معرفی تصاویر سنتینل 2 (Sentinel-2)

مروری بر مأموریت سنتینل-۲ (Sentinel-2)

این مقاله برای معرفی تصویر چند طیفی سنتینال 2 (Sentinel-2) تهیه شده است. سنتینل-۲ یک مأموریت اروپایی برای تصویربرداری ماهواره‌ای با کیفیت بالا است. این مأموریت از دو ماهواره تشکیل شده که در یک مدار قرار دارند و ۱۸۰ درجه از هم فاصله دارند. این دو ماهواره هر ۵ روز یک بار، کل منطقه استوا را تصویربرداری می‌کنند.

هر ماهواره یک دوربین پیشرفته به نام MSI (Multi-Spectral Instrument) چند طیفی دارد که تصاویر را در ۱۳ باند طیفی می‌گیرد:
– ۴ باند با قدرت تفکیک مکانی ۱۰ متر
– ۶ باند با قدرت تفکیک مکانی ۲۰ متر
– ۳ باند با قدرت تفکیک مکانی ۶۰ متر

هر بار که ماهواره از قسمتی از زمین عبور می‌کند، نواری به عرض ۲۹۰ کیلومتر را تصویربرداری می‌کند.

ماهواره‌های دوقلوی سنتینل-۲، ادامه‌دهنده راه ماهواره‌های اسپات (SPOT) و لندست (LANDSAT) هستند. این ماهواره‌ها تصاویر مشابهی تهیه می‌کنند و به پایش چندطیفی زمین ادامه می‌دهند. از داده‌های این ماهواره‌ها در پروژه‌های مختلف برنامه کوپرنیک (Copernicus) استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای آن عبارتند از:
– مدیریت اراضی
– کشاورزی و جنگلداری
– مدیریت بلایای طبیعی
– کمک‌های بشردوستانه
– تهیه نقشه‌های خطرپذیری
– مسائل امنیتی

توضیح ماهواره‌ها

مأموریت سنتینل-۲ از دو ماهوارهٔ یکسان تشکیل شده که با هم کار می‌کنند. امروزه این دو ماهواره، سنتینل-۲بی (Sentinel-2B)(پرتاب در ۲۰۱۷) و سنتینل-۲سی (Sentinel-2C) (پرتاب در ۲۰۲۴) هستند که با موشک وگا (VEGA) به فضا پرتاب شده‌اند. وزن هر کدام حدود ۱/۲ تن است.

سنتینل-۲ای (Sentinel-2A) (پرتاب در ۲۰۱۵) پس از ده سال فعالیت، به پایان عمر خود نزدیک می‌شود؛ به همین دلیل پرتاب سنتینل-۲سی برای ادامهٔ مأموریت کوپرنیک بسیار حیاتی بود. سنتینل-۲سی در ۵ سپتامبر ۲۰۲۴ پرتاب شد و به دو ماهوارهٔ دیگر پیوست تا هم‌ راه با سنتینل-۲ای کار کند و کالیبراسیون و جمع‌آوری داده‌ها بدون وقفه ادامه یابد.

از ۲۱ ژانویهٔ ۲۰۲۵، سنتینل-۲سی رسماً جایگزین سنتینل-۲ای در عملیات روزانه شده است. همچنین در آینده، سنتینل-۲دی (Sentinel-2D) جایگزین سنتینل-۲بی خواهد شد. ماموریت سنتینل-۲ با نسل بعدی خود ادامه می‌یابد که قرار است کیفیت اندازه‌گیری‌های جهانی را بالا ببرد و خدمات مشاهدهٔ زمین را حداقل تا پس از سال ۲۰۳۵ تضمین کند.

از مارس ۲۰۲۵، سنتینل-۲ای یک دورهٔ عملیاتی فوق‌العاده را آغاز کرده است و به‌طور استثنا، پیکربندی عادی دو ماهوارهٔ (سنتینل-۲بی و ۲سی) را تکمیل می‌کند. در این دوره، یک سناریوی عملیاتی ویژه برای سنتینل-۲ای در نظر گرفته شده است.

