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
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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L0到L1B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L0到L1B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-NRTI, PRF-03-OFFL, PUM-O3, ATBD-O3, IODD-UPAS |
L2__O3_TCL |
Ozone (O3) tropospheric column对流层柱含量 |
PRF-03-T, PUM-O3_T, ATBD-O3_T, IODD-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-NO2, PUM-NO2, ATBD-NO2, IODD-NL |
L2__SO2___ |
Sulfur Dioxide (SO2) total column总柱含量 |
PRF-SO2, PUM-SO2, ATBD-SO2, IODD-UPAS |
L2__CO____ |
Carbon Monoxide (CO) total column总柱含量 |
PRF-CO, PUM-CO, ATBD-CO, IODD-NL |
L2__CH4___ |
Methane (CH4) total column总柱含量 |
PRF-CH4, PUM-CH4, ATBD-CH4, IODD-NL |
L2__HCHO__ |
Formaldehyde (HCHO) total column总柱含量 |
PRF-HCHO, PUM-HCHO , ATBD-HCHO , IODD-UPAS |
L2__CLOUD_ |
Cloud fraction, albedo, top pressure云量、反照率、云顶大气压 |
PRF-CL, PUM-CL, ATBD-CL, IODD-UPAS |
L2__AER_AI |
UV Aerosol Index紫外区域气溶胶指数 |
PRF-AI, PUM-AI, ATBD-AI, IODD-NL |
L2__AER_LH |
Aerosol Layer Height (mid-level pressure)气溶胶层高度(中等气压) |
PRF-LH, PUM-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-NPP, PUM-NPP, ATBD-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
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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,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,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
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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