人工衛星 Sentinel-1 概要から画像の事例、入手方法まで

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‍ミッション

 C-SARペイロード、展開可能なソーラーアレイ、および大規模なデータストレージを搭載しています。ミッションは、災害監視の際にデータを迅速に提供することです。Sentinel-1Aは2014年4月3日に運用開始し、Sentinel-1Bは2016年4月25日に運用を開始しました。Sentinel-1CとSentinel-1Dは、運用寿命の終わりに最初の2つの衛星を置き換える予定で、それぞれの運用寿命は7年となっています。

ミッションの目的は、以下のように定義されています。

• 森林、水、土壌、農業の土地モニタリング
• 自然災害時の緊急マッピングサポート
• 海洋環境の海洋モニタリング
• 海氷観測と氷山モニタリング
• 高解像度の氷海図の作成
• 海の氷の状態を予測する
• 油流出のマッピング
• 海の船の検出
• 気候変動の監視

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ペイロード

SENTINEL-1は、C-SAR（Cバンド合成開口レーダ）を1台搭載しています。右向きアクティブフェーズドアレイアンテナを搭載し、仰角・方位角の高速スキャン、1410 Gbのデータストレージ容量、520 Mbit/sのXバンドダウンリンク容量があります。

C-SARは2つの偏波（HH+HV, VV+VH）をサポートしており、1つの送信チェーン（HまたはVに切り替え可能）とHおよびV偏波用の2つの並列受信チェーンで運用されます。

SENTINEL-1は、4つの排他的取得モードで動作します。

• ストライプマップモード - Stripmap (SM)
• インターフェロメトリックワイドスワスモード - Interferometric Wide swath (IW)
• Extra-Wide swath (EW)
• Wave mode (WV).

(https://sentinels.copernicus.eu/ より引用)

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‍取得モード

ストライプマップ モード（SM）

他の観測衛星ERSやEnvisatのミッションとデータにおける連続性を持たせるために、Stripmapイメージングモードが提供されています。ストライプマップは、80kmの狭い観測幅を5m×5mの解像度でカバーします。

インターフェロメトリックワイドスワス モード（IW）

インターフェロメトリックワイドスワス（IW）モードは、広い観測幅（250km）と中程度の幾何学的分解能（5m×20m）を組み合わせることができるモードです。IWモードでは、TOPSAR（Terrain Observation with Progressive Scans SAR）を用いて、3つのサブスワス（撮影シーンの幅）を撮影します。IWモードは陸上でのデフォルトの取得モードです。

※スワス：撮影シーンの幅

エクストラワイドスワスモード（EW）

広い観測範囲と短い再訪問時間が要求される海上、氷海、極域での運用を想定しています。EWモードはIWモードと同様に、3本のサブスワスから5本のサブスワスを使用するTOPSAR方式を採用しており、分解能は20m×40mと低くなっています。

ウェーブモード（WV）

SENTINEL-1 Waveモードは、海洋波予報モデル（Global Ocean Wave Models）と組み合わせることで、外洋の波の方向、波長、高さを把握することができます。ウェーブモードは、20km x 20kmのストライプマップイメージを2つの異なる入射角で交互に取得することで構成されています。波浪のイメージは100kmごとに取得され、同じ入射角のイメージは200km間隔で取得されます。‍

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データ製品

Sentinelデータ製品は、一般のユーザー、科学ユーザー、および商用ユーザーを含むすべてのデータユーザーが体系的かつ無料で利用できるようになっています。データは、緊急対応の場合は受信から1時間以内、優先エリアの場合は3時間以内、体系的にアーカイブされたデータの場合は24時間以内に配信されます。製品データの空間分解能は、取得モードと処理レベルによって異なります。

処理レベル（レベル０、 レベル１、 レベル２）のすべてのデータ製品は、Standard Archive Format for Europe（SAFE）形式で配布されます。SAFE形式は、バイナリデータ形式の画像データとXMLの製品メタデータを含むフォルダーをラップしたものです。

