龔燃 趙晨露 牛慶鋒(北京空間科技信息研究所 中國空間技術(shù)研究院)
Landsat-9衛(wèi)星在軌示意圖
2021年9月27日,美國“陸地衛(wèi)星”(Landsat)系列中的最新一顆衛(wèi)星——Landsat-9從加利福尼亞州范登堡空軍基地搭乘宇宙神-5(Atlas-5)運載火箭發(fā)射升空。Landsat-9衛(wèi)星屬于美國國家航空航天局(NASA)開展的“可持續(xù)陸地成像”(SLI)計劃,將取代1999年發(fā)射的Landsat-7衛(wèi)星,與2013年發(fā)射的Landsat-8衛(wèi)星編隊飛行,繼續(xù)為全球用戶提供高質(zhì)量、連續(xù)的陸地成像衛(wèi)星數(shù)據(jù)。
Landsat系列衛(wèi)星是美國從1972年開始發(fā)展的民用陸地資源衛(wèi)星,由NASA和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)合作研制,是美國綜合對地觀測體系中不可或缺的重要組成部分。長期以來,Landsat系列衛(wèi)星創(chuàng)建了海量免費的存檔數(shù)據(jù),在資源普查、農(nóng)業(yè)、水文管理、災(zāi)害響應(yīng)、科學(xué)研究、測繪制圖等領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。
Landsat衛(wèi)星共發(fā)展了四代:第一代為Landsat-1~3衛(wèi)星,第二代為Landsat-4和5衛(wèi)星,第三代為Landsat-6和7衛(wèi)星,第四代為Landsat-8和9衛(wèi)星。
2015年3月,NASA和USGS啟 動 了Landsat-9項目的開發(fā)工作,衛(wèi)星原計劃于2023年發(fā)射。2016年,NASA和負責(zé)監(jiān)督美國地質(zhì)調(diào)查局的內(nèi)政部(DOI)簽訂了一份諒解備忘錄(MOU),正式啟動“可持續(xù)陸地成像計劃”(2016-2035年),開發(fā)Landsat-9衛(wèi)星為該計劃最緊迫和重要的事項。該諒解備忘錄還呼吁美國開發(fā)小型化載荷等創(chuàng)新系統(tǒng),并進行技術(shù)研究、商業(yè)模式研究以及其他用戶需求與技術(shù)調(diào)查,以降低Landsat-9后續(xù)任務(wù)的成本與風(fēng)險。
Landsat系列衛(wèi)星發(fā)射情況
Landsat-9衛(wèi)星運行在高度705km,傾角98.2°的太陽同步軌道(SSO),軌道周期99min,與Landsat-8衛(wèi)星位于同一軌道面,相距180°飛行,雙星重訪周期為8天,其中Landsat-8、9單星重訪周期為16天。
Landsat-9衛(wèi)星很大程度上復(fù)制了目前在軌運行的Landsat-8衛(wèi)星,旨在減少陸地成像數(shù)據(jù)斷檔的風(fēng)險,提供連續(xù)、長期的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù),以支持對陸地特征的變化進行長期、精細的對比分析。盡管如此,總體上衛(wèi)星成像能力更高,壽命更長,定標(biāo)精度更高。
Landsat-9衛(wèi)星也攜帶2臺有效載荷儀器,包括業(yè)務(wù)陸地成像儀-2(OLI-2)和熱紅外遙感器-2(TIRS-2)。OLI-2和TIRS-2設(shè)計壽命均為5年,衛(wèi)星攜帶燃料可維持約10年以上。
OLI-2與Landsat-8衛(wèi)星星載OLI基本一樣,為一臺推掃式成像儀,用于獲取可見光、近紅外和短波紅外圖像數(shù)據(jù),具有9個光譜譜段,其中全色譜段的空間分辨率為15m,其他譜段為30m,視場角15°,幅寬仍保持185km。主要技術(shù)改進包括兩點:①OLI-2的數(shù)據(jù)量化由OLI的12位增加到14位,整體信噪比有所提高;②OLI-2可提供內(nèi)部校準(zhǔn)源,以確保輻射測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,以及進行對日和對月校準(zhǔn)的能力。
TIRS-2在Landsat-8衛(wèi)星星載TIRS的基礎(chǔ)上進行了升級,主要包括采用了新的光學(xué)組件,在設(shè)計方面可最大限度減少雜散光,保護儀器免受雜散光的影響,且開發(fā)了冗余電子設(shè)備。簡化了制造和組裝的過程,將儀器壽命延長至5年以上(之前為3年)。此外,TIRS-2也提供了內(nèi)部黑體校準(zhǔn)源以提高輻射測量分辨率。TIRS-2與TIRS一樣,可采集2個熱紅外譜段(長波紅外)的地表輻射圖像,以測量地表溫度并跟蹤陸地和水資源的使用情況,熱紅外分辨率100m,視場角和幅寬也分別為15°和185km,與OLI-2保持匹配。
OLI-2和TIRS-2譜段參數(shù)
Landsat-9衛(wèi)星運行架構(gòu)與Landsat-8衛(wèi)星相同,均由任務(wù)運行中心(MOC)、運行飛行團隊、數(shù)據(jù)處理和存儲系統(tǒng)(DPAS)、地面網(wǎng)絡(luò)單元(GNE)組成。
盡管如此,Landsat-9衛(wèi)星地面段主要對NASA戈達德空間飛行中心(GSFC)和USGS地球資源觀測與科學(xué)中心(EROS)之間的遙測與指令進行了改進和一系列“地面準(zhǔn)備測試”(GRT)。NASA戈達德空間飛行中心采用了全新的陸地衛(wèi)星多衛(wèi)星運行中心(LMOC),雖然使用了一些Landsat-8衛(wèi)星的地面軟件系統(tǒng),EROS中心的地面網(wǎng)絡(luò)單元(GNE)也對其硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)進行了升級,以提高LMOC系統(tǒng)和GNE系統(tǒng)相互對話的能力,向衛(wèi)星發(fā)送運行指令,同時確保遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕】蹬c安全。
