Sentinel-1
Radarové snímání zemského povrchu
Základní informace
Sentinel 1 je mise kontinuálního radarového snímání zemského povrchu, která využívá jednofrekvenční radarový senzor C-SAR (Synthetic Aperture Radar) snímající zemský povrch v pásmu C (5404 MHz). Využití radaru umožňuje snímání zemského povrchu prakticky bez ohledu na meteorologické podmínky (pouze mimo silný déšť či husté sněžení) a denní dobu; umožňuje tak pořizování dat i při vysoké oblačnosti nebo v noci. Přístroj využívá duální polarizaci, palubní paměť pojme až 1410 GB a umožňuje stahování dat rychlostí až 520 Mbit/s.
Obr. 1: Vizualizace Sentinel 1 
Obr. 2: Konstelace družic Sentinel 1 A a 1 B
Mise se skládá z konstelace dvou identických družic na polární dráze, Sentinel 1A a Sentinel 1B, sdílejících stejnou dráhu s posunem 180°. Snímání probíhá ve čtyřech režimech s různou šířkou záběru (až 400 km) a různým prostorovým rozlišením (až 5 m). Časové rozlišení, tedy doba, za kterou se družice dostane nad stejné místo na zemském povrchu, je pro jednu družici 12 dní (nad rovníkem), 6 dní při konstelaci dvou družic. Vyšší zeměpisné šířky mají díky menším rozestupům mezi pořizovanými snímky a tím i častějším přeletům družic časové rozlišení 1 – 3 dny (při využití obou družic), viz obr. 2.
Data z družice Sentinel 1 jsou volně dostupná, přičemž rychlost jejich dostupnosti od pořízení snímku záleží na zeměpisné poloze, prioritě oblasti a účelu jejich využití. Pokud jsou data využívána pro oblast krizového řízení, jsou poskytována v kvazi-reálném čase (do 1 hodiny od snímání), pro prioritní oblasti v téměř reálném čase (do 3 hodin od snímání), ostatní data jsou dostupná do 24 hodin od snímání.
Profil mise Sentinel 1
- start družice Sentinel 1A: 3. dubna 2014
- start družice Sentinel 1B: 25. dubna 2016
- plánovaná životnost: 7 let, maximální odhadovaná 12 let
- dráha: slunečně synchronní, výška letu 693 km, inklinace (sklon k rovníku) 98,18°
- časové rozlišení: 6 dní (pro dvě družice), data pokrývající území ČR mají v důsledku šíře záběrů časové rozlišení cca 2 dny (pro 2 družice S1A, S1B)
- polarizace: horizontální (H) nebo vertikální (V)
Cíle mise Sentinel 1
- Monitorování krajinného pokryvu a využití území, sledování vodních ploch
- Sledování pohybů zemského povrchu (př. sesuvy půdy, zemětřesení, pohyby infrastruktury)
- Mapování přírodních i člověkem způsobených katastrof a podpora krizového řízení
- Monitorování mořského prostředí a úniků ropy
- Monitorování mořského ledu a ledovců
- Detekce námořních plavidel
Polarizace
Radar družice Sentinel 1 umožňuje duální polarizaci, tzn. jeho anténa může vysílat i přijímat série pulzů v horizontální i vertikální polarizaci.
Nad daným územím je systematicky používáno stejné polarizační schéma, čímž je zajištěno získávání dat za stejných podmínek pro poskytování rutinních služeb. V závislosti na oblasti a účelu získávání dat je zvolena vertikální nebo horizontální polarizace.
Polarizační schémata jsou volena na základě následující obecné zásady (viz obr. 4):
- HH-HV nebo HH pro polární oblasti a mořské zalednění
- VV-VH nebo VV pro ostatní oblasti (s výjimkou Baltského moře)
Režimy snímání
Strategii provozu družice na oběžné dráze a přednostní využívání jednotlivých režimů snímání definuje tzv. Sentinel High Level Operations Plan, resp. Sentinel 1 Observation Scenario přímo pro Sentinel 1.
