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# Sentinel 数据与精密轨道下载管理系统设计
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## 目标
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把当前命令行下载器扩展成一个本地化的 Sentinel-1 数据管理系统。系统需要支持按行政区、手绘范围、bbox、GeoJSON/WKT 查询影像，选择下载任务，自动下载 Sentinel-1 数据和对应精密轨道文件，并长期管理任务、文件、状态和日志。
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第一阶段重点服务 Sentinel-1 SLC/GRD 数据和 `AUX_POEORB` 精密轨道；后续架构保留接入 Sentinel-2/3、Copernicus Data Space、批量处理流程的空间。
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## 当前基础
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已有能力：
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- `s1-dl search`：通过 ASF Search 按 AOI 和时间查询 Sentinel-1。
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- `s1-dl download`：查询后下载 Sentinel-1 产品，并下载匹配轨道。
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- `s1-dl orbits`：为已有场景名、`.zip`、`.SAFE` 补下载轨道。
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- Python 环境由 `uv` 管理。
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项目下已有 `全国行政区.geojson`：
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- 文件大小约 53MB。
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- 顶层类型为 `FeatureCollection`。
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- 要素数：477。
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- 常见属性：`adcode`、`name`、`center`、`centroid`、`childrenNum`、`level`、`parent`、`acroutes`、`treeID`。
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- `level` 分布：多数为 `city`，少量 `district`，省级要素不完整。
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- 牡丹江市要素：`adcode=231000`、`name=牡丹江市`、`level=city`、`parent.adcode=230000`。
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- 牡丹江市边界范围：`128.232144,43.425798,131.310629,45.9875`。
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设计结论：不能每次页面加载都直接解析 53MB GeoJSON。应在首次启动或数据更新时导入 SQLite，建立行政区索引、bbox、简化 WKT，并用内置省份 adcode 表补齐省级树。
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## 产品形态
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推荐形态：本地 Web 管理器 + 保留 CLI。
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```text
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浏览器页面
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区域选择、地图查看、查询条件、结果表格、任务监控
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FastAPI 后端
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行政区查询、ASF 查询、下载任务、轨道匹配、文件管理
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SQLite 数据库
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项目、AOI、搜索任务、场景、下载记录、日志、设置
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文件仓库
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Sentinel-1 zip、轨道 EOF、manifest、任务日志
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CLI
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保留自动化和批处理入口，复用后端 service 层
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```
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前端建议使用 Vite + React + TypeScript + Leaflet/MapLibre；后端使用 FastAPI + SQLAlchemy/SQLModel + SQLite。这样后端仍是 Python，能复用现有 ASF 和轨道下载逻辑；前端只负责交互和展示。
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如果要先快速交付，也可以用 Streamlit 做 MVP。但作为长期项目，FastAPI + 独立前端更适合任务状态、日志、地图交互和后续扩展。
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## 核心流程
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### 1. 首次启动
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1. 检查 `app.db` 是否存在。
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2. 检查行政区索引版本。
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3. 如果未导入，读取 `全国行政区.geojson`。
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4. 为每个要素计算：
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- 原始 GeoJSON 几何。
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- bbox。
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- 中心点。
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- 原始 WKT。
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- 查询用简化 WKT。
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- 几何 hash。
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5. 根据 `parent.adcode` 和内置省份表生成省-市-区县树。
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6. 写入 `regions` 表。
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### 2. 创建项目
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用户创建一个项目，例如：
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```text
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项目名：牡丹江积雪/形变数据
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数据根目录：D:\Sentinel\Mudanjiang
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默认产品：SLC
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默认波束：IW
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默认下载并发：4
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```
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项目用于隔离任务、下载目录和 manifest。
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### 3. 选择 AOI
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支持四种来源：
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- 行政区：省/市/区县选择，例如 `黑龙江省 -> 牡丹江市`。