وضعیت استقرار ماهواره ها

دو ماهوارهٔ سنتینل-۲ در حالت عادی، همزمان با هم کار می‌کنند و در مدار خورشیدآهنگ، در ارتفاع متوسط ۷۸۶ کیلومتری از زمین، با فاصلهٔ ۱۸۰ درجه‌ای از یکدیگر قرار دارند. در طول دورهٔ توسعهٔ عملیاتی، سنتینل-۲ای با فاصلهٔ ۳۶ درجه از سنتینل-۲بی قرار می‌گیرد. موقعیت هر ماهواره در مدار خود توسط یک گیرندهٔ دوفرکانسهٔ سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS) اندازه‌گیری می‌شود و دقت مداری توسط یک سیستم پیشرانهٔ اختصاصی حفظ می‌شود.

طول عمر هر ماهواره ۷٫۲۵ سال است که شامل یک دورهٔ سه‌ماهه برای راه‌اندازی و آزمایش در مدار نیز می‌شود. باتری‌ها و سوخت مورد نیاز به گونه‌ای تأمین شده‌اند که ماهواره بتواند تا ۱۲ سال فعالیت کند؛ این مدت شامل مانورهای خروج از مدار در پایان عمر نیز می‌شود.

سیستم ماهواره‌ای سنتینل-۲ توسط یک کنسرسیوم صنعتی به رهبری شرکت آستریوم GmbH (آلمان) ساخته شده است. همچنین شرکت آستریوم SAS (فرانسه) مسئولیت ساخت ابزار اصلی این ماهواره یعنی تصویربردار چندطیفی (MSI) را بر عهده داشته است.

نحوهٔ عملکرد تصویربردار (MSI):

این ابزار به صورت غیرفعال کار می‌کند و نور خورشید را که از سطح زمین بازتاب می‌شود، جمع‌آوری می‌کند. هنگام حرکت ماهواره در مدار، تصویربردار داده‌های جدید را ثبت می‌کند. پرتو نور ورودی توسط یک جداکنندهٔ نور به دو بخش تقسیم شده و روی دو مجموعهٔ مجزای حسگر در داخل ابزار متمرکز می‌شود؛ یک مجموعه برای باندهای مرئی و فروسرخ نزدیک (VNIR) و مجموعهٔ دیگر برای باندهای فروسرخ کوتاه‌موج (SWIR). جداسازی طیفی هر باند به طول‌موج‌های مشخص، توسط فیلترهای نواری نصب‌شده روی حسگرها انجام می‌شود.

طرح اپتیکی و ویژگی‌های میدان دید

طراحی اپتیکی تلسکوپ تصویربردار چندطیفی (MSI) به گونه‌ای است که میدان دیدی (FOV) به وسعت ۲۹۰ کیلومتر را پوشش می‌دهد. این یعنی ماهواره در هر بار عبور از منطقه‌ای، نواری به این عرض را تصویربرداری می‌کند.

سیستم شاتر و نقش آن

یک مکانیزم شاتر روی ابزار تعبیه شده که دو کار مهم انجام می‌دهد:

۱. در مدار، از تابش مستقیم نور خورشید به داخل ابزار جلوگیری می‌کند.
۲. هنگام پرتاب، از ورود هرگونه آلودگی به سیستم اپتیکی پیشگیری می‌نماید.