データ製品は、ウェーブモードの場合は単一偏波（VVまたはHH）で、SM、IW、およびEWモードの場合は二重偏波（VV + VHまたはHH + HV）または単一偏波（HHまたはVV）で利用できます。

（https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions/sentinel-1/data-products から引用）

レベル０製品

レベル０製品は、FDBAQ圧縮された焦点の合っていないSAR Raw データで構成されています。このデータを利用するためには、SAR画像処理アルゴリズムを用いて解凍し、処理する必要があります。

※FDBAQ : Flexible Dynamic Block Adaptive Quantization

レベル１製品

レベル１製品データは、多くのデータ利用者を対象とした一般に入手可能なデータとなります。レベル１製品は、SLC（Single Look Complex）とGRD（Ground Range Detected）として作成されます。

SLC製品は、衛星の軌道および姿勢データを用いてデジタル画像ファイルを物理空間内の場所に関連付けされたSARデータです。

GRD製品は、地球楕円体モデルを用いて検出、マルチルック、地上距離に投影されたSARデータで構成され、位相情報は失われます。空間分解能は低下しますが、ほぼ正方形の空間分解能ピクセルと正方形のピクセル間隔を持つデータが得られます。

GRDの解像度は3種類あります。

• フル解像度(FR)
• 高解像度(HR)
• 中解像度（MR）

GRD製品は、IWおよびEWモードではMRとHR、WVモードではMR、SMモードではMR、HR、FRが利用可能です。

レベル２製品

レベル２製品には、ERSおよびASAR WVとの連続性を持たせた海洋うねりスペクトル（OSW - Ocean Swell Spectra）コンポーネントと、海洋風速（OWI - Ocean Wind Fields）および、表面半径速度（RVL - Surface Radial Velocities）の2つの新しいコンポーネントが含まれています。

海洋うねりスペクトル（OSW - Ocean Swell Spectra）は、うねりスペクトルごとの風速と風向きの推定値を含んでいます。OSWはStripmapモードとWaveモードのみから生成されます。Stripmapモードでは、内部で生成されたレベル１製品のSLC画像から得られる複数のスペクトルが存在します。Wave モードでは、1 つのビネット（撮影範囲）につき、1 つのスペクトルが生成されます。

海洋風速（OWI - Ocean Wind Fields）は、SM、IW、EWモードの内部生成されたレベル１のGRD製品から得られる地表面上10mの風速・風向の推定値です。

表面半径速度（RVL - Surface Radial Velocities）は、レベル2のドップラー計測値とレベル１製品の幾何学的ドップラー計算値の差を地上距離グリッドで表したものです。

Sentinel-1データを使用した事例とサンプル画像

HH偏波のサンプル画像

HV偏波のサンプル画像

HH偏波、HV偏波の２偏波を使用したSAR画像

２偏波SAR画像は、異なる２種類の偏波の散乱特性の異方性を可視化した画像となります。HH偏波：R（赤）、HV偏波：B（緑）、HH偏波：G（青）と設定して、RGBカラー合成を行うことも出来ます。森林、田畑は緑色、森林がない裸地域は赤紫色で表現され、森林と崩壊地を含む裸地を画像色から選別することが可能になります。

Sentinel-1からの長州、中国の画像

Copernicus Sentinel-1から、世界の人間居住に関する情報を提供し、 宇宙から人類の足跡をマッピングしています。

衛星によるヨーロッパ西部の洪水観測

記録的な豪雨により、西ヨーロッパでは増水した河川が堤防を破壊し、住宅やその他の建物を押し流し、90人以上の死傷者と1000人以上の行方不明者を出しています。コペルニクスのSentinel-1ミッションのデータは、救援活動のために浸水地域をマッピングするために使用されています。

