曾成強(qiáng)，王理根

(1.蘭州市勘察測(cè)繪研究院，甘肅 蘭州 730030； 2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

1 引 言

Landsat系列衛(wèi)星是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)發(fā)起，與美國(guó)宇航局(NASA)合作的一項(xiàng)地球觀測(cè)項(xiàng)目。自1972年第一顆Landsat衛(wèi)星發(fā)射開(kāi)啟了航天遙感的新時(shí)代之后，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星遙感發(fā)展進(jìn)入了快車(chē)道。在過(guò)去的50年間，Landsat系列衛(wèi)星獲取了具有重要科學(xué)價(jià)值的影像數(shù)據(jù)，在質(zhì)量、細(xì)節(jié)、覆蓋度以及長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)方面是其他衛(wèi)星系統(tǒng)無(wú)法與之媲美地[1]，并且這些數(shù)據(jù)已免費(fèi)開(kāi)放且在人類(lèi)健康、農(nóng)業(yè)、氣候、能源、火災(zāi)、自然災(zāi)害、城市發(fā)展、水資源管理、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性及森林管理等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。

Landsat系列衛(wèi)星可以分為4個(gè)階段(圖1)，Landsat 1-3衛(wèi)星為第一階段，三顆衛(wèi)星星體形狀和結(jié)構(gòu)基本相同，觀測(cè)儀器相同，軌道高度、傾角保持一致[3]；Landsat 4-5衛(wèi)星為第二階段，在1-3衛(wèi)星的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，搭載儀器、衛(wèi)星軌道、傾角都有較大調(diào)整；Landsat 7衛(wèi)星為第三階段，軌道參數(shù)同Landsat 4-5衛(wèi)星基本相同，但搭載了大名鼎鼎的ETM+傳感器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸能力大幅提升，傳輸方式也發(fā)生了根本性變化；Landsat 8-9衛(wèi)星為第四階段，軌道參數(shù)同Landsat 7衛(wèi)星相同，搭載了新一代傳感器，在波段分辨率、輻射分辨率、數(shù)據(jù)采集能力等方面有所提升。Landsat 5已于2013年6月5日退役[4]，Landsat 7于2003年5月出現(xiàn)故障，雖經(jīng)恢復(fù)，但影像有效覆蓋只能達(dá)到原來(lái)像幅的78%左右，實(shí)用價(jià)值大打折扣[5]，直至2013年2月11日Landsat 8衛(wèi)星發(fā)射成功，情況才予以緩解。雖然Landsat 8與Landsat 7組成星座取得了一定成效，但是由于Landsat 7自身以及二者搭載傳感器不一致原因等，并沒(méi)有發(fā)揮一加一大于二的作用。

圖1 Landsat衛(wèi)星系列計(jì)劃的時(shí)間線圖(來(lái)自USGS)

2021年9月27日，Landsat 9在加利福尼亞范登堡空軍基地發(fā)射成功。該星將于11月進(jìn)入Landsat 7軌道，取代Landsat 7并與Landsat 8衛(wèi)星組成新一代雙子陸地觀測(cè)衛(wèi)星星座。Landsat 9衛(wèi)星搭載了OLI-2和TIRS-2對(duì)地觀測(cè)傳感器(與Landsat 8衛(wèi)星搭載的OIL和TIRS基本相同)，可獲取11個(gè)波段信息的影像數(shù)據(jù)。

2 新一代星座特征

2021年11月5日USGS和NASA兩家聯(lián)合發(fā)布了Landsat 9衛(wèi)星拍攝到的首張衛(wèi)星影像。在經(jīng)過(guò)100天左右的調(diào)試后，Landsat 9采集數(shù)據(jù)將在2022年初免費(fèi)向全球提供[6]。

圖2 Landsat 9于2021年10月31日拍攝第一張可見(jiàn)光影像(來(lái)自NASA/USGS)

2.1 軌道參數(shù)

