羅亞飛 簡(jiǎn)子怡 祁雅莉 張大瀚

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 廣東湛江 524088）

引言

隨著高分辨率哨兵系列衛(wèi)星（例如：Sentinel-1，Sentinel-2，Sentinel-3等）的出現(xiàn)，歐空局自主研發(fā)了與上述Sentinel-1/2/3衛(wèi)星數(shù)據(jù)相適應(yīng)的開(kāi)源遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)-哨兵數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)（Sentinel Application Platform，SNAP）。SNAP不僅支持Sentinel-1/2/3任務(wù)，而且還支持ERS-ENVISAT、Proba-V和一系列第三方任務(wù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理等[1]。SNAP包含了一系列開(kāi)源工具箱，如Sentinel-1 Toolbox（S1TBX）、Sentinel-2 Toolbox（S2TBX）、Sentinel-3 Toolbox（S3TBX）、SMOS Toolbox和PROBA-V Toolbox。其中，S1TBX專(zhuān)門(mén)用于處理雷達(dá)數(shù)據(jù)；S2TBX專(zhuān)門(mén)用于處理多光譜數(shù)據(jù)；S3TBX工具箱則由一套豐富的可視化、分析和處理工具組成，適用于Sentinel-3 OLCI和SLSTR數(shù)據(jù)的處理。作為一個(gè)多任務(wù)遙感工具箱，上述Sentinel工具箱還支持Envisat，MODIS，Landsat TM等第三方數(shù)據(jù)的處理。SNAP可用于圖像可視化和分析，處理鏈自動(dòng)化等，可對(duì)哨兵系列數(shù)據(jù)等光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行諸如幾何校正、輻射校正、裁剪、鑲嵌等一系列處理。許多國(guó)內(nèi)高校遙感圖像處理實(shí)踐課多是采用ENVI、ERDAS、PCI等軟件進(jìn)行講授，然而這些軟件均為國(guó)外遙感公司壟斷的商業(yè)軟件。目前，對(duì)開(kāi)源遙感圖像處理軟件如SNAP等的介紹較少。作為開(kāi)源軟件，SNAP為遙感相關(guān)學(xué)科研究人員帶來(lái)了便利，使得遙感數(shù)據(jù)處理分析得以更好地開(kāi)展。因此，本文將以在海洋遙感教學(xué)上的應(yīng)用為例，介紹SNAP軟件的兩個(gè)應(yīng)用案例，以期為海洋類(lèi)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)帶來(lái)幫助。

一、SNAP簡(jiǎn)介及與海洋遙感的關(guān)聯(lián)

SNAP是用于處理、顯示、分析和可視化遙感地球數(shù)據(jù)的開(kāi)源軟件包。SNAP目前支持的Sentinel 2-MSI和Sentinel 3-OLCI等遙感數(shù)據(jù)常被用于海洋水色遙感研究，其附加的同步輔助數(shù)據(jù)可用來(lái)標(biāo)定和校正大氣成分，以獲取海洋表面水體信號(hào)。SNAP還支持第三方插件，如第三方大氣校正插件Sen2Cor可被添加到SNAP，以支持不同大氣校正算法的選擇。SNAP還可以進(jìn)行時(shí)序分析等?？傊?，SNAP是一個(gè)綜合的軟件包，可用于處理海洋水色及其他遙感數(shù)據(jù)。下面將通過(guò)兩個(gè)案例來(lái)觀察SNAP在海洋遙感當(dāng)中的應(yīng)用。

二、SNAP讀取海洋遙感數(shù)據(jù)

SNAP可以讀取遙感L1級(jí)數(shù)據(jù)和L2級(jí)數(shù)據(jù)。以Sentinel 2-MSI為例，L1級(jí)數(shù)據(jù)又可分為L(zhǎng)1A、L1B和L1C3種不同數(shù)[2]。通過(guò)歐空局提供的免費(fèi)數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)站SciHub可以下載L1C級(jí)別格式的數(shù)據(jù)。其中，L1C級(jí)是已經(jīng)過(guò)幾何校正、輻射定標(biāo)但沒(méi)有經(jīng)過(guò)大氣校正的數(shù)據(jù)。用戶(hù)在使用的時(shí)候只需再對(duì)L1C級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，即可得到L2A級(jí)數(shù)據(jù)。L2A即為經(jīng)過(guò)大氣校正的真實(shí)地表反射率數(shù)據(jù)。SNAP通過(guò)加載后綴為MTD_MSIL1C.xml的文件可以直接打開(kāi)Sentinel 2-MSI的L1C數(shù)據(jù)。海洋L1級(jí)以上數(shù)據(jù)的格式大都是netcdf格式。利用SNAP可以方便地管理和操作NetCDF數(shù)據(jù)集。打開(kāi)SNAP軟件，點(diǎn)擊File→Open Product，選擇要打開(kāi)的L2級(jí)產(chǎn)品，即可添加數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)鼠標(biāo)滾輪可以放大和縮小圖像。另外，還可以實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)值，同步顯示等操作。如圖1所示為利用SNAP加載的我國(guó)東南沿海L2級(jí)葉綠素?cái)?shù)據(jù)?？梢钥吹綎|南沿海葉綠素濃度整體呈現(xiàn)近岸高遠(yuǎn)岸低的特點(diǎn)。