Sentinel 1 snímá zemský povrch ve 4 režimech (viz tab. 1):
- Strip Map Mode (SM)
- Interferometric Wide Swath Mode (IW)
- Extra Wide Swath Mode (EW)
- Wave Mode (WV)
| Režim | Způsob využití | Prostorové rozlišení | Šířka záběru |
| Strip Map Mode | pouze při zvláštním požadavku pro monitorování krizových událostí | 5 x 5 m | 80 km |
| Interferometric Wide Swath Mode | hlavní režim snímání nad pevninou, částečně nad mořem a v polárních oblastech | 5 x 20 m | 250 km |
| Extra Wide Swath Mode | částečně používaný nad mořem a v polárních oblastech | 20 x 40 m | 400 km |
| Wave Mode | hlavní režim snímání nad otevřeným mořem | prostorové rozlišení 5 m ve čtvercích 20 x 20 km každých 100 km, snímáno pod dvěma různými úhly |
Zatímco snímky v režimu Wave Mode jsou pořizovány pouze v jednoduché polarizaci, v ostatní režimech je možné využít polarizaci jednoduchou i duální.
Při standardním režimu snímání jsou použity Interferometric Wide Swath Mode s VV + VH polarizací nad pevninou a Wave Mode s VV polarizací nad otevřeným oceánem. Extra Wide Swath Mode je využíván zejména pro monitorování pobřeží pro rozsáhlé oblasti, včetně sledování lodní dopravy, detekci ropných skvrn a mořského ledu. Strip Map Mode se využívá pouze na vyžádání v případě mimořádných událostí, např. přírodních katastrof.
Strip Map Mode
Šířka záběru v režimu Strip Map Mode je 80 km s prostorovým rozlišením 5 m (single look). Snímání může probíhat pod šesti předdefinovanými úhly dopadu. Strip Map Mode je využíván pouze v mimořádných případech pro podporu krizového řízení.
| Parametry | Hodnota |
| Šírka záběru | 80 km |
| Úhel dopadu | 18,3° – 46,8° |
| Počet možných sub-pásů | 6 |
| Azimut a rozsah pohledu | Single |
| Polarizační varianta | duální HH + HV, VV + VHjednoduchá HH, VV |
| Maximum Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) | -22 dB |
| Radiometrická stabilita | 0,5 dB (3σ) |
| Radiometrická přesnost | 1 dB (3σ) |
| Fázová chyba | 5° |
Interferometric Wide Swath Mode (IW)
Režim umožňuje kombinovat velkou šířku záběru (250 km) se středním geometrickým rozlišením (5 x 20 m). Snímkování probíhá ve třech pásech s využitím techniky Terrain Observation with Progressive Scans SAR (TOPSAR), která umožňuje elektronické vychýlení radarového pulsu a tím i vyšší kvalitu obrazu. Interferometrie je zajištěna dostatečným překryvem Dopplerova spektra a „wave number“ spektra. Technika TOPSAR zajišťuje homogenní kvalitu snímku v celé šíři záběru.
Režim IW je hlavním režimem snímání nad pevninou.
Výsledný produkt v režimu IW obsahuje jeden snímek pro každý pás snímání a pro každý polarizační kanál, dohromady tedy tři snímky při jednoduché polarizaci nebo šest snímků při duální polarizaci.