Landsat 9和Landsat 8具有相同的軌道參數(shù)，搭載的傳感器也基本相同，使得二者獲取的影像數(shù)據(jù)具有高度的相似性。Landsat 9衛(wèi)星進(jìn)入Landsat 7衛(wèi)星軌道后與Landsat 8衛(wèi)星組成雙子觀測(cè)星座，同一地區(qū)重訪周期縮短為8天(與Landsat 8重訪周期相比)，每日采集數(shù)據(jù)量將高達(dá)近 1 500景[7]，極大地提高對(duì)地觀測(cè)能力。

通過(guò)表1比較Landsat 9、Landsat 8與Landsat7軌道參數(shù)可知，新一代Landsat星座具有以下特征：

表1 Landsat 8與Landsat 9軌道參數(shù)

(1)軌道高度、軌道傾角、運(yùn)行周期、降交點(diǎn)時(shí)間、重復(fù)周期、覆蓋范圍、條帶模式和路徑/軌道編號(hào)等方面二者完全一致，保證了對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)角度、范圍的一致性，觀測(cè)時(shí)間段的相似性，有利于對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)；

(2)重訪周期：從升降點(diǎn)處觀察，Landsat 9與Landsat 8二者軌道面呈“十”字交叉狀，相互垂直，是為縮短重訪周期，提升觀測(cè)效率的措施。新星座與原來(lái)星座重訪周期相同，同為8天；

(3)采集能力：Landsat 8與Landsat 9一次掃描距離比Landsat 7長(zhǎng)10km，新星座的成像像幅更寬，觀測(cè)范圍更大，數(shù)據(jù)采集能力進(jìn)一步加強(qiáng)。新一代星座每天能夠采集約1 500景影像，比原星座增長(zhǎng)27%；

(4)成像時(shí)長(zhǎng)：Landsat 8成像時(shí)長(zhǎng)比Landsat 7增加了5sec左右，獲得更高信噪比的影像，清晰度增加，更多紋理細(xì)節(jié)得以體現(xiàn)和提取。

(5)在軌時(shí)長(zhǎng)：鑒于Landsat 7中期出現(xiàn)故障，在Landsat 9衛(wèi)星上搭載備用設(shè)備，可以保障衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間在軌運(yùn)行。

2.2 光譜參數(shù)比較

Landsat 9代替Landsat 7與Landsat 8構(gòu)網(wǎng)組成新一代星座，相比Landsat 7衛(wèi)星影像光譜，Landsat 8和9衛(wèi)星分別搭載的OLI、TIRS和OLI-2、TIRS-2傳感器有了進(jìn)一步改進(jìn)與突破。考慮到長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)的統(tǒng)一性和獲取數(shù)據(jù)的一致性，OLI-2、TIRS-2傳感器在復(fù)制OLI、TIRS傳感器功能的基礎(chǔ)上，稍微進(jìn)行一些優(yōu)化。從圖3可以得知，二者相對(duì)光譜響應(yīng)基本一致。

圖3 Landsat 8和Landsat 9傳感器帶平均光譜響應(yīng)(來(lái)自NASA)

二者光譜響應(yīng)帶寬沒(méi)有變化，但在可見(jiàn)光和熱紅外波段光譜響應(yīng)值有所不同：

(1)可見(jiàn)光波段：

①藍(lán)光波段(0.433-0.453)，光譜響應(yīng)值趨勢(shì)保持一致，但藍(lán)光波長(zhǎng)較短部分光譜響應(yīng)值降低；

②綠光波段(0.525-0.600)，光譜響應(yīng)值趨勢(shì)略有變化，光譜響應(yīng)值頂端由接近平直變?yōu)閽佄锞€形狀，波長(zhǎng) 0.6 μm處光譜響應(yīng)值最?。?/p>

③紅光波段(0.630-0.680)，光譜響應(yīng)值趨勢(shì)略有變化，光譜響應(yīng)值頂端趨于平直；

④全色波段(0.50-0.68)，光譜響應(yīng)趨勢(shì)保持一致，但光譜波長(zhǎng)與光譜響應(yīng)值之間對(duì)應(yīng)斜率變大；

(2)熱紅外波段：

①TIRS1波段(10.600-11.190)，在 10.6 μm-10.73 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜響應(yīng)值明顯增大；