علاوه بر این، همین مکانیزم به عنوان ابزار کالیبراسیون (واسنجی) نیز عمل می‌کند. بدین ترتیب که نور خورشید پس از بازتاب از یک سطح پخش‌کننده (دیفیوزر)، جمع‌آوری شده و برای تنظیم و کالیبره کردن دقیق حسگرها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مدار

مدار ماهواره‌های سنتینل-۲ از نوع خورشیدآهنگ است که این نوع مدارها طوری طراحی شده‌اند و زاویۀ تابش نور خورشید به سطح زمین همواره ثابت بماند. به جز تغییرات فصلی کوچک، هماهنگی مدار ماهواره با زاویۀ خورشید باعث می‌شود که تأثیر سایه‌ها و میزان روشنایی سطح زمین به حداقل برسد. این ویژگی، یکنواختی داده‌ها را در طول زمان تضمین می‌کند و برای تحلیل سری‌های زمانی بسیار حیاتی است.

ماهواره‌های سنتینل-۲ همگی در یک مدار خورشیدآهنگ با چرخۀ تناوب ۱۰ روزه قرار دارند که ارتفاع متوسط مدار ۷۸۶ کیلومتر، زاویۀ انحراف مداری ۹۸٫۶۲ درجه، و زمان عبور از گره‌ی نزولی (هنگام حرکت از شمال به جنوب) ساعت ۱۰:۳۰ صبح به وقت خورشیدی محلی (MLST) است (در پیکربندی عادی عملیاتی). این زمان به عنوان یک نقطه‌ی تعادل بین روشنایی مناسب خورشید و کمترین میزان پوشش ابر انتخاب شده است. این ساعت نزدیک به زمان عبور ماهواره‌های لندست و تقریباً مشابه با زمان عبور ماهواره‌ی اسپات-۵ است. این هماهنگی امکان تلفیق داده‌های سنتینل-۲ با مأموریت‌های موجود و قدیمی را فراهم کرده و به جمع‌آوری داده‌های سری‌زمانی بلندمدت کمک می‌کند.

خلاصه اطلاعات مداری

جدول ۱: خلاصه اطلاعات مداری مفید برای ماهواره‌های سنتینل-۲

ارتفاع (Altitude)	زاویه انحراف مداری (Inclination)	دوره تناوب مداری (Period)	چرخه تکرار (Cycle)	انحراف مسیر زمینی (Ground-track deviation)	ساعت عبور از گره نزولی (Local Time at Descending Node)
۷۸۶ کیلومتر	۹۸٫۶۲ درجه	۱۰۰٫۶ دقیقه	۱۰ روز	± ۲ کیلومتر	۱۰:۳۰ صبح

در این مدار، دو ماهواره‌ی سنتینل‑۲بی و سنتینل‑۲سی با فاصله‌ی ۱۸۰ درجه از یکدیگر قرار دارند که در طول دوره‌ی عملیاتی توسعه‌یافته، سنتینل‑۲ای نیز با فاصله‌ی ۳۶ درجه نسبت به سنتینل‑۲بی قرار می‌گیرد، همان‌طور که در شکل ۳ نشان داده شده است.

فایل داده‌ای با فرمت KML که موقعیت ماهواره‌های سنتینل-۲ را در مدارهای نسبی خود در طول یک چرخهٔ کامل (شامل ۱۴۳ مدار) و با گام زمانی ۱۰ ثانیه نشان می‌دهد، در دسترس است. برای دانلود فایل KML مدارهای نسبی سنتینل-2 به لینک زیر مراجعه کنید:

دانلود فایل KML مدارهای نسبی سنتینل-۲

پوشش جغرافیایی

مأموریت سنتینل-۲ به طور منظم و برنامه‌ریزی‌ شده مناطق زیر را پوشش می‌دهد:

– تمام سطوح خشکی‌های قاره‌ای (شامل آب‌های داخلی) بین عرض‌های جغرافیایی ۵۶ درجه جنوبی تا ۸۲٫۸ درجه شمالی.
– کل آب‌های ساحلی تا فاصله‌ی ۲۰ کیلومتری از ساحل.
– تمامی جزایر بزرگ‌تر از ۱۰۰ کیلومتر مربع.
– همه جزایر متعلق به اتحادیه‌ی اروپا.
– دریای مدیترانه.
– تمام دریاهای بسته (مانند دریای خزر).

