哨兵 2 号任务三星星座的优势——运行一周年以来

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Benefits of the Sentinel-2 mission triplet constellation – one year on

　　

摘要

在哥白尼哨兵-2A卫星延长运行超过一周年且任务延期至2026年底的背景下，我们首次对其为哨兵-2任务带来的增量价值进行了定量且全球一致的评估。通过对无云、无阴影、无雪覆盖（即"可用"）观测数据的像元级概览，我们发现，尽管时空覆盖范围有所减少，但哨兵-2A在2025年3月至2026年3月期间新增的数据获取在全球尺度上使哨兵-2可用观测的平均数量增加了6.6次（相较于哨兵-2B和-2C基线提升了20.81%）。在大陆尺度上，哨兵-2A对哨兵-2任务数据池的提升最显著的地区是非洲，平均新增超过13次获取（增幅超过34%），并将平均数据间隔缩短了三天使。在欧洲，哨兵-2A平均增加了8.54次可用观测（增幅超过33%），并将平均数据间隔从19.51天缩短至16.87天。值得注意的是，在哨兵-2B和-2C基线中时序保真度系统性较低的区域（特别是轨道重叠区以外的地区），哨兵-2A观测数据的相对重要性最高。在全球尺度上，哨兵-2A为仅能获取单一轨道数据的区域提升了超过31%的数据可用性（仅在欧洲就提升了51%）。总体而言，我们的结果证明，哨兵-2三星星座在提升哨兵-2任务的时序保真度方面具有可衡量的改善效果，从而可能提升面向监测和管理陆地生态系统以及支撑欧盟气候、农业政策和可持续发展目标的哥白尼下游产品和业务服务的质量。

引言

欧盟委员会哥白尼计划的哨兵-2任务自2015年起提供10–20米分辨率的多光谱光学数据（Drusch等，2012），并实行"自由、完整、开放的数据政策"（European Commission，2011）。该任务的设计方案是由两颗宽幅双星在同一轨道上飞行，赤道地区的重访周期为5天，在中纬度地区则缩短至1–2天（Li和Chen，2020）。初始星座由哨兵-2A（2015年12月起运行）和哨兵-2B（2017年6月起运行）组成，凭借其先进的空间、光谱和时序分辨率，已被广泛用于从局部到全球尺度的土地覆盖和土地利用监测（Brown等，2022；Phiri等，2020）。由于每颗哨兵-2平台的预期使用寿命约为十年，哨兵-2C于2024年9月入轨，以自2025年1月起无缝接替哨兵-2A。然而，由于自发射以来，哨兵-2A在辐射和光谱性能方面未表现出任何可能影响数据质量的退化迹象（S2 MSI ESL团队，2026），欧洲空间局（ESA），在遥感社区的呼吁之下（CESBIO，2024），决定延长哨兵-2A的运行时间（Copernicus，2025a）。

得益于哨兵-2A卫星运行延长一年的决定，哥白尼哨兵-2卫星任务自2025年3月中旬起已拥有三颗在轨运行的平台（Copernicus，2025b）。在此三星配置下，哨兵-2A补充了哨兵-2B和-2C基线星座的运作，弥补了其因运行限制而在空间和时间覆盖上的不足，尤其是在欧洲以外及某些其他地区（Copernicus，2026b；图S1）。尽管2026年4月哨兵-2A的运行时间进一步延长至2026年底（Copernicus，2026b），但长期维持三星座的配置计划仍存在不确定性。

哨兵-2任务支持科学研究以及广泛的业务服务和应用（Lefteris等，2024）。然而，尽管由于初始双星构型具有较高的重访频率，但由于区域大气条件的限制，某些应用仍面临像素级无云观测数据不足的挑战（Gao和Zhang，2021；Main-Knorn等，2026；Watzig等，2023）。哨兵-2与Landsat的协同使用可以提供增强的时序分辨率，有利于放牧检测（Griffiths等，2020；Schwieder等，2022，2026）、土地覆盖分类（Griffiths等，2019）以及作物类型识别（Blickensd?rfer等，2022a；Johnson和Mueller，2021）等应用。然而，Landsat较低的空间和光谱分辨率意味着其与哨兵-2的协调处理并不简单，通常需要降低哨兵-2数据的质量。因此，自2025年3月中旬起运行的试验性哨兵-2三星座提供了一个独特的机会，用于评估在保持任务光谱和空间特性的前提下更高时序分辨率所带来的增量价值。此外，它也为预览三星配置提供了机会，以应对即将到来的未来任务，如Landsat Next（Portela等，2025）和哨兵-2 NG。