年間を通じた作物の推移

Sentinel-1の多時刻過干渉性データを用いた土地被覆および植生マッピングの一例として、時系列データが作物のマッピングに有用であることを示したものです、この画像は、2017年に栽培された17種類の作物タイプを分類するために使用された。これは6日間の間隔で取得された連続した画像のペアを使用し、VVとVHの2つの偏光で測定しています。アニメーションでは、作物の有無によって耕作地に白と黒の長方形が現れ、それが年ごとにどのように変化していくかを示しています。

宇宙から見たスエズ運河の交通渋滞

エジプトのスエズ運河に突き刺さった巨大コンテナ船エバーギブンが、Copernicus Sentinel-1ミッションが撮影した新しい画像に写っています。

この巨大なコンテナ船は、中国からオランダに向かう途中、3月23日に運河に座礁しました。左の画像は3月21日に撮影されたもので、運河を行き交う船舶が2〜3kmおきに見える日常的な海上交通の様子です。右の画像は3月25日に撮影されたもので、運河を塞いでいる400m級の船舶が写っています。コペルニクスのセンチネル-1衛星は、レーダー装置を搭載しており、全天候型、昼夜を問わず地表の画像を提供し、船舶交通の監視に適しています。海面はレーダー信号を反射して衛星から遠ざかり、水は画像上で暗く写ります。一方、金属製の物体（この場合は湾内の船舶）は、暗い海中に明るい点として映し出されます。

データの入手方法

Sentinel-1の衛星画像は、無料であり、Copernicus Open Access Hub から入手することが可能となっています。コペルニクスオープンアクセスハブ（ https://scihub.copernicus.eu/ ）にアクセスし、OpenHubを選択します。

コペルニクスのデータを使用するには、アカウント登録をする必要があります。右上のボタンの「Sign Up」を押下し、アカウント申請をします。

必要な情報を記載し、「Register」ボタンを押下します。

登録が完了するとデータをダウンロードする準備が整います。右側のアイコンを選択し、取得したい画像の範囲（AOI - Area of Interest ）を選択します。今回は、Sentinel-1からのデータ画像が欲しいため、条件設定（左上の ≡ アイコン）から、Mission Sentinel-1にチェックを入れてください。

検索ボタンを押下すると指定領域を含むSentinel-1からの画像リストが取得できるので、リンクを押下することでデータを入手することが出来ます。

例として、S1W_IW_GRADH_1SDV_20220111T…..のデータをダウンロードします。S1は、Sentinel-1、 IWはインターフェロメトリックワイドスワス モード、レベル１製品のGRD（Ground Range Detected）と、ファイル名からどのようなデータであるかが特定できるようになっています。

すべての処理レベル（レベル0、レベル1、およびレベル2）の製品は、SENTINEL-SAFE形式で提供されます。配信されるデータは、一般的な製品メタデータと、測定データ、注釈、プレビュー、およびサポートファイルのサブフォルダーを一覧表示するXML形式のマニフェストファイルを含む以下のようなファイル構造としてパッケージ化されます。

ファイル構造

画像の処理ツール

Sentinel-1 の画像処理には、Sentinelから提供されるToolboxを使用して、処理することが可能です。このリンク（https://sentinel.esa.int/web/sentinel/toolboxes/sentinel-1）から入手することが出来ます。

 Toolbox（S1TBX）は、処理ツールのコレクション、データ製品のリーダーとライター、およびSentinel-1、ERS-1と2、ENVISATを含むESASARミッションからのデータの大規模なアーカイブをサポートする表示および分析アプリケーションで構成されています。 ALOS PALSAR、TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、RADARSAT-2 などを扱えるサードパーティのSARデータ処理ツールです。Toolboxには、キャリブレーション、スペクトルフィルタリング、コレジストレーション、オルソ補正、モザイク処理、データ変換、偏光測定、干渉測定のためのツールが含まれています。

以下の画像は、ツールにSNAPツールを使用したものになります。これらのツールを使用し必要なデータを取り出します。SNAP Tool は、こちら（http://step.esa.int/main/download/）から入手可能です。

その他のSAR画像解析ツール

https://asf.alaska.edu/data-sets/sar-data-sets/sentinel-1/sentinel-1-documents-tools/