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- bbox：输入 `min_lon,min_lat,max_lon,max_lat`。
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- 上传文件：GeoJSON/WKT。
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- 地图绘制：画矩形或多边形。
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对于行政区 AOI，系统默认使用行政区边界的简化 WKT 查询 ASF。页面允许切换：
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- 精确边界：减少周边误匹配，但 WKT 更长。
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- 简化边界：默认推荐。
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- bbox：速度快，但会包含边界外数据。
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### 4. 查询 Sentinel-1
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用户设置：
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- 时间范围。
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- 产品级别：`SLC`、`GRD_HD`、`GRD_MD`、`OCN`。
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- 波束：默认 `IW`。
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- 升降轨：`ASCENDING` / `DESCENDING` / 不限。
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- 极化：`VV`、`VH`、`VV+VH` 等。
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- 相对轨道号：可选。
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- 最大结果数。
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后端调用 ASF Search，结果写入：
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- `search_jobs`
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- `scenes`
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- `job_scenes`
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前端展示可筛选表格：
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- 场景名。
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- 开始/结束时间。
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- 卫星：S1A/S1B/S1C/S1D。
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- 产品级别。
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- 升降轨。
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- 相对轨道。
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- 极化。
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- 文件大小。
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- 是否已有本地产品。
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- 是否已有轨道。
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### 5. 创建下载任务
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用户勾选场景后创建下载任务。任务分三段：
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1. 产品下载。
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2. 轨道下载。
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3. 文件核查和状态归档。
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下载任务需要支持：
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- 暂停。
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- 取消。
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- 失败重试。
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- 跳过已存在文件。
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- 单独补轨道。
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- 只查询不下载。
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- 只下载轨道。
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### 6. 下载数据
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产品下载通过 ASF Session 使用 NASA Earthdata 账号。账号密码不写入数据库明文，优先使用：
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- 环境变量：`EARTHDATA_USER`、`EARTHDATA_PASS`。
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- Windows Credential Manager/keyring。
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- 页面临时输入，只保存在内存 session。
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下载目录按项目和任务组织：
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```text
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<data_root>\
|
||
projects\
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<project_slug>\
|
||
jobs\
|
||
<job_id>_<area>_<start>_<end>\
|
||
data\
|
||
S1A_....zip
|
||
orbits\
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||
S1A_OPER_AUX_POEORB_....EOF
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manifest.csv
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manifest.json
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logs\
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job.log
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||
```
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||
同一个场景如果已在仓库里存在，系统通过 `scene_id` 和文件路径复用，不重复下载。
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### 7. 下载精密轨道
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||
轨道不是按位置查询，而是按 Sentinel-1 场景名匹配：
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```text
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||
场景名 -> 卫星平台 + 成像时间 -> AUX_POEORB EOF
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```
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系统行为：
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||
- 默认优先 `AUX_POEORB`。
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||
- 如果精密轨道暂不可用，可允许回退 `AUX_RESORB`，并在 UI 中明确标记。
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||
- 轨道下载失败不应阻断已下载产品，但任务状态应显示 `产品完成 / 轨道失败`。
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||
- 支持后续“一键补齐精密轨道”。