②TIRS2波段(11.500-12.500)，光譜響應(yīng)趨勢(shì)略有變化，區(qū)間內(nèi)光譜響應(yīng)值由波浪狀變?yōu)閽佄锞€狀，在 11.5 μm-11.75 μm波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)光譜響應(yīng)值明顯降低，11.75 μm-12.00 μm波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)光譜響應(yīng)值明顯增大，12.00 μm-12.50 μm波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)光譜響應(yīng)值明顯降低。

圖4和表2是新一代星座兩顆衛(wèi)星傳感器波段的光譜參數(shù)，從中可知：

圖4 Landsat 8與Landsat 9傳感器波段光譜范圍(來(lái)自NASA)

表2 Landsat 8與Landsat 9影像主要參數(shù)

(1)兩顆衛(wèi)星傳感器在波段設(shè)置、波段光譜帶寬、空間分辨率等參數(shù)完全一致，保證了雙子星座重訪周期短，觀測(cè)時(shí)刻近似，對(duì)地長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)有保障，數(shù)據(jù)處理方法可通用等特點(diǎn)，但與原來(lái)Landsat 7和Landsat 8組成的雙子星座相比，在近紅外和熱紅外波段進(jìn)行了優(yōu)化與調(diào)整：

①近紅外波段(5-7)：與舊Landsat 7近紅外波段相比，整體將紅外波段范圍收窄，更有利于對(duì)土地利用分類(lèi)、云霧、植被健康，地表植被進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)。

②熱紅外波段：與Landsat 7 ETM+傳感器熱紅外波段相比，空間分辨率從 60 m降至 100 m，但熱紅外波段變?yōu)閮蓚€(gè)波段，在大氣校正、地表熱量分析、植被灌溉、極地和高山冰川監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)等方面具有更高的使用價(jià)值。新衛(wèi)星搭載的傳感器TIRS-2進(jìn)一步解決了Landsat 8衛(wèi)星TIRS傳感器“視場(chǎng)外的雜散光污染了圖像[8]”的問(wèn)題，使得觀測(cè)數(shù)據(jù)精度進(jìn)一步提升。

(2)輻射分辨率。新加入Landsat 9獲取影像的輻射分辨率不僅高于Landsat 7衛(wèi)星影像，也高于雙子星座另一顆星Landsat 8的 12 bit，達(dá)到了14 bit，灰度量化級(jí)別達(dá)到了 16 384，對(duì)地物色彩和亮度具有更高的靈敏性，能夠分辨出地物更加細(xì)微的細(xì)節(jié)，更好地服務(wù)于地物識(shí)別與變化監(jiān)測(cè)。

新一代雙子陸地資源衛(wèi)星星座，不僅延續(xù)了原有星座的優(yōu)點(diǎn)，解決了原有問(wèn)題，更加入了新的設(shè)計(jì)理念，啟用了新傳感器，將繼續(xù)對(duì)全球土地覆蓋率和土地利用變化及其對(duì)天氣和氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)、碳循環(huán)和碳中和、自然資源管理、國(guó)家和全球經(jīng)濟(jì)形態(tài)、人類(lèi)健康和社會(huì)產(chǎn)生的影響研究提供必需的數(shù)據(jù)支撐。

3 應(yīng)用前景

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)50年的觀測(cè)，Landsat系列衛(wèi)星已經(jīng)獲取了超過(guò)800萬(wàn)景影像的數(shù)據(jù)，每年有 2 000多篇基于Landsat數(shù)據(jù)開(kāi)展研究的論文發(fā)表[9]。無(wú)論從宏觀還是中等尺度，短期信息提取和長(zhǎng)時(shí)間序列持續(xù)監(jiān)測(cè)，Landsat系列影像早已廣泛應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域，如：早在20世紀(jì)70年代美國(guó)農(nóng)業(yè)部即采用MSS影像對(duì)美國(guó)大平原9個(gè)小麥生產(chǎn)州的小麥種植面積、單產(chǎn)和產(chǎn)量做出了估算[10]；80年代TM傳感器獲取的 30 m分辨率的影像在地表覆蓋、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候變化等方面都得到了廣泛應(yīng)用[11]；Coppin等人早在90年代初就已經(jīng)利用TM影像開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)變化監(jiān)測(cè)[12]；21世紀(jì)之初，周存林，徐涵秋等人基于ETM+影像開(kāi)展提取城市不透水面的研究[13]；Qin等利用Landsat 5 TM數(shù)據(jù)建立了單窗算法進(jìn)行地表溫度反演研究[14]；朱小鴿基于多時(shí)相Landsat影像監(jiān)測(cè)了珠江口海岸線變遷[15]；澳大利亞學(xué)者還基于Landsat影像估算了澳大利亞的碳儲(chǔ)量[16]。正是因?yàn)樵璍andsat系列衛(wèi)星影像取得了巨大成功，美國(guó)政府才持續(xù)推進(jìn)新Landsat衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)。