| Parametry | Hodnota |
| Šírka záběru | 250 km |
| Rozsah uhlu dopadu | 29,1° – 46,0° |
| Počet sub-pásů | 3 |
| Azimutální úhel vychýlení (Azimuth steering angle) | ± 0,6° |
| Azimut a rozsah pohledu | Single |
| Polarizační varianta | duální HH + HV, VV + VHjednoduchá HH, VV |
| Maximum Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) | -22 dB |
| Radiometrická stabilita | 0,5 dB (3σ) |
| Radiometrická přesnost | 1 dB (3σ) |
| Fázová chyba | 5° |
Extra Wide Swath Mode (EW)
Podobně jako v IW režimu, Extra Wide Swath Mode využívá ke snímání technologii TOPSAR, ale nad mnohem větším územím použitím pěti pásů. Šířka záběru je 400 km s prostorovým rozlišením 20 x 40 m. Výsledný produkt režimu EW obsahuje jeden snímek pro každý pás a každý polarizační kanál, celkové množství snímků je tedy pět při jednoduché polarizaci nebo deset při duální polarizaci.
Režim EW je určen primárně pro monitorování severských oblastí – pevnin, moří a mořského zalednění, přičemž jeho produkty jsou využívány především pro monitorování mořského ledu, detekci ropných skvrn a zajištění bezpečnosti v této oblasti. Režim EW může být využit i pro interferometrii.
| Parametry | Hodnota |
| Šírka záběru | 400 km |
| Rozsah uhlu dopadu | 18,9° – 47,0° |
| Počet sub-pásů | 5 |
| Azimutální úhel vychýlení (Azimuth steering angle) | ± 0,8° |
| Azimut a rozsah pohledu | Single |
| Polarizační varianta | Duální HH + HV, VV + VHSingle HH, VV |
| Maximum Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) | -22 dB |
| Radiometrická stabilita | 0,5 dB (3σ) |
| Radiometrická přesnost | 1 dB (3σ) |
| Fázová chyba | 5° |
Wave Mode
Wave Mode je podobný režimu použitému v misích ERS a Envisat (nyní již neaktivních), avšak s vyšším rozlišením a s řadou dalších vylepšení. Snímkování v režimu Wave Mode sestává z několika jednotlivých snímků, výlučně buď ve VV nebo HH polarizaci. Každý z těchto malých snímků pokrývá území 20 x 20 km při prostorovém rozlišení 5 x 5 m a je pořizován každých 100 km podél dráhy přeletu střídavě ve dvou různých úhlech dopadu. Režim Wave Mode v polarizaci VV je primárním režimem získávání dat nad otevřeným oceánem.
| Parametry | Hodnota |
| Šírka záběru | 20 km |
| Vzdálenost mezi malými snímky podél dráhy letu | 100 km |
| Rozsah úhlu dopadu | 21,6° – 25,1°34,8° – 38,0° |
| Počet sub-pásů | 2 |
| Azimut a rozsah pohledu | Single |
| Polarizační varianta | Single HH, VV |
| Maximum Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) | -22 dB |
| Radiometrická stabilita | 0,5 dB (3σ) |
| Radiometrická přesnost | 1 dB (3σ) |
| Fázová chyba | 5° |
Typy produktů a úrovně zpracování dat
Produkty družice Sentinel 1 pořízené v režimech SM, IW a EW jsou distribuovány ve třech úrovních zpracování:
- Level-0 (L0)
- Level-1 (L1)
- Level-2 (L2)
Produkty L1 jsou dostupné ve dvou typech – Single Look Complex (SLC) nebo Ground Range Detected (GRD). L2 Ocean (OCN) má k dispozici různé komponenty v závislosti na režimu snímání. Všechny produkty jsou zpracovány přímo z produktu úrovně L0. Každý režim snímání může potenciálně generovat L1 SLC, L1 GRD a L2 Ocean produkty. Pro režim WV nejsou distribuovány produkty L0 a L1.
Data L0
Produkty L0 se skládají z komprimovaných surových dat a jsou základem pro zpracování a vytvoření produktů vyšších úrovní. Tato data jsou komprimována metodou Flexible Dynamic Adaptive Quantisation (FDBAQ). Pro další použití musí být tato data dekomprimována a zpracována. Data úrovně L0 obsahují šum, vnitřní kalibraci a informaci o poloze na oběžné dráze při pořízení snímku.
