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Sentinel-5P数据介绍与预处理

已有 6415 次阅读 2020-6-9 09:52 |个人分类:遥感|系统分类:科研笔记| Sentinel, 大气, 遥感, R语言

Sentinel-5P是欧空局于2017年10月13日发射的一颗全球大气污染监测卫星。卫星搭载了对流层观测仪(Tropospheric Monitoring Instrument,TROPOMI),可以有效的观测全球各地大气中痕量气体组分,包括NO2、O3、SO2、 HCHO、CH4和CO等重要的与人类活动密切相关的指标,加强了对气溶胶和云的观测


01


TROPOMI数据介绍



TROPOMI是目前世界上技术最先进、空间分辨率最高的大气监测光谱仪。成像幅宽达2600km,每日覆盖全球各地,成像分辨率达7km×3.5km。ESA提供了L1B和L2两种级别的数据下载。L1B数据介绍如表1所示,L2如表2所示。

 

表1.L1B数据产品介绍和对应的用户文档

File type

Spectrometer

Spectral range [nm]

Comment

User Documentation

L1B_RA_BD1

UV

270 - 300

Radiance product band 1





L1B_RA_BD2

300 - 320

Radiance product band 2


L1B_RA_BD3

UVIS

(紫外-可见光过渡区域)

320 - 405

Radiance product band 3

ATBD

L1B_RA_BD4

405 - 500

Radiance product band 4


L1B_RA_BD5

NIR

675 - 725

Radiance product band 5


L1B_RA_BD6

725 - 775

Radiance product band 6

PRF

L1B_RA_BD7

SWIR

2305-2345

Radiance product band 7


L1B_RA_BD8

2345-2385

Radiance product band 8


IR_UVN

UVN

270-775

Irradiance product UVN module

Other

IR_SIR

SWIR

2305-2385

Irradiance product SWIR module

documents

·        IODS (Input Output Data Specification):description of the products that are the result from the Level 0 to Level 1bprocessing介绍了L0L1B数据的处理过程

·        ATBD (Algorithm Theoretical Basis Document): high leveldescription of the algorithms used in the Level-0 to 1b data processing介绍了L0L1B数据处理算法原理

·        PRF (Product Readme File): description of changesbetween different product versions and overall quality information (available afew months after launch)介绍了不同版本数据间的差别和总体的质量信息。

 

表2.L2数据产品介绍和数据文档

Product type

Parameter

User Documents

L2__O3____

Ozone (O3) total column总柱含量

PRF-O3-NRTIPRF-03-OFFLPUM-O3ATBD-O3IODD-UPAS

L2__O3_TCL

Ozone (O3) tropospheric  column对流层柱含量

PRF-03-TPUM-O3_TATBD-O3_TIODD-UPAS

L2__O3__PR

Ozone (O3) profile总剖面数据

PUM-PR ATBD-O3_PR IODD-NL

L2__O3_TPR

Ozone (O3) tropospheric  profile对流层剖面数据

PUM-PR ATBD-O3_PR IODD-NL

L2__NO2___

Nitrogen Dioxide (NO2), total  and tropospheric columns总柱和对流层柱含量

PRF-NO2PUM-NO2ATBD-NO2IODD-NL

L2__SO2___

Sulfur Dioxide (SO2) total  column总柱含量

PRF-SO2PUM-SO2ATBD-SO2IODD-UPAS

L2__CO____

Carbon Monoxide (CO) total column总柱含量

PRF-COPUM-COATBD-COIODD-NL

L2__CH4___

Methane (CH4) total column总柱含量

PRF-CH4PUM-CH4ATBD-CH4IODD-NL

L2__HCHO__

Formaldehyde (HCHO) total column总柱含量

PRF-HCHOPUM-HCHO , ATBD-HCHO IODD-UPAS

L2__CLOUD_

Cloud fraction, albedo, top pressure云量、反照率、云顶大气压

PRF-CLPUM-CLATBD-CLIODD-UPAS

L2__AER_AI

UV Aerosol Index紫外区域气溶胶指数

PRF-AIPUM-AIATBD-AIIODD-NL

L2__AER_LH

Aerosol Layer Height (mid-level  pressure)气溶胶层高度(中等气压)

PRF-LHPUM-LH ATBD-LH IODD-NL

UV product1

Surface Irradiance/erythemal dose

-

L2__NP_BDx, x=3, 6, 7 2

Suomi-NPP VIIRS Clouds云产品辅助数据

PRF-NPPPUM-NPPATBD-NPP

·        PUM (Product User Information): information on the technicalcharacteristics of the S5P/TROPOMI Level 2 products 介绍了L2数据产品的技术特征