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## 系统架构
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### 后端模块
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建议目录：
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```text
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src/sentinel_orbit_downloader/
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api/
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app.py # FastAPI app
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routes_regions.py
|
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routes_projects.py
|
||
routes_search.py
|
||
routes_downloads.py
|
||
schemas.py # API DTO
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||
core/
|
||
config.py # 路径、并发、凭据配置
|
||
paths.py # 文件目录规范
|
||
logging.py
|
||
domain/
|
||
enums.py
|
||
models.py # 领域对象，不绑定数据库
|
||
services/
|
||
region_catalog.py # 行政区导入和查询
|
||
aoi.py # AOI 转换、简化、bbox
|
||
asf_client.py # ASF 查询和下载适配
|
||
orbit_client.py # s1-orbits 适配
|
||
download_manager.py # 下载编排
|
||
job_runner.py # 后台任务执行
|
||
inventory.py # 本地文件扫描和去重
|
||
storage/
|
||
db.py
|
||
orm.py
|
||
repositories.py
|
||
migrations/
|
||
cli.py # 继续保留 CLI，调用 services
|
||
```
|
||
|
||
前端建议目录：
|
||
|
||
```text
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||
frontend/
|
||
package.json
|
||
src/
|
||
api/
|
||
components/
|
||
pages/
|
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styles/
|
||
```
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### 数据库模型
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#### settings
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||
保存本地配置。
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| 字段 | 说明 |
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| --- | --- |
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| key | 配置名 |
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| value | 配置值 |
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| updated_at | 更新时间 |
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#### regions
|
||
|
||
行政区索引。
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||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
||
| --- | --- |
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||
| adcode | 行政区代码 |
|
||
| name | 名称 |
|
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| level | `country/province/city/district/custom` |
|
||
| parent_adcode | 父级代码 |
|
||
| province_adcode | 省级代码 |
|
||
| center_lon/center_lat | 中心点 |
|
||
| min_lon/min_lat/max_lon/max_lat | bbox |
|
||
| geometry_json | 原始几何 |
|
||
| wkt | 原始 WKT |
|
||
| simplified_wkt | ASF 查询用简化 WKT |
|
||
| geometry_hash | 几何 hash |
|
||
|
||
#### projects
|
||
|
||
用户项目。
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||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
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| --- | --- |
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| id | 项目 ID |
|
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| name | 项目名 |
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| slug | 目录友好名称 |
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| data_root | 数据根目录 |
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||
| description | 说明 |
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| created_at/updated_at | 时间 |
|
||
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||
#### aois
|
||
|
||
项目 AOI。
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||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
||
| --- | --- |
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||
| id | AOI ID |
|
||
| project_id | 项目 ID |
|
||
| name | AOI 名称 |
|
||
| source_type | `region/bbox/upload/drawn` |
|
||
| region_adcode | 可选行政区代码 |
|
||
| wkt | 查询 WKT |
|
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| bbox | bbox |
|
||
| geometry_json | 几何 |
|
||
| simplification_tolerance | 简化参数 |
|
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|
||
#### search_jobs
|
||
|
||
一次查询任务。
|
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|
||
| 字段 | 说明 |
|
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| --- | --- |
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||
| id | 查询 ID |
|
||
| project_id | 项目 ID |
|
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| aoi_id | AOI ID |
|
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| start_time/end_time | 查询时间范围 |
|
||
| processing_level | 产品级别 |
|
||
| beam_mode | 波束 |
|
||
| flight_direction | 升降轨 |
|
||
| polarization | 极化 |
|
||
| relative_orbit | 相对轨道 |
|
||
| max_results | 最大结果 |
|
||
| status | `pending/running/succeeded/failed/canceled` |
|
||
| result_count | 结果数 |
|
||
| error_message | 错误 |
|
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| created_at/finished_at | 时间 |
|
||
|
||
#### scenes
|
||
|
||
ASF 场景主表。
|
||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
||
| --- | --- |
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| scene_id | Sentinel-1 场景名 |
|
||
| platform | S1A/S1B/S1C/S1D |
|
||
| start_time/stop_time | 成像时间 |
|
||
