Sentinel-5P
# 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：
- 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。
# 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：
- 切换矩形选框定位
- 绘制研究区范围，确定影像下载位置
- 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
- 开始时间，从这个时间点开始的影像会加入选择
- 结束时间，选择这个时间点之前的影像
- 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
- 处理级别，可选，指定了6，7也就确定了
- 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
- 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：
- 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）
- 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
- 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
- http://www.tropomi.eu/data-products/nitrogen-dioxide
- https://sentinel.esa.int/web/sentinel/technical-guides/sentinel-5p/products-algorithms
- https://github.com/MBalthasar/S5Processor
- 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.
- https://s5phub.copernicus.eu/dhus/#/home
- https://www.giss.nasa.gov/tools/panoply/
- https://sentinel.esa.int/documents/247904/2474726/Sentinel-5P-Level-2-Product-User-Manual-Nitrogen-Dioxide
# 作者