隨著新一代星座的構(gòu)網(wǎng)組建，根據(jù)其特性和以往經(jīng)驗(yàn)，可以推斷，新Landsat系列影像將繼續(xù)在以下領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

3.1 海岸線監(jiān)測(cè)

新一代星座搭載的OLI和OLI-2傳感器中設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)海岸線的波段，該波段對(duì)空氣中灰塵、煙霧以及淺水區(qū)都有較高的識(shí)別度，結(jié)合二波段做減法運(yùn)算能夠更好地識(shí)別健康植被，識(shí)別海洋與陸地及淺水區(qū)域綠藻的生長(zhǎng)情況。如圖5海洋與陸地清晰地區(qū)分開(kāi)來(lái)，明顯提高了海岸線的辨識(shí)度和精度，也有利于程序自動(dòng)化識(shí)別提取海岸線，尤其雙子星座高重訪周期，長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)可精確提取海岸線變化數(shù)據(jù)，分析變化原因，為海岸線規(guī)劃保護(hù)做好準(zhǔn)備。徐南、宮鵬在2017年基于Landsat 8的兩景影像對(duì)“黛比”熱帶氣旋登陸前后的海岸線變化進(jìn)行了比對(duì)研究[17]，但在研究中沒(méi)有利用第一波段。從OLI和OLI-2傳感器的設(shè)計(jì)目的而言，應(yīng)用第一波段開(kāi)展海岸線監(jiān)測(cè)和淺水區(qū)綠藻生長(zhǎng)研究將新一代星座重要研究?jī)?nèi)容與方向。

圖5 OLI傳感器Coastal/Aerosol波段(來(lái)自NASA)

3.2 氣候變化與生物多樣性研究

2015年12月，全球各國(guó)在《巴黎協(xié)定》中承諾，把全球平均氣溫上升控制在較工業(yè)化前不超過(guò)2℃之內(nèi)，并爭(zhēng)取控制在1.5℃之內(nèi)，將于2050年～2100年實(shí)現(xiàn)全球“碳中和”目標(biāo)?！疤歼_(dá)峰”和“碳中和”成為目前全球關(guān)注重大問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)地觀測(cè)，記錄地球植被、冰川、土壤等能夠間接反映氣候變化的變化，反映是否實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，進(jìn)一步為全球氣候變化治理提供依據(jù)。Landsat系列長(zhǎng)期觀測(cè)陸地資源與沿海生態(tài)系統(tǒng)，記錄了50年來(lái)氣候變化對(duì)地球景觀影響，記錄了地球碳儲(chǔ)存量的增值和損失，為研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球氣候變化影響提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

北極植被變化是全球氣候變化的縮影，在北極有很多微尺度變化，因此在擁有更長(zhǎng)數(shù)據(jù)記錄的同時(shí)需要以更精細(xì)的分辨率數(shù)據(jù)做研究工作支撐[18]，新一代Landsat星座在光譜分辨率、時(shí)間分辨率以及對(duì)植被和非植被的光譜的敏感度都要優(yōu)于上一代和Landsat系列前六顆衛(wèi)星[5]，能夠更好地對(duì)北極植被綠化現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖6)，反映全球氣候變化趨勢(shì)，有助于實(shí)現(xiàn)全球“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)控制和實(shí)現(xiàn)。

圖6 北極苔原綠化(來(lái)自Logan Berner/Northern Arizona University)