| processing_level | 产品级别 |
|
||
| beam_mode | 波束 |
|
||
| flight_direction | 升降轨 |
|
||
| polarization | 极化 |
|
||
| relative_orbit | 相对轨道 |
|
||
| size_bytes | 文件大小 |
|
||
| download_url | ASF 下载 URL |
|
||
| geometry_json | 场景 footprint |
|
||
| properties_json | ASF 原始属性 |
|
||
|
||
#### job_scenes
|
||
|
||
查询任务和场景的关系。
|
||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
||
| --- | --- |
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||
| job_id | 查询 ID |
|
||
| scene_id | 场景 ID |
|
||
| selected | 用户是否选择下载 |
|
||
| product_status | 产品下载状态 |
|
||
| orbit_status | 轨道下载状态 |
|
||
| product_path | 本地产品路径 |
|
||
| orbit_path | 本地轨道路径 |
|
||
|
||
#### downloads
|
||
|
||
下载记录。
|
||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
||
| --- | --- |
|
||
| id | 下载 ID |
|
||
| job_id | 任务 ID |
|
||
| scene_id | 场景 ID |
|
||
| kind | `product/orbit` |
|
||
| status | `queued/running/succeeded/failed/skipped/canceled` |
|
||
| url | 下载 URL |
|
||
| path | 本地路径 |
|
||
| bytes_total/bytes_done | 进度 |
|
||
| attempt_count | 尝试次数 |
|
||
| error_message | 错误 |
|
||
| started_at/finished_at | 时间 |
|
||
|
||
#### job_events
|
||
|
||
任务日志。
|
||
|
||
| 字段 | 说明 |
|
||
| --- | --- |
|
||
| id | 日志 ID |
|
||
| job_id | 任务 ID |
|
||
| level | `info/warning/error` |
|
||
| message | 日志内容 |
|
||
| created_at | 时间 |
|
||
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||
## API 设计
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||
### 行政区
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||
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```text
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||
GET /api/regions/tree
|
||
GET /api/regions/search?q=牡丹江
|
||
GET /api/regions/{adcode}
|
||
GET /api/regions/{adcode}/geometry?simplified=true
|
||
POST /api/regions/reindex
|
||
```
|
||
|
||
### 项目和 AOI
|
||
|
||
```text
|
||
GET /api/projects
|
||
POST /api/projects
|
||
GET /api/projects/{id}
|
||
PATCH /api/projects/{id}
|
||
DELETE /api/projects/{id}
|
||
|
||
GET /api/projects/{id}/aois
|
||
POST /api/projects/{id}/aois
|
||
```
|
||
|
||
### 查询
|
||
|
||
```text
|
||
POST /api/search-jobs
|
||
GET /api/search-jobs/{id}
|
||
GET /api/search-jobs/{id}/scenes
|
||
POST /api/search-jobs/{id}/select-scenes
|
||
```
|
||
|
||
### 下载
|
||
|
||
```text
|
||
POST /api/download-jobs
|
||
GET /api/download-jobs/{id}
|
||
GET /api/download-jobs/{id}/events
|
||
POST /api/download-jobs/{id}/pause
|
||
POST /api/download-jobs/{id}/resume
|
||
POST /api/download-jobs/{id}/cancel
|
||
POST /api/download-jobs/{id}/retry
|
||
POST /api/scenes/{scene_id}/download-orbit
|
||
```
|
||
|
||
### 系统状态
|
||
|
||
```text
|
||
GET /api/health
|
||
GET /api/settings
|
||
PUT /api/settings
|
||
GET /api/inventory/scan
|
||
```
|
||
|
||
## 前端页面设计
|
||
|
||
### 页面 1：首页 / 仪表盘
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||
显示：
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||
- 项目列表。
|
||
- 最近查询任务。
|
||
- 最近下载任务。
|
||
- 下载成功/失败数量。
|
||
- 数据目录占用。
|
||
- 凭据状态和 ASF 连通性。
|
||
|
||
### 页面 2：项目详情
|
||
|
||
显示：
|
||
|
||
- 项目信息。
|
||
- AOI 列表。
|
||
- 历史任务。
|
||
- 本地数据清单。
|
||
- 一键新建查询。
|
||
|
||
### 页面 3：新建查询
|
||
|
||
布局：
|
||
|
||
```text
|
||
左侧：区域选择和查询参数
|
||
右侧：地图
|
||
底部：查询按钮和参数摘要
|
||
```
|
||
|
||
区域选择：
|
||
|
||
- 省份下拉。
|
||
- 城市下拉。
|
||
- 搜索框：输入 `牡丹江` 可以直接定位。
|
||
- 上传 GeoJSON。
|
||
- bbox 输入。
|
||
- 地图绘制。
|
||
|
||
查询参数：
|
||
|
||
- 时间范围。
|
||
- 产品类型。
|
||
- 波束。
|
||
- 升降轨。
|
||
- 极化。
|
||
- 相对轨道。
|
||
- 最大结果数。
|
||
|
||
### 页面 4：查询结果
|
||
|
||
功能：
|
||
|
||
- 表格排序、筛选、勾选。
|
||
- 地图显示选中场景 footprint。
|
||
- 显示本地文件存在状态。
|
||
- 下载选中产品。
|
||
- 只下载轨道。
|
||
- 导出 manifest。
|
||
|
||
### 页面 5：下载任务
|
||
|
||
功能：
|
||
|
||
- 进度条。
|
||
- 当前下载文件。
|
||
- 产品状态。
|
||
- 轨道状态。
|
||
- 失败原因。
|
||
- 暂停/取消/重试。
|
||
- 打开本地目录。
|
||
|
||
### 页面 6：数据仓库
|
||
|
||
功能：
|
||
|
||
- 按项目、区域、时间、产品类型筛选本地数据。
|
||
- 查看每景产品和轨道是否匹配。
|
||
- 补下载缺失轨道。
|
||
- 删除任务记录但保留文件。
|
||
- 扫描外部已有数据入库。
|
||
|
||
## 文件和命名规范
|
||
|
||
项目目录：
|
||
|
||
```text
|
||
<data_root>\
|
||
app.db
|
||
app.log
|
||
regions\
|
||
regions_index_version.json
|
||
projects\
|
||
<project_slug>\
|
||
project.json
|
||
aois\
|
||
jobs\
|
||
<job_id>_<area_slug>_<date_range>\
|
||
data\
|
||
orbits\
|
||
manifests\
|
||
logs\
|
||
```
|
||
|
||
任务目录名示例：
|
||
|
||
```text
|
||
000001_mudanjiang_20240101_20240301_s1_slc
|
||
```
|
||
|
||
manifest：
|
||
|
||
- `manifest.csv`：给用户打开查看。
|
||
- `manifest.json`：完整机器可读版本。
|
||
|
||
## 状态机
|
||
|
||
查询任务：
|
||
|
||
```text
|
||
pending -> running -> succeeded
|
||
-> failed
|
||
-> canceled
|
||
```
|
||
|
||
下载任务：
|
||
|
||
```text
|
||
queued -> running -> succeeded
|
||
-> partial_failed
|
||
-> failed
|
||
-> paused
|
||
-> canceled
|
||
```
|
||
|
||
单文件下载：
|
||
|
||
```text
|
||
queued -> running -> succeeded
|
||
-> skipped
|
||
-> failed
|
||
-> canceled
|
||
```
|
||
|
||
产品和轨道状态分开记录。一个任务可以是：
|
||
|
||
```text
|
||
产品全部成功，轨道部分失败
|
||
```
|
||
|
||
这种情况应显示为 `partial_failed`，并允许单独补轨道。
|
||
|
||
## 关键工程决策
|
||
|
||
### 行政区边界处理
|
||
|
||
`全国行政区.geojson` 不作为运行时主数据源，而是导入源。导入后使用 SQLite 查询。
|
||
|
||
