Sentinel-5P数据介绍与处理

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。

本文由三大主要部分组成：

• TROPOMI数据介绍
• 数据下载
• 数据处理与可视化
• Panoply可视化
• S5Processor包nc转TIFF

1 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。

1.1 L1B产品介绍

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。

1.2 L2产品介绍

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。

1.3 L2数据三种数据流

L2数据产品又分为了三种数据流：

1. 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；
2. 离线数据流（Offline, OFFL），一般成像后几天即可获得；
3. 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。

2 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。帐号密码均为：s5pguest

数据下载网址：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

3 数据处理与可视化

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。

3.1 NASA Panoply

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。

3.2 S5PROCESSOR

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

R包地址：https://github.com/MBalthasar/S5Processor

3.2.1 S5PROCESSOR安装

很多同学反映不知道怎么安装S5processor这个包。

首先，这个包需要借助Rtools，下载一个Rtools，根据自己运行环境选择一个合适的版本，安上就好。

https://cran.r-project.org/bin/windows/Rtools/

提示没有devtools，好说，直接安装一下这个包就好

安装devtools

是否更新R包？可以更新，也可以跳过

安装完成

3.2.2 S5PROCESSOR数据转换

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)

关于NO2数据产品和单位的介绍见产品文档（参考物文献7）

转换后的数据就可以在ArcGIS中打开了，坐标系识别正常，NO2垂直柱密度单位：

4 参考文献

1. http://www.tropomi.eu/data-products/nitrogen-dioxide
2. https://sentinel.esa.int/web/sentinel/technical-guides/sentinel-5p/products-algorithms
3. https://github.com/MBalthasar/S5Processor
4. 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.
5. https://s5phub.copernicus.eu/dhus/#/home
6. https://www.giss.nasa.gov/tools/panoply/
7. https://sentinel.esa.int/documents/247904/2474726/Sentinel-5P-Level-2-Product-User-Manual-Nitrogen-Dioxide

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