سناریوی تصویربرداری سنتینل-۲ شامل برداشت‌هایی بر اساس درخواست کشورهای عضو یا خدمات کوپرنیک نیز می‌شود (مانند قطب جنوب، خلیج بافین). شکل ۴ پوشش پیش‌بینی‌شده برای سناریوی پایه‌ی برداشت‌های ابزار MSI (با دو ماهواره در مدار) را نشان می‌دهد.

ابزار MSI (تصویربردار چندطیفی)

تصویربردار چندطیفی (MSI) از فناوری پوش بروم (push-broom) استفاده می‌کند. در این روش، سنسور به‌ صورت ردیفی و در سراسر پهنای نوار مداری، داده جمع‌آوری می‌کند و با حرکت رو به جلوی ماهواره در مسیر مدار، ردیف‌های جدیدی برای برداشت فراهم می‌شود. میانگین زمان برداشت برای مناطق خشکی و ساحلی حدود ۱۷ دقیقه و حداکثر زمان برداشت ۳۲ دقیقه است.

نوری که از سطح زمین و جو به سمت ابزار MSI بازتاب می‌شود، توسط یک تلسکوپ سه‌ آینه‌ای (M1، M2 و M3) جمع‌آوری شده و پس از عبور از یک جداکننده‌ی پرتو، روی دو مجموعه‌ی کانونی (FPA) متمرکز می‌شود: یکی برای ده باند مرئی و فروسرخ نزدیک (VNIR) و دیگری برای سه باند فروسرخ کوتاه‌موج (SWIR).

کالیبراسیون رادیومتریک ابزار MSI با استفاده از یک صفحه‌ی پخش‌کننده (دیفیوزر) که روی سطح داخلی مکانیزم ترکیبی کالیبراسیون و شاتر (CSM) نصب شده، انجام می‌شود (شکل ۸).

برای دستیابی به پهنای نوار موردنیاز (۲۹۰ کیلومتر)، هر دو مجموعه‌ی کانونی VNIR و SWIR از ۱۲ آشکارساز تشکیل شده‌اند که در دو ردیف افقی و به صورت پله‌ای (نردبانی) کنار هم قرار گرفته‌اند. جداسازی بیشتر باندهای مختلف در هر گروه (VNIR و SWIR) با استفاده از فیلترهای نواری که روی آشکارسازها قرار گرفته‌اند، انجام می‌شود. مجموعه‌ی کانونی VNIR در شکل ۹ نشان داده شده است.

طراحی ابزار MSI در ماهواره‌ی سنتینل-۲

طراحی ابزار MSI بر روی ماهواره‌ی سنتینل-۲ بر اساس نیاز به پهنای نوار وسیع و همچنین عملکرد بالای هندسی و طیفی شکل گرفته است. این ابزار، تابش بازتاب‌شده از زمین را در ۱۳ باند طیفی از محدوده‌ی مرئی تا فروسرخ کوتاه‌موج (SWIR) اندازه‌گیری می‌کند. اطلاعات بیشتر در بخش «قدرت تفکیک طیفی» ارائه شده است.

به‌طور دقیق‌تر، ابزار MSI از اجزای زیر تشکیل شده است:

۱. تلسکوپ سه‌آینه‌ای بدون انحراف (TMA):

با قطر مردمک معادل ۱۵۰ میلی‌متر که به‌صورت ایزواستاتیک روی سکوی ماهواره نصب شده تا تغییرات شکل ناشی از دما را به حداقل برساند. طراحی اپتیکی به‌گونه‌ای بهینه شده که بالاترین کیفیت تصویربرداری را در میدان دید بسیار وسیع خود ارائه دهد. پهنای نوار ۲۹۰ کیلومتری این ابزار، وسیع‌تر از مأموریت‌های قبلی مانند اسپات و لندست است. ساختار تلسکوپ و آینه‌ها از جنس کاربید سیلیسیوم ساخته شده‌اند که نسبت پایداری اپتیکی به وزن بالایی داشته و تغییرات حرارتی را به حداقل می‌رساند.