2021年10月8日發(fā)表的《中國(guó)生物多樣性保護(hù)》白皮書(shū)指出：“‘生物多樣性’是生物(動(dòng)物、植物、微生物)與環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過(guò)程的總和，包括生態(tài)系統(tǒng)、物種和基因三個(gè)層次。生物多樣性關(guān)系人類(lèi)福祉，是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。[19]”Landsat數(shù)據(jù)一直以來(lái)是研究生物多樣化的理想選擇[20]。StijnHantson等利用Landsat數(shù)據(jù)研究了南加州沙漠區(qū)域植被情況，揭示了導(dǎo)致植被覆蓋度降低的氣候因素[21]；董弟文等研究了和田綠洲植被覆蓋情況的時(shí)空演變，提出人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化對(duì)沙漠綠洲植被覆蓋度變化的影響[22]。

新一代Landsat星座將繼續(xù)延續(xù)該系列衛(wèi)星在生物多樣性領(lǐng)域的持續(xù)觀測(cè)記錄，繼續(xù)記錄地球景觀變化情況，反映地球生態(tài)系統(tǒng)的演變，反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球生態(tài)的干涉與影響。新Landsat星座對(duì)可見(jiàn)光波段進(jìn)行了優(yōu)化，收窄了全色波段光譜帶寬，降低了藍(lán)光波長(zhǎng)在全色波段上的光譜響應(yīng)值，能夠更好區(qū)分植被與非植被區(qū)域。近紅外波段則繼承了以往的三波段設(shè)置和空間分辨率，成果融合全色波段后，15 m分辨率影像能夠更加清晰、更高精度地分辨出植被覆蓋區(qū)域與非植被覆蓋區(qū)域，也能夠?qū)χ脖唤】岛兔芏纫约疤囟ㄖ脖徊∠x(chóng)害侵?jǐn)_狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為植物學(xué)家和生態(tài)研究人員提供必需評(píng)估數(shù)據(jù)和資料。

3.3 極地與冰川監(jiān)測(cè)

Landsat系列衛(wèi)星影像50年來(lái)記錄了地球上81%的冰雪覆蓋區(qū)域的變化情況，一直是地球兩極觀測(cè)和冰川監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)源。自從搭載了可采集熱紅外波段的傳感器后，能夠清晰記錄地球兩極和冰川的消融與流動(dòng)，記錄冰川活動(dòng)的規(guī)律，但原有Landsat衛(wèi)星難以在南北兩極等偏遠(yuǎn)地區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)，新一代Landsat系列衛(wèi)星地發(fā)射改變了這種情況。2016年美國(guó)地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)首次公開(kāi)了的美國(guó)宇航局資助的全球陸地冰融速提取項(xiàng)目(GoLIVE)。該項(xiàng)目利用全新工具，基于Landsat 8獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)化實(shí)時(shí)追蹤氣候變暖導(dǎo)致的世界各地冰川和冰層融化情況[23]。

基于新一代星座高頻率的重訪周期、穩(wěn)定的采集能力和覆蓋可見(jiàn)光、全色、近紅外、短波紅外、熱紅外光譜的成像能力，NIDC高級(jí)研究員Ted Scambos表示：“從現(xiàn)在開(kāi)始，我們能夠追蹤冰川所有不同類(lèi)型的變化，并從相應(yīng)數(shù)據(jù)中提取科學(xué)研究所需的信息[24]?！钡靡嬗赥IRS和TIRS-2熱紅外傳感器，使得新一代星座能夠在全天候?qū)δ媳睒O進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定觀測(cè)，圖7便是Landsat 8在2017年7月14日和21日捕獲的，從南極Larsen C冰川脫落的A-68冰山的合成影像，此時(shí)南極洲正處于冬季黑暗之中。

圖7 Landsat 8 thermal infrared image of the Larsen C ice shelf

基于新一代星座8天的重訪周期、兩個(gè)熱紅外波段、15 m～30 m分辨率影像、12 bit～14 bit影像輻射分辨率能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高頻地全天候?qū)O地和冰川開(kāi)展觀測(cè)研究[25]，尤其利用兩個(gè)熱紅外波段能夠更有效，更高精度地反演冰層表面溫度，追蹤冰川運(yùn)動(dòng)速度和消融量。結(jié)合哨兵等INSAR及歐中陸地資源系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，觀測(cè)由氣候變化引起的兩極和高山地區(qū)冰川變化不僅是新一代星座的一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，也將進(jìn)一步發(fā)揮新一代Landsat星座在監(jiān)測(cè)地球氣候環(huán)境變化中的歷史作用。