根據(jù)2008年發(fā)布的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)政策,EROS中心的所有Landsat數(shù)據(jù)均可免費下載且不受限制。每年,USGS都會向成千上萬的用戶分發(fā)數(shù)百萬幅Landsat衛(wèi)星圖像。Landsat-9衛(wèi)星發(fā)射后,其收集的數(shù)據(jù)產(chǎn)品也將通過EROS中心免費下載。Landsat-9數(shù)據(jù)產(chǎn)品將與之前Landsat任務(wù)數(shù)據(jù)在采集方式、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、譜段與分辨率、幅寬、產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)據(jù)可用性方面保持一致,幫助用戶持續(xù)研究幾十年來陸地覆蓋和陸地利用變化情況。
在早期的Landsat任務(wù)中,USGS依靠由合作國家運營的國際地面站網(wǎng)絡(luò)來下行鏈路和存儲Landsat圖像。2006年,USGS認識到外部用戶擁有的Landsat數(shù)據(jù)量(估計有400萬幅圖像)已遠遠超過EROS的USGS Landsat檔案(估計有190萬幅圖像)。2010年,USGS 啟動了美國“陸地衛(wèi)星全球檔案整合”(LGAC)計劃,該計劃到2019年12月已獲取并重新處理了超過500萬幅圖像,大幅擴展了Landsat檔案的覆蓋范圍,這相當(dāng)于啟動了一項額外的Landsat任務(wù)并擴大了其歷史存檔空間。
2008年,USGS宣布其檔案中的所有Landsat圖像均可免費訪問。這一政策顯著增加了Landsat數(shù)據(jù)的使用量,并不斷促進了新的應(yīng)用。2009年,在這項政策免費開放訪問的第一年,用戶下載了近100萬幅圖片。2014年,美國政府開展了一項對國家民用地球觀測計劃的評估,將Landsat評為美國最重要的系統(tǒng)之一。盡管分辨率不高,但其數(shù)據(jù)廣泛用于美國和全球其他國家在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和牧場資源、土地利用和測繪、地質(zhì)、水文、沿海資源、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害響應(yīng)和國家安全等領(lǐng)域的決策支持與研究。此外,也用于商業(yè)應(yīng)用與衍生產(chǎn)品。USGS研究人員估計Landsat圖像在2017年為美國用戶帶來的收益為20.6億美元,為國際用戶帶來的收益為13.9億美元。若將云供應(yīng)商從EROS下載的圖像數(shù)量納入計算,2017年國內(nèi)和國際用戶收益估計為41.8億美元。
Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要應(yīng)用領(lǐng)域(2019年10月1日-2020月6月30日)
當(dāng)前,Landsat衛(wèi)星用戶已經(jīng)轉(zhuǎn)向商業(yè)云計算供應(yīng)商,在云中下載和處理數(shù)據(jù)。根據(jù)2018年美國政府的云計算戰(zhàn)略,USGS在2020年將其Landsat衛(wèi)星全球數(shù)據(jù)庫的副本放入了商業(yè)云中。Landsat的云架構(gòu)采用了一種混合方案,包括USGS的云管理和現(xiàn)有的EROS中心私有云服務(wù)。對于一些用戶來說,商業(yè)云可能比傳統(tǒng)的下載方式更方便、更劃算,可以重新處理Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)下載流程可能要耗費整個工作時間的80%來下載和處理文件,使用云計算則無需下載、本地存儲和處理數(shù)據(jù),節(jié)省了大量時間。云計算還允許用戶訪問空間或臨時數(shù)據(jù)子集,而不必在本地下載整個映像和數(shù)據(jù)子集。
作為美國最重要的空間對地觀測資產(chǎn)之一,Landsat衛(wèi)星項目的重中之重一直是保持觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。觀測時間越長,可分析對比的不同階段的數(shù)據(jù)越豐富,可從中獲取和理解的現(xiàn)象越多,越有利于研究幾十年來地球系統(tǒng)發(fā)生的細微變化,應(yīng)用于地表監(jiān)測的各個領(lǐng)域,因此,Landsat系列衛(wèi)星長期、連續(xù)的數(shù)據(jù)具有豐富的潛在價值。迄今,該系列衛(wèi)星創(chuàng)建了最長的對地觀測連續(xù)數(shù)據(jù)集,擁有在空間分辨率、校準(zhǔn)能力和光譜特征方面近50年長期一致的高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)。Landsat-9衛(wèi)星和SLI計劃將推動該項目進入下一個50年的全球觀測,將陸地成像數(shù)據(jù)記錄延長至2035年甚至之后數(shù)年,為監(jiān)測地球健康的國際戰(zhàn)略作出重要貢獻。