Produkty L0 jsou uloženy v dlouhodobých archivech a mohou být zpracovány pro vytvoření různých typů produktů po dobu trvání mise a 25 let po ukončení činnosti kosmického segmentu. Produkty L0 jsou dostupné uživatelům pouze pro režimy SM, IW a EW.
Data L1
Data úrovně L1 jsou využívána nejčastěji. Data L1 je z úrovně L0 transformován kalibrací dat a použitím dalších algoritmů (viz obr. 10), čímž vznikají dva základní produkty této úrovně – Single Look Complex (SLC) a Ground Range Detected (GRD).
Každý režim snímání může potenciálně generovat L1 SLC a L1 GRD produkty. Rozlišení L1 GRD záleží na režimu snímání a úrovně multilookingu.
Single Look Complex (SLC)
Data jsou georeferencovaná s využitím informací o výšce a poloze družice na oběžné dráze a zachovávají informaci o fázi snímku (pro detekci fázového posunu). Produkty jsou v „zero-Doppler“ orientaci, kde každý řádek pixelů reprezentuje body podél linie kolmé na sub-satelitní dráhu. SLC v režimu SM obsahuje jeden snímek pro každý záběr pro obě polarizace. Režim IW, který má tři snímkové pásy, obsahuje tři snímky v jednoduché polarizaci a šest snímků v duální polarizaci. Režim EW se skládá z pěti snímkových pásů, má pět snímků pro jednoduchou polarizaci a deset snímků pro duální polarizaci.
V režimu IW a EW každý sub-pás sestává ze série pulzů. Každý puls byl zpracován jako jednotlivý SLC snímek. Jednotlivě soustředěné pulzní snímky jsou zahrnuty do jednoho sub-pásového snímku, s černými hranicemi mezi nimi (obr. 6 a 7), podobně jako u produktů Envisat Asar Wide ScanSAR SLC.
Swath Timing data set record v SLC obsahuje informace o pulsech včetně dimenze (dimension), časování (timing) a polohy, které mohou být použity ke spojení pulzů a pásů dohromady.
Ground Range Detected (GRD)
GRD produkty obsahují radarová data zpracována pomocí „multilookingu“, tj. vícenásobného snímání jednoho místa pro složení výsledného snímku, a georeferencovaná pomocí referenčního zemského elipsoidu (např. WGS84). Nezachovává se informace o fázi a dochází k redukci šumu (speckle) za cenu nižšího geometrického rozlišení. Oproti korekcím aplikovaným na úrovni Level-1 SLC produktů mají GRD produkty navíc odstraněny termální šum, což zlepšuje kvalitu snímku.
Pro IW a EW GRD produkty je proveden „multilooking“ pro každý pulz jednotlivě. Všechny pulzy ve všech sub-pásech jsou následně bezešvě spojeny do jednoho souvislého snímku pro každý polarizační kanál.
GRD produkty jsou dostupné ve třech prostorových rozlišeních:
- Full Resolution (FR)
- High Resolution (HR)
- Medium Resolution (MR)
Rozlišení závisí na provedeném multilookingu. Data L1 GRD jsou dostupná v MR a HR pro režimy IW a EW, MR pro režim WV, HR a FR pro režim SM.
Data L2
Data na úrovni L2 sestávají z konkrétních geolokalizovaných geofyzikálních produktů získaných z úrovně L1. Produkty L2 Ocean (OCN) využívané v oblasti sledování větru, vln a mořských proudů mohou obsahovat následující geofyzikální komponenty získané z radarových dat:
- Ocean Wind field (OWI)
- Ocean Swell spectra (OSW)
- Surface Radial Velocity (RVL).
Dostupnost komponent závisí na režimu snímaní. Metadata vztahující se k OWI jsou získávaná z interně zpracovaného GRD produktu, metadata vztahující se k RVL (a OSW, pro režim snímání SM a WV) jsou získaná interním zpracováním SLC produktu.