3.4 全球森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

開(kāi)展全球森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是Landsat系列衛(wèi)星的重要應(yīng)用之一。早在20世紀(jì)70年代，日本學(xué)者就已經(jīng)基于Landsat影像開(kāi)展了植被生長(zhǎng)和覆蓋度方面的研究；美國(guó)研究人員已經(jīng)采用MSS影像進(jìn)行森林植被分類(lèi)、林地輪墾監(jiān)測(cè)、森林燃點(diǎn)區(qū)域分析、基于紋理的森林分類(lèi)等方面的研究工作。直至今日，Landsat系列衛(wèi)星在全球森林動(dòng)態(tài)管理中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，研究領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，研究?jī)?nèi)容越來(lái)越深入，從森林植被的碳儲(chǔ)量到全球熱帶雨林砍伐監(jiān)測(cè)，從海岸線紅樹(shù)林消失到森林過(guò)火區(qū)自動(dòng)提取，從生物多樣性監(jiān)測(cè)到“碳中和”研究，無(wú)一不彰示Landsat影像在全球森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的作用。

Landsat影像通過(guò)近紅外波段與短波紅外波段計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)、陰影植被指數(shù)(SVI)[26]等多種植被指數(shù)，結(jié)合林學(xué)、生態(tài)學(xué)能夠更好地對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Kyle C.Rodman等人利用1996年～2019年期間所有Landsat Tier 1數(shù)據(jù)研究了美國(guó)南洛杉磯樹(shù)皮甲蟲(chóng)對(duì)SRM亞高山森林的蟲(chóng)害影響[27]；Haidi Abdullah等人則基于Landsat 8搭載的OLI和TIRS兩個(gè)新傳感器影像對(duì)樹(shù)皮甲蟲(chóng)對(duì)歐洲云杉的侵襲進(jìn)行了研究[28]。

非營(yíng)利機(jī)構(gòu)世界資源研究所基于Landsat系列影像搭建了全球森林觀察系統(tǒng)(Global Forest Watch)，并與馬里蘭大學(xué)的全球土地分析與發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)(GLAD)、科學(xué)家Matt Hansen合作，共同構(gòu)建了GFW-GLAD平臺(tái)。該平臺(tái)能夠每周發(fā)布一次全球森林砍伐警報(bào)，由于天氣影響，尤其在赤道附近熱帶雨林，云霧經(jīng)常遮擋，目前平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始準(zhǔn)備結(jié)合歐洲哨兵數(shù)據(jù)、以及NASA全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查激光雷達(dá)(GEDI)、NASA-ISRO SAR Mission(NISAR)數(shù)據(jù)開(kāi)展工作，可以將監(jiān)測(cè)周期提高2天，并在雨雪云霧遮擋時(shí)，及時(shí)通過(guò)SAR衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)[29]，如圖8所示。

圖8 GFW-GLAD平臺(tái)發(fā)布的秘魯普卡爾帕森林砍伐預(yù)警圖(來(lái)自NASA)

新一代Landsat星座通過(guò)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高頻率的重訪周期為全球森林監(jiān)測(cè)提供優(yōu)質(zhì)、高精度的數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榱謽I(yè)保護(hù)人員和生態(tài)學(xué)家對(duì)區(qū)域或全球森林保護(hù)研究提供可靠而又蘊(yùn)含豐富信息的影像。新一代星座影像集成了識(shí)別灰塵、煙霧和氣溶膠的Aerosol波段，還能夠監(jiān)測(cè)森林火點(diǎn)，作為森林防火滅火的有效輔助手段。

新一代Landsat星座在全球森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著無(wú)可比擬的作用，但限于8天的重訪周期和光學(xué)影像自身缺陷，還是存在一定的滯后性和限制，需要同其他類(lèi)型的衛(wèi)星結(jié)合以發(fā)揮更大的作用。