·        ATBD (Algorithm Theoretical Basis Document): detailedinformation on the retrieval algorithms理论算法说明文档

·        IODD (Input Output Data definition): description of the inputand output data of the S5P/TROPOMI Level 2 processing介绍了L2数据产品输入和输出数据情况及处理过程

·        PRF (Product Readme File): description of changesbetween different product versions and overall quality information (availablefew months after launch) 介绍了不同版本数据间的差别和总体的质量信息。


L2数据产品又分为了三种数据流:近实时数据流(near-real-time, NRTI),卫星成像3小时后即可获取,数据可能不完整或存在质量缺陷;离线数据流(Offline, OFFL),一般成像后几天即可获得;再次处理数据流(Reprocessing, RPRO),有些数据可能经过了多次处理,获得的最新的质量最佳的版本。一般情况下,长期的时序变化研究不可以混用不同级别的数据流,推荐使用最新的RPRO数据以保证数据质量。


02


数据下载



Sentinel-5P数据公开下载,直接从以下网址检索影像并下载,无需注册和翻墙,直接使用ESA提供的访客帐号即可。

Sentinel-5P数据公开下载,直接从以下网址检索影像并下载,无需注册和翻墙,直接使用ESA提供的访客帐号即可。帐号密码均为:s5pguest

https://s5phub.copernicus.eu/dhus/#/home

打开S5P下载地址并登陆访客帐号,如下图所示进行操作:

  • 1切换矩形选框定位

  • 2绘制研究区范围,确定影像下载位置

  • 3选择搜索方式,这里是Sensing Date,也就是成像日期,根据成像日期筛选影像

  • 4开始时间,从这个时间点开始的影像会加入选择

  • 5结束时间,选择这个时间点之前的影像

  • 6选择影像产品类型,具体影像产品类型说明请参见前面的表1,表2

  • 7处理级别,可选,指定了6,7也就确定了

  • 8数据流,如果是实时动态监测,选择NRTI实时动态数据流,一般研究选OFFL,处理好的质量可靠的影像,RPRO数量较少

  • 9开始查询,搜索影像

    

接下来就可以查看搜索结果,如下图所示:

  • 1数据下载链接,可以直接复制链接在IDM里面下载(哨兵数据下载推荐使用IDM下载器)

  • 2查看影像详细信息,在这里可以查看影像的具体覆盖范围、成像时间等详细情况

  • 3影像下载按钮,点击这个可以直接下载


点击上图按钮2后,详细信息情况如下:



03


数据处理

在这里提供两种处理和可视化S5P数据的方法:NASA Panoply软件包和R语言S5Processor程序包。
Panoply是NASA开发的一款基于JAVA的netCDF/HDF/GRIB数据查看器。下载地址:
https://www.giss.nasa.gov/tools/panoply/
运行需要JAVA环境,安装好JAVA环境后,解压程序包,双击Panoply.exe即可运行。

加载影像后,选择里面的数据产品进行可视化:

对qa_value进行可视化:

Panoply用于查看S5P数据非常方便,但是不能用来转换格式,无法将S5P数据输出到GIS软件中。

为了把S5P的NC数据转为TIFF数据,我试了好多种方法,终于在GITHUB上面发现了一个R包:S5Processor

https://github.com/MBalthasar/S5Processor

我主要是想对S5P数据进行格式转换,转换为TIFF格式后便于在GIS中进行分析。代码实例如下:


devtools::install_github("MBalthasar/S5Processor")
library(S5Processor)
library(ncdf4)
library(ggplot2)
library(dismo)
library(maptools)
library(raster)
library(geosphere)
library(rgdal)
library(rgeos)
library(sp)
BeijingNO2<-S5P_process(input= S5P_OFFL_L2__NO2____20200118T035729_20200118T053859_11730_01_010302_20200121T230957.nc",product = 39)
writeRaster(BeijingNO2, "BeijingNO2", format = 'GTiff', overwrite = TRUE)

转换后的数据就可以在ArcGIS中打开了,坐标系识别正常。



参考文献:

李旭文,张悦,姜晟,王甜甜,纪轩禹,茅晶晶,丁铭.“哨兵-5P”卫星TROPOMI传感器在江苏省域大气污染监测中的初步应用[J].环境监控与预警,2019,11(02):10-16.


http://www.tropomi.eu/data-products/level-2-products


https://sentinel.esa.int/web/sentinel/technical-guides/sentinel-5p/products-algorithms


https://github.com/MBalthasar/S5Processor




http://blog.sciencenet.cn/blog-2438290-1237075.html

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1 蒋德明

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