Obr. 12a: Diagram rychlosti větru, zdroj: CLS, SOPRANO, ESA 
Obr. 12b: Povrchová radiální rychlost, zdroj: CLS, SOPRANO, ESA 
Obr. 13: OSW spektrum, zdroj: CLS, SOPRANO, ESA
Rozlišení
Prostorové rozlišení závisí na režimu snímání a úrovni zpracování.
Level-1 Single Look Complex (SLC)
Prostorové rozlišení SLC produktů je určeno režimem snímání. Pro SLC produkty v režimech SM, IW a EW jsou rozlišení a „pixel spacing“ (tj. vzdálenost mezi sousedními pixely na snímku, měřená v metrech) poskytovány podle úhlu dopadu, od nejnižšího po nejvyšší. Pro SLC produkty v režimu WV jsou rozlišení a „pixel spacing“ poskytovány pro WV1 a WV2.
| Režim | Rozlišenírg x az [m] | Pixel spacing rg x az [m] | Počet pohledů | ENL* |
| Strip Map Mode | 1,7 x 4,3 až 3,6 x 4,9 | 1,5 x 3,6 až 3,1 x 4,1 | 1 x 1 | 1 |
| Interferometric Wide Swath Mode | 2,7 x 22 až 3,5 x 22 | 2,3 x 17,4 | 1 x 1 | 1 |
| Extra Wide Swath Mode | 7,9 x 43 až 15 x 43 | 5,9 x 34,7 | 1 x 1 | 1 |
| Wave Mode | 2,0 x 4,8 a 3,1 x 4,8 | 1,7 x 4,1 a 2,7 x 4,1 | 1 x 1 | 1 |
Level-1 Grand Range Detected (GRD)
Produkty GRD mohou být ve třech rozlišeních:
- Plné rozlišení (Full Resolution, FR) pro režim SM
- Vysoké rozlišení (High Resolution, HR) pro režimy SM, IW a EW
- Střední rozlišení (Medium Resolution, MR) pro režimy SM, IW, EW a WV
Rozlišení závisí na počtu provedených pohledů. Produkty Level-1 GRD jsou k dispozici ve středním a vysokém rozlišení pro režimy IW a EW, střední rozlišení pro režim WV a všechna rozlišení pro režim SM. Rozlišení pro GRD produkt koresponduje se střední hodnotou rozsahu ve střední výšce oběžné dráhy, jedná se o zprůměrování ze všech snímaných pásů.
| Režim | Rozlišení rx x az [m] | Pixel spacing rg x az [m] | Počet pohledů | ENL |
| Strip Map Mode | 9 x 9 | 4 x 4 | 2 x 2 | 3,9 |
| Režim | Rozlišenírx x az [m] | Pi x el spacing rg x az [m] | Počet pohledů | ENL |
| Strip Map Mode | 23 x 23 | 10 x 10 | 6 x 6 | 34,4 |
| Interferometric Wide Swath Mode | 20 x 22 | 10 x 10 | 5 x 1 | 4,9 |
| Extra Wide Swath Mode | 50 x 50 | 25 x 25 | 3 x 1 | 2,9 |
| Režim | Rozlišení rx x az [m] | Pixel spacing rg x az [m] | Počet pohledů | ENL |
| Strip Map Mode | 84 x 84 | 40 x 40 | 22 x 22 | 350 – 398 |
| Interferometric Wide Swath Mode | 88 x 87 | 40 x 40 | 22 x 5 | 105,7 |
| Extra Wide Swath Mode | 93 x 87 | 40 x 40 | 6 x 2 | 12,7 |
| Wave Mode | 52 x 51 | 25 x 25 | 13 x 13 | 123,7 |
Level 2
Pro produkty L2 OCN je komponenta Swell spectra (OSW) poskytována s prostorovým rozlišením 20 x 20 km, komponenty Ocean Wind field (OWI) a Suraface Radial Velocity (RVL) mají rozlišení 1 x 1 km.