对于 ASF 查询，默认使用 `simplified_wkt`。原因：
|
||
|
||
- 原始边界可能很长。
|
||
- ASF 对复杂 WKT 查询更慢。
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- Sentinel-1 景幅较大，过细边界通常没有必要。
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简化参数建议：
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- 默认 tolerance：`0.01` 度。
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- 牡丹江市原始 WKT 约 10755 字符，`0.01` 简化后约 5694 字符。
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- 用户可在高级设置中切换为原始边界或 bbox。
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### 下载幂等
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任何下载开始前先检查：
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- 数据库中是否已有该 `scene_id`。
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- 本地目标文件是否存在。
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- 文件大小是否合理。
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- 已有轨道是否覆盖该场景时间。
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存在则标记 `skipped`，避免重复下载。
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### 凭据
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不把 Earthdata 密码明文写入 SQLite。
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第一版：
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- 支持环境变量。
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- 支持页面临时输入。
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第二版：
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- 接入 `keyring`，在 Windows 上使用凭据管理器。
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### 后台任务
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本地单用户应用可以先用进程内任务队列：
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- `asyncio.Queue` 或 `ThreadPoolExecutor`。
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- 下载任务串行调度，单任务内部并发下载。
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- 任务状态写 SQLite。
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以后如果需要更强任务管理，再接入 RQ/Celery，但第一版不需要。
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## 实现阶段
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### 阶段 1：服务层重构
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目标：把现有 CLI 逻辑拆成可复用 service。
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任务：
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- 新增 `services/asf_client.py`。
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- 新增 `services/orbit_client.py`。
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- 新增 `services/aoi.py`。
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- CLI 改为调用 service。
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- 保持现有 CLI 行为不变。
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- 增加基础单元测试。
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验收：
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- `uv run s1-dl search` 仍可用。
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- `uv run s1-dl download` 仍可用。
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- `uv run s1-dl orbits` 仍可用。
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### 阶段 2：行政区索引
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目标：支持从 `全国行政区.geojson` 快速检索牡丹江等行政区。
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任务：
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- 新增 SQLite。
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- 新增 `regions` 表。
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- 新增导入命令：`s1-dl regions import 全国行政区.geojson`。
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- 新增搜索命令：`s1-dl regions search 牡丹江`。
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- 新增导出 AOI 命令：`s1-dl regions export 231000 --format wkt`。
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验收：
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- 能查到 `牡丹江市 adcode=231000`。
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- 能用 `231000` 直接发起查询。
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### 阶段 3：项目和任务数据库
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目标：所有查询和下载有记录可追踪。
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任务：
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- 新增 `projects`、`aois`、`search_jobs`、`scenes`、`job_scenes`、`downloads`、`job_events`。
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- 查询结果入库。
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- 下载结果入库。
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- 生成规范目录和 manifest。
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验收：
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- 查询牡丹江后，数据库可看到任务和场景。
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- 下载后，数据库记录产品和轨道路径。
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### 阶段 4：FastAPI 后端
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目标：提供本地 Web API。
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任务：
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- 新增 `api/app.py`。
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- 实现行政区、项目、查询、下载接口。
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- 提供 Swagger 文档。
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- 提供 `uv run s1-web` 启动命令。
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验收：
