μm);θ表示太阳高度角,单位为度。
使用Radiance Sentinel-2 LTC工具,对4个空间分辨率为10m的波段,即用于白水江国家级自然保护区土地利用现状分类的波段,进行辐射定标。辐射定标结果如图4-1所示。
图4-1 Sentinel-2数据辐射定标结果(www.xing528.com)
(2)Sentinel-2大气校正。大气校正方法包括基于图像特征的相对校正法、基于地面线性回归模型法、基于大气辐射传输模型法和复合模型法4种,其中的大气辐射传输模型法的精度最高,常用的模块有ATREM、ATCOR、ACORN、HATCH、FLAASH等(郝建亭等,2008)。其中,FLAASH(Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)大气校正以MODTRAN 4为内核计算反射率反演模型大气参数,用Gordon模型反演遥感图像地物反射率,是目前精度最高的大气辐射校正模型(高箕悦,2011)。FLAASH模块中的辐射传输方程如公式(4-3)所示(宋晓宇等,2005)。
式中,L为遥感器接收的总辐射,ρ为像元的反射率,ρe为周围区域的平均反射率,S为大气向下的半球反照率,L a为大气程辐射,A、B为依赖于大气透过率和几何状况的系数;
表示像元反射直接进入遥感器的部分,
表示地表像元的反射经大气的散射进入传感器的部分。
因此,使用FLAASH Atmospheric Correction大气校正工具(ENVI工具查询路径:Radiometric Correction->Atmospheric Correction Module->FLAASH Atmospheric Correction),进行大气校正。大气校正参数设置如图4-2所示,大气校正结果如图4-3所示。
图4-2 Sentinel-2 FLAASH大气校正参数设置
图4-3 Sentinel-2数据FLAASH大气校正结果
(3)Sentinel-2数据拼接。覆盖白水江国家级自然保护区需要2景Sentinel-2数据,因此需要对完成大气校正的Sentinel-2数据进行拼接,使用的拼接工具是Seam less Mosaic(ENVI工具查询路径:Mosaicking->Seam lessMosaic),拼接结果见彩图19。
(4)Sentinel-2数据裁剪。导入白水江国家级自然保护区的矢量边界,使用SubsetData from ROIs工具(ENVI工具查询路径:Regions of Interest->Subset Data from ROIs)对Sentinel-2数据进行裁剪,得到保护区经过预处理的Sentinel-2影像图(见彩图20)。
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