尽管三星座获取的哨兵-2影像总数已被用来展示任务延长运行的价值（图1，图S1），但仅凭这一指标并不能反映额外数据的实际应用增量价值。因此，本文聚焦于在实际大气约束条件下的有效观测密度，以像元级可用观测（即无云、无阴影、无雪覆盖）为目标。为了评估哨兵-2A是否提供了任务延期所带来的定量和定性改善，以及是否以及如何增强下游应用的时序分辨率，我们：

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  在全球和欧洲尺度上，评估每颗哨兵-2卫星在2025年3月15日至2026年3月间一个完整年度内获取的无云、无阴影、无雪覆盖数据（以下简称"可用观测"）的数量。我们比较了单日观测以及5天、10天和月度等距复合数据的数据可用性，量化了哨兵-2A相对于哨兵-2B和-2C基线的独有可用观测数量，并计算了双星和三星星座配置下的平均数据间隔长度。
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  评估利用全部三颗哨兵-2卫星获取的数据与仅使用哨兵-2B和-2C基线数据为法国和德国生成的标准国家级植被监测产品的质量差异。
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  指出哨兵-2A观测数据显著增强时序分辨率从而支持扰动检测和监测的典型案例。

章节摘要

哨兵-2数据可用性

我们使用了2025年3月15日至2026年3月31日期间获取的哨兵-2顶层大气反射率Level-1C影像数据，以评估可用数据的可获得性并展示哨兵-2A数据获取如何增强陆地制图和监测的时序分辨率。数据通过Google Earth Engine（Gorelick等，2017）在2025年9月至2026年7月期间获取。由于哨兵-2 Level-2A质量掩膜已知精度较低（Baetens等，2019；Coluzzi等，

全球数据可用性

在2025年3月15日至2026年3月14日期间，哨兵-2三星座共获取了最多157个（平均37.56个，中位数32个，标准差=26.3；表S2）像元级可用观测（图2c，表S2）。仅哨兵-2A就贡献了最多37个（平均6.6个，中位数6个，标准差=6.05；图2a–表S2）独有观测，与哨兵-2B和-2C基线的获取数据池（平均30.97个，中位数26个，标准差=21.96；图2b）相比，在全球数据可用性方面确保了平均近21%的提升。

讨论

2025年3月至2026年3月间哨兵-2数据获取的空间和时间异质性非常高。数据池主要由任务设计与气象条件的共同作用所塑造。此外，哨兵-2A数据获取的可用性遵循了延长运行的获取计划，主要集中于欧洲和热带地区（Copernicus，2026a）。总体而言，这在大陆尺度上以及区域和局部尺度上造成了差异。

结论

我们的分析量化了2025年3月至2026年3月哨兵-2A延长运行期间获取的无云、无阴影、无雪覆盖数据量。尽管其获取方案有所缩减，哨兵-2A仍大幅提升了任务的可用数据池，促进了更短的重访周期、更短的数据间隔和更高的系统时序密度。哨兵-2三星座的优势在包含于高频

作者贡献声明

Katarzyna Ewa Lewińska：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，调查研究，形式分析，数据整理，概念化。Olivier Hagolle：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，形式分析，数据整理。Ferran Gascon：撰写——审阅与编辑，可视化。Patrick Griffiths：撰写——审阅与编辑。Ulf Leser：撰写——审阅与编辑，项目管理，经费获取。Patrick Hostert：

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利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本文所呈献的研究由德国研究基金会（DFG，German Research Foundation）资助，项目编号414984028——SFB 1404 FONDA。我们感谢两位匿名审稿人，其意见提升了论文质量。我们感谢洪堡大学开放获取出版基金（Humboldt-Universit?t zu Berlin）的支持。

Katarzyna Ewa Lewińska|Olivier Hagolle|Ferran Gascon|Patrick Griffiths|Ulf Leser|Patrick Hostert

地理学系，洪堡大学柏林分校，Unter den Linden 6号，柏林，10099，德国