通過(guò)Raster→Subset可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)前視窗裁剪或輸入經(jīng)緯度進(jìn)行矩形裁剪，裁剪后數(shù)據(jù)僅保存在內(nèi)存，如果需要保存文件則需通過(guò)Save Product，然后選擇文件夾進(jìn)行保存。利用SNAP軟件，不僅可以讀取L1和L2級(jí)數(shù)據(jù)，而且還可以進(jìn)行投影，裁剪，直方圖統(tǒng)計(jì)、地物光譜分析和大氣校正等操作。下面將通過(guò)兩個(gè)案例來(lái)觀察SNAP在海洋遙感當(dāng)中的具體應(yīng)用。

三、應(yīng)用案例

1.海表面溫度異常案例分析

本案例利用從NASA的oceandata網(wǎng)站獲取的2010年1月全球平均海表面溫度數(shù)據(jù)（https：//oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/MODIS-Aqua/MApped/Seasonal/9km/sst/2010/）和歷史全球平均海表面溫度數(shù)據(jù)（https：//oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/MODIS-Aqua/MApped/Seasonal_Climatology/9km/sst/），來(lái)研究2010年1月的厄爾尼諾現(xiàn)象。具體步驟如下：首先加載數(shù)據(jù)，然后在Raster下面找到Collocation組合文件，再運(yùn)用Band Maths進(jìn)行波段運(yùn)算，計(jì)算得出海表面溫度異常波段。通過(guò)Reprojection進(jìn)行投影、Subset進(jìn)行裁剪，以便顯示高值異常區(qū)來(lái)觀察厄爾尼諾現(xiàn)象。最后添加經(jīng)緯度，調(diào)整經(jīng)緯網(wǎng)參數(shù)，在圖例屬性里可以選擇合適的圖例樣式，如果沒(méi)有合適的也可以下載其它樣式圖例進(jìn)行添加，在圖例屬性里將背景值設(shè)置為黑色，導(dǎo)出影像和圖例，出圖。結(jié)果如圖1所示，在厄爾尼諾的情況下，赤道太平洋中部及東部的表面溫度較正常情況高。

圖1 SNAP讀取海洋遙感數(shù)據(jù)

2.大氣校正處理

圖2 海表面溫度異常-厄爾尼諾現(xiàn)象

傳感器在獲取信息過(guò)程中，易受到氣溶膠散射，以及大氣分子等的影響而引起誤差，因此，在水色遙感反演中，必須通過(guò)大氣校正來(lái)消除這些影響[2]。SNAP自帶部分大氣校正算法，如C2RCC，C2RCC算法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“二類(lèi)水體區(qū)域性近岸海域水色”反演算法[3]，適用于Sentienl 3-OLCI和Sentinel 2-MSI等在軌運(yùn)行的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的大氣校正。除了自帶的C2RCC外，iCOR和Sen2Cor等大氣校正算法軟件可以作為第三方插件安裝到SNAP中，實(shí)現(xiàn)Sentienl 3-OLCI和Sentinel 2-MSI等的大氣校正。本研究利用第三方插件iCOR算法對(duì)2018年9月9日過(guò)境黃河口的Sentinel 2-MSI影像進(jìn)行大氣校正。Sentinel 2-MSI遙感影像可以從歐空局官網(wǎng)https：//scihub.copernicus.eu/dhus//home免費(fèi)下載。

具體步驟如下：先安裝好iCOR插件，打開(kāi)SNAP，通過(guò)Optical→iCOR→iCOR SENTINEL-S2打開(kāi)大氣校正處理器，I/P Parameters部分輸入要校正的影像，輸出會(huì)自動(dòng)填充名稱(chēng)，選擇輸出路徑，Processing Parameters部分可以自行調(diào)整大氣校正參數(shù)。例如，是否進(jìn)行鄰近校正和耀斑校正等，設(shè)置好后點(diǎn)擊Run運(yùn)行大氣校正。耐心等待校正完畢。結(jié)果如圖3所示，大氣校正前后的RGB影像從圖上看似乎沒(méi)有明顯差異，但通過(guò)查看光譜可以發(fā)現(xiàn)兩者的光譜反射率差異明顯（圖4），尤其在藍(lán)波段。大氣校正前的水體和植被光譜曲線(xiàn)在藍(lán)波段偏高，而大氣校正后的光譜曲線(xiàn)在藍(lán)波段的光譜值明顯降低，只有經(jīng)過(guò)大氣校正后，才能獲取更真實(shí)的反射率信息，為后續(xù)反演物理參量打下基礎(chǔ)。

圖3 大氣校正前（左圖）和大氣校正后（右圖）RGB影像

圖4 大氣校正前后水體光譜曲線(xiàn)（左圖）和植被光譜曲線(xiàn)（右圖）

結(jié)語(yǔ)

海洋遙感是本校海洋技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的重要內(nèi)容。本文以SNAP軟件為例，介紹了其在海洋遙感數(shù)據(jù)處理中的主要作用。SNAP提供的海洋遙感數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理，如大氣校正等關(guān)鍵步驟，能夠滿(mǎn)足海洋水色遙感數(shù)據(jù)的處理。因此，利用SNAP軟件，能幫助海洋技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生更好地應(yīng)用專(zhuān)業(yè)技能解決海洋科學(xué)問(wèn)題。