Sentinel-2数据收集与预处理方法

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）。