Formát dat
Datové produkty Sentinelu-1 jsou distribuovány ve formátu Standard Archive Format for Europe (SAFE), který byl navržen pro archivaci a předávání dat ESA z oblasti pozorování Země a zároveň doporučen pro harmonizaci dat ze všech družic programu Copernicus.
Formát SENTINEL-SAFE obsahuje složku s obrazovými daty v binárním datovém formátu a metadaty ve formátu XML.
Datové produkty mají různý tvar označení podle úrovně zpracování:
Pravidla pro distribuci dat
Data z družic Sentinel jsem dostupná na základě plného, volného a bezplatného přístupu. Lze je tedy použít pro jakékoliv účely v rámci vědy a výzkumu, komerčního i nekomerčního použití i pro potřeby státní a veřejné správy a samosprávy.
Všechna data z družic Sentinel 1 jsou systematicky zpracovávána do podoby předdefinovaných produktových typů a jsou dostupná globálně, regionálně a lokálně v rámci určeného časového rozmezí. Globální produkty (úrovně L0, L1 a L2) jsou systematicky vytvářeny pro všechna získaná data. Tyto produkty jsou dostupné do 1 hodiny od snímání nad určenými, tzv. NRT (near-real time) oblastmi a pro vybrané uživatele, v ostatních případech pak do 24 hodin od jejich pořízení.
Regionální produkty jsou systematicky vytvářeny pro podmnožinu všech získaných dat nad určenými regiony a oblastmi. L1 SLC produkty jsou dostupné do 1 hodiny od jejich pořízení nad určenými NRT oblastmi a systematicky nad určenými oblastmi do 24 hodin od jejich pořízení. Systematické zpracování umožňuje automatizované vytváření předdefinovaných sad produktů úrovně L1 po jejich pořízení.
Přístup k datům
Data z družic Sentinel jsou díky volné a otevřené datové politice programu Copernicus systematicky a zdarma zpřístupňována všem kategoriím uživatelů. Pro běžné uživatele existují následující přístupy k datům:
- http://collgs.czechspaceportal.cz – spolupracující pozemní segment pro uživatele dat Sentinel, který obsahuje data Sentinel pokrývající území ČR
- https://spacedata.copernicus.eu – pro existující uživatele účastnící se projektů Copernicus pro základní i navazující služby
- https://scihub.copernicus.eu – pro ostatní uživatele, přístup k datům po jednoduché registraci
Komplexní přehled o družici Sentinel 1, jejím přístroji C-SAR a pořizovaných datech naleznete v on-line uživatelské příručce na stránkách ESA.
Program pro práci s daty
Pro zpracování a základní analýzu dat Sentinelu 1 byl přímo vyvinut tzv. Sentinel 1 toolbox. Toolbox je neustále doplňován o další funkcionality; po každé úpravě je zveřejněna jeho nová verze. Zároveň je vzhledem k opensource povaze toolboxů možné si je upravit a přizpůsobit pro své potřeby. Toolbox obsahuje rozhraní pro přístup k velkému množství dat v podobě cloudové platformy, čímž umožňuje velkoobjemová zpracování pomocí požadovaného algoritmu. Veškeré nástroje pro zpracování dat Sentinel jsou v souladu s otevřenou datovou politikou Copernicus poskytována bezplatně. Více informací včetně možnosti stažení toolboxu je k dispozici zde.
Dále je pro zpracování radarových dat možné využít volně dostupné programy ESA NEST a PolSARpro.
Zpracovali: Lukáš Žubrietovský, Lenka Švábová, Ondřej Šváb; Praha, 2017.“Sentinel 1 – Datové specifikace“ ve formátu .pdf ke stažení zde.