۲. دو مجموعه‌ی کانونی (Focal Planes):

– برای باندهای VNIR از آشکارسازهای یکپارچه‌ی CMOS استفاده شده است.
– برای باندهای SWIR از آشکارسازهای MCT (تلورید کادمیوم-جیوه) که روی مدار خوانش CMOS سوار شده‌اند (دمای مجموعه‌ی کانونی SWIR به‌صورت غیرفعال و زیر ۱۹۵ درجه‌ی کلوین کنترل می‌شود).

۳. جداکننده‌ی پرتو دوگانه (Dichroic Beam Splitter):

برای تفکیک نور ورودی به دو بخش VNIR و SWIR.

۴. فیلترهای نواری (Stripe Filters):

جداسازی طیفی در باندهای مختلف توسط فیلترهای نواری که روی آشکارسازها نصب شده‌اند، انجام می‌شود.

۵. دو آرایه‌ی مجزا از ۱۲ آشکارساز:

روی هر مجموعه‌ی کانونی (یکی برای VNIR و دیگری برای SWIR) قرار گرفته‌اند. این ۱۲ آشکارساز در هر مجموعه به‌صورت پله‌ای (نردبانی) چیده شده‌اند تا کل میدان دید پوشش داده شود.

۶. صفحه‌ی پخش‌کننده (دیفیوزر) درون‌مدار: برای کالیبراسیون رادیومتریک (واسنجی شدت تابش) در کل میدان و کل مردمک، تا کیفیت بالای عملکرد رادیومتریک تضمین شود.

۷. مکانیزم شاتر:

که از تابش مستقیم خورشید به درون ابزار جلوگیری می‌کند. این مکانیزم همچنین به عنوان ابزار کالیبراسیون با جمع‌آوری نور خورشید پس از بازتاب از صفحه‌ی پخش‌کننده (دیفیوزر) استفاده می‌شود.

دوازده آشکارساز روی هر مجموعه‌ی کانونی به‌صورت پله‌ای (نردبانی) کنار هم قرار گرفته‌اند (شکل ۱۱) تا کل میدان دید ۲۰٫۶ درجه‌ای ابزار را پوشش دهند. در نتیجه، پهنای نوار ترکیبی معادل ۲۹۰ کیلومتر بر روی مسیر زمینی حاصل می‌شود.

چینش پله‌ای آشکارسازها

همان‌طور که در شکل ۱۲ نشان داده شده، به دلیل چینش پله‌ای آشکارسازها روی مجموعه‌های کانونی، زاویه‌ی منظر (پارالاکس) بین دو دسته‌ی فرد و زوج آشکارسازها در اندازه‌گیری‌ها ایجاد می‌شود که باعث جابه‌جایی در امتداد مسیر مداری به میزان حداکثر ۴۶ کیلومتر بین آشکارسازها می‌شود. به‌علاوه، طراحی سخت‌افزاری آشکارسازهای VNIR و SWIR به گونه‌ای است که هر حسگر باند طیفی نسبت به سایرین درون آشکارساز، دارای جابه‌جایی نسبی است. این مسئله منجر به ایجاد اختلاف منظر بین باندها می‌شود که حداکثر جابه‌جایی در امتداد مسیر مداری را به میزان حدود ۱۴ کیلومتر به همراه دارد.