3.5 水資源監(jiān)測(cè)

水資源是地球上最為重要的資源，是地球上一切生命的源泉?？沙掷m(xù)水資源管理是我們這個(gè)時(shí)代最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。Landsat系列衛(wèi)星在水資源調(diào)查、保護(hù)、利用等方面發(fā)揮了重要作用。美國(guó)科學(xué)家通過(guò)Landsat影像熱紅外波段結(jié)合重力測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)印度北部和巴基斯坦東部地下水枯竭地區(qū)耕地灌溉時(shí)間與水量，防止過(guò)度灌溉引起地下水完全枯竭。研究表明通過(guò)此方法進(jìn)行灌溉可以節(jié)約85%的用水量[30]。OpenET組織通過(guò)公開(kāi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)(Landsat是重要的數(shù)據(jù)來(lái)源)，計(jì)算地表蒸散量，為美國(guó)西部干旱地區(qū)水資源管理、交易，農(nóng)民灌溉等提供輔助決策支持。OpenET所有地表蒸散量模型都是基于Landsat影像數(shù)據(jù)來(lái)生成對(duì)應(yīng)尺度的ET估計(jì)值，該值也經(jīng)過(guò)GOES、Sentinel-2、Suomi NPP、Terra和Aqua等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的校正和驗(yàn)證[31]。新一代Landsat星座基于更高頻的重訪、兩波段的熱紅外影像、數(shù)據(jù)將會(huì)更加有效地對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

Landsat影像對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)也是非常重要的數(shù)據(jù)之一。新一代星座OLI和OLI-2傳感器的第一波段Coastal/Aerosol對(duì)淺水區(qū)域葉綠素濃度較為敏感，對(duì)于淺水區(qū)域生長(zhǎng)的藻類(lèi)監(jiān)測(cè)具有較好的效果，圖9就是利用Landsat 9第一批圖像監(jiān)測(cè)處底特律和伊利湖淺水區(qū)綠藻生長(zhǎng)區(qū)域。利用兩個(gè)熱紅外波段對(duì)水體監(jiān)測(cè)更加有效，可以有限對(duì)大面積灌溉區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也能夠更精確地計(jì)算地表蒸散發(fā)值，為保護(hù)水資源服務(wù)。

圖9 Landsat 9第一批圖像(來(lái)自NASA)

4 結(jié) 語(yǔ)

新一代Landsat星座不僅繼承了原有星座的優(yōu)點(diǎn)，在采集能力、輻射分辨率和光譜響應(yīng)方面又進(jìn)一步優(yōu)化，解決了Landsat 8熱紅外波段“雜散光”的問(wèn)題，提升了星座整體采集能力，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可用性，拓寬了Landsat影像應(yīng)用渠道，加深了數(shù)據(jù)應(yīng)用深度，使得Landsat星座在氣候變化、水資源保護(hù)、生物多樣性和極地冰川監(jiān)測(cè)等全球治理重大問(wèn)題中發(fā)揮更為重要的作用，實(shí)現(xiàn)了延續(xù)新一代Landsat系列衛(wèi)星的目的，如圖10所示。

圖10 Landsat 8&9與Landsat NeXt波段比較(來(lái)自NASA)

Landsat系列是NASA和USGS合作的一個(gè)長(zhǎng)期對(duì)地觀測(cè)項(xiàng)目，雖然在中間延續(xù)過(guò)程中也出現(xiàn)過(guò)一些插曲，但總體保持了一貫的優(yōu)秀品質(zhì)，為對(duì)地觀測(cè)做出了巨大貢獻(xiàn)。美國(guó)政府計(jì)劃延續(xù)這一偉大項(xiàng)目，計(jì)劃在2029年左右研發(fā)新的LandsatNext衛(wèi)星，屆時(shí)新衛(wèi)星的光譜波段將會(huì)增至25個(gè)，在水質(zhì)、植被、土壤等方面的應(yīng)用將會(huì)有一個(gè)全新的開(kāi)端。

致謝：本文使用的影像均下載于USGS網(wǎng)站，特此致謝！