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- `http://127.0.0.1:8000/docs` 可访问。
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- API 能返回牡丹江边界和查询结果。
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### 阶段 5：前端 MVP
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目标：页面完成主要流程。
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任务：
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- 项目列表。
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- 行政区选择。
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- 地图显示边界。
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- 查询表单。
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- 查询结果表格。
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- 创建下载任务。
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- 下载任务进度页。
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验收：
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- 用户能在页面选择 `黑龙江省 -> 牡丹江市`。
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- 设置时间范围。
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- 查询 Sentinel-1。
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- 勾选场景并下载数据和轨道。
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### 阶段 6：管理和增强
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目标：长期可用。
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任务：
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- 文件仓库扫描。
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- 缺失轨道补齐。
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- 失败重试。
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- 任务日志查看。
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- keyring 凭据管理。
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- 导出任务报告。
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- 支持 Copernicus Data Space 作为备用数据源。
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## 牡丹江市示例流程
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1. 用户打开本地页面。
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2. 进入项目 `牡丹江 Sentinel-1 数据`。
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3. 选择行政区：
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```text
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黑龙江省 -> 牡丹江市
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```
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4. 设置：
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```text
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时间：2024-01-01 至 2024-03-01
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产品：SLC
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波束：IW
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升降轨：不限
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极化：不限
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```
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5. 点击查询。
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6. 页面展示 ASF 返回的 Sentinel-1 场景。
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7. 用户勾选需要的场景。
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8. 点击下载。
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9. 系统下载：
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```text
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data\S1A_....zip
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orbits\S1A_OPER_AUX_POEORB_....EOF
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manifest.csv
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```
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10. 下载任务页显示每景产品和轨道状态。
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11. 如果某景轨道失败，用户点击“补轨道”。
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## 风险和处理
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### ASF 下载需要 Earthdata 账号
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处理：页面启动时做凭据检查，查询可以不登录，下载时必须登录。
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### 精密轨道可能有延迟
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处理：允许暂时使用 `AUX_RESORB`，并提供后续补 `AUX_POEORB`。
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### 行政区 GeoJSON 层级不完整
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处理：用 `parent.adcode` 和内置省级 adcode 表补层级，不依赖文件里存在完整省级 Feature。
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### 大范围长时间查询结果过多
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处理：限制最大结果数，页面提醒分批查询；任务层支持按月份自动拆分。
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### 文件重复和路径混乱
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处理：以 `scene_id` 为唯一键，所有任务引用同一场景，文件仓库扫描可修复数据库状态。
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## 后续扩展
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- Sentinel-2 数据下载。
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- Copernicus Data Space 数据源。
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- 自动按月份/季度拆分任务。
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- InSAR 处理链对接，例如 ISCE、SNAP、MintPy。
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- 场景覆盖图层和轨道号统计。
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- 下载完成后的数据质量检查。
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