به دلیل چیدمان هندسی خاص مجموعه‌ی کانونی، هر یک از باندهای طیفی ابزار MSI، سطح زمین را در زمان‌های متفاوتی مشاهده می‌کنند. توجه داشته باشید که روش‌شناسی جدیدی برای محاسبه‌ی دقیق اختلاف زمانی بین باندهای تصویری و به‌ازای هر آشکارساز، برای محصولات سطح L1C و سطوح بالاتر (که عمدتاً به دلیل پویایی امواج، در کاربردهای دریایی مفید است)، بر اساس محصولات سطح L1B ارائه شده است. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً به مقاله زیر مراجعه کنید:

Binet, R., Bergsma, E., and Poulain, V.: ACCURATE SENTINEL-2 INTER-BAND TIME DELAYS, ISPRS Ann. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., V-1-2022, 57–66, https://doi.org/10.5194/isprs-annals-V-1-2022-57-2022 , 2022

جدول ۳: اطلاعات طیفی و نسبت سیگنال به نویز (SNR) مربوط به هر باند برای S2A و S2B

شماره باند	S2A		S2B		Radiance sensibility range Lmin < Lref < Lmax (W.m-2.sr-1.µm-1)محدودهٔ حساسیت رادیانس	SNR @ Lref
	طول موج معادل (نانومتر)	پهنای باند (نانومتر)	طول موج معادل (نانومتر)	پهنای باند (نانومتر)
1	442.7	21	442.3	20	15.97 < 129.11 <587.87	129
2	492.7	65	492.3	65	11.70 < 128.00 < 615.48	154
3	559.9	35	559.0	35	6.49 < 128.00 < 559.01	168
4	664.6	31	664.9	31	3.31 < 108.00 < 484.13	142
5	704.1	15	703.8	14	2.61 < 74.60 < 449.55	117
6	740.5	13	739.1	14	2.06 < 68.23 < 412.92	89
7	782.8	19	779.7	20	1.67 < 66.70 < 387.08	105
8	832.8	118	832.9	115	0.95 < 103.00 < 307.80	174
8a	864.7	20	864.0	21	0.95 < 52.39 < 307.80	72
9	945.1	20	943.2	19	0.51 < 8.77 < 232.91	114
10	1373.5	29	1376.9	29	0.06 < 6.00 < 45.00	50
11	1613.7	89	1610.4	93	0.40 < 4.00 < 69.78	100
12	2202.4	180	2185.7	181	0.10 < 1.70 < 24.60	100

جدول ۴: اطلاعات طیفی و نسبت سیگنال به نویز (SNR) مربوط به هر باند برای S2C

شماره باند	S2C		Radiance sensibility range Lmin < Lref < Lmax (W.m-2.sr-1.µm-1)محدودهٔ حساسیت رادیانس	SNR @ Lref
	طول موج معادل (نانومتر)	پهنای باند (نانومتر)
1	444.2	20	15.97 < 129.11 < 587.87	894
2	489.1	65	11.70 < 128.00 < 615.48	162
3	560.6	35	6.49 < 128.00 < 559.01	189
4	666.5	31	3.31 < 108.00 < 484.13	175
5	707.1	16	2.61 < 74.60 < 449.55	192
6	741.1	16	2.06 < 68.23 < 412.92	169
7	784.7	20	1.67 < 66.70 < 387.08	161
8	834.6	114	0.95 < 103.00 < 307.80	174
8a	865.6	20	0.95 < 52.39 < 307.80	117
9	947.2	20	0.51 < 8.77 < 232.91	135
10	1372.2	33	0.06 < 6.00 < 45.00	301
11	1612.0	90	0.40 < 4.00 < 69.78	133
12	2191.3	181	0.10 < 1.70 < 24.60	141

تمام جزئیات مربوط به پاسخ‌های طیفی اندازه‌گیری‌شده برای هر باند، در سند توابع پاسخ طیفی سنتینل‑۲ (S2‑SRF) ارائه شده است:
https://sentiwiki.copernicus.eu/web/document-library#Technical-Documentation.1

رزولوشن رادیومتریک (Radiometric Resolution)

منبع: https://sentiwiki.copernicus.eu/web/s2-mission

دانلود نمونه تصویر سنتینل 2

برای دانلود نمونه تصاویر سنتینال 2 به این صفحه مراجعه نمایید: https://comv.ir/product/sentinel-2-satellite-image-iran