1.1連續(xù)性

    Landsat任務(wù)的連續(xù)性是得到1992年《美國陸地遙感法》支持的，該法認為，美國政府應(yīng)確保建立一個永久性的全球Landsat成像檔案，以便能夠長期監(jiān)測自然和人為引起的地表和氣候變化。Landsat的連續(xù)性是由系統(tǒng)化的16天全球，大陸、島嶼、珊瑚和沿海海洋的成像覆蓋、無需成本訪問整個圖像數(shù)據(jù)檔案、遵守可比較的時間、空間、光譜和輻射測量確定的。考慮到50多年的規(guī)劃和運營，Landsat計劃是多方面的，非常復(fù)雜，每個Landsat任務(wù)都可以通過任務(wù)獲?。匆?guī)劃、融資、建造、發(fā)射前活動）和包括數(shù)據(jù)和相關(guān)管理活動的任務(wù)運作（如圖像調(diào)度、存檔、分發(fā)）。

    陸地衛(wèi)星傳感器已經(jīng)從最初的四個寬波段發(fā)展到越來越細、越來越多、定位良好的波長范圍。尤其是Landsat 8的OLI大幅度改進了輻射測量，極大地擴展了Landsat在冰凍圈和水生科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)和應(yīng)用。

    Landsat的連續(xù)性尤其重要，因為它從1982年的Landsat-4開始便提供了一種獨特的中長熱紅外測量記錄。隨著時間的推移，Landsat為確保傳感器之間的輻射一致性已經(jīng)做了相當大的努力。目前，已對Landsat-8上的熱紅外傳感器（TIRS）進行了技術(shù)調(diào)整用以穩(wěn)定其在軌道上的測量性能。除了其對系統(tǒng)云篩選的重要價值之外，一旦用于檢索表面溫度的大氣補償算法達到運行生產(chǎn)階段，Landsat的熱紅外記錄的全部潛力將更加充分地實現(xiàn)。

    由于Landsat的測量連續(xù)性是可追溯和高質(zhì)量的，因此高質(zhì)量的任務(wù)科學(xué)目標可以在整個圖像存檔中保持到像素級。Landsat校準測量的連續(xù)性確保了氣候科學(xué)和全球變化研究的科學(xué)完整性和客觀性。

1.2 Landsat產(chǎn)品和加工

    鑒于需要提高Landsat傳感器的可用性和一致性，全球Landsat-1-8文件被重新處理為Collection 1，于2017年5月完成。Collection 1數(shù)據(jù)現(xiàn)在是標準可用數(shù)據(jù)，通過元數(shù)據(jù)和標記每個像素質(zhì)量的Landsat數(shù)據(jù)，使用戶能夠?qū)r間集中在分析而不是準備分析上。同時為了進一步減少用戶的預(yù)處理負擔，使用Collection 1算法生成Landsat ARD產(chǎn)品，ARD產(chǎn)品是有明確的質(zhì)量評估數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)組成的。

1.2.1 幾何校正

    地球表面的觀測需要在幾何上與基于地面控制位置的密集網(wǎng)絡(luò)的已知幾何精度對齊。需要在（波段和波段）和（傳感器和傳感器）多個地球觀測數(shù)據(jù)集之間進行精確的對準，以便與其他空間數(shù)據(jù)集集成，并且最重要的是，它是變化檢測和時間序列分析的前提。這對用于自動處理的分析數(shù)據(jù)尤其重要，因為可以在一次運行中分析數(shù)百到數(shù)千個場景，而無需對單個圖像進行任何視覺檢查。輕微的配準錯誤會導(dǎo)致時間序列的噪聲，較大的錯誤配準錯誤可能導(dǎo)致不可接受的分類錯誤。為了降低這種風險，USGS根據(jù)圖像的幾何精度將Collection 1數(shù)據(jù)分層為Tier 1和Tier 2類別（Tier 1數(shù)據(jù)具有大地測量精度≤12m均方根誤差（RMSE）和Tier 2數(shù)據(jù)具有> 12 m的精度），在執(zhí)行自動分析時為用戶提供了較為確定性的幾何精度。

    歷史上，全球Landsat檔案與地球表面的配準是通過全球土地測量地面控制點芯片組實現(xiàn)的。在Landsat-8上加入全面運行的GPS，顯然需要通過將幾何地面控制重新定位到更新的芯片組來提高Landsat檔案的絕對幾何精度。目前，Landsat芯片組正在重新調(diào)整以與Sentinel-2圖像一致，并且Collection 1數(shù)據(jù)將被重新處理為Collection 2。

1.2.2 輻射定標與表面反射率

    隨著傳感器和操作的改進，Landsat-8的輻射定標精度從Landsat-1時代的約10％提高到3％。在Collection 1中，使用基于反射率的校準，因為它比先前基于輻射的校準方法具有更高的精度。大氣效應(yīng)可能對Landsat數(shù)據(jù)產(chǎn)生相當大的影響。雖然一些對輻射測量精度和準確度的魯棒性分析可以在“大氣層頂部”（TOA）反射率產(chǎn)品上進行，但是越來越多的分析技術(shù)，特別是那些利用時間序列分析的技術(shù)或多時間多數(shù)據(jù)源的復(fù)合分析，依賴于表面反射的可用性。陸地上的大氣校正，即使不完美，也需要作為地表地球物理參數(shù)推導(dǎo)和產(chǎn)品的輸入。在多時相或多光譜圖像應(yīng)用中，通常還需要使用表面反射率產(chǎn)品，以檢測和監(jiān)測地球表面的變化（例如，人為影響）。

    在撰寫本文時，已提出多種大氣校正算法，USGS EROS已實施其中兩種用于Landsat-8（Landsat地表反射法，LaSRC）和Landsat 4，5和7（Landsat生態(tài)系統(tǒng)干擾自適應(yīng)處理系統(tǒng)，LEDAPS）數(shù)據(jù)。根據(jù)光譜通道和潛在的大氣條件，大氣校正的不確定性大約為5-10％。將其與Landsat 8 3％輻射校準不確定度相結(jié)合，將表面反射率產(chǎn)品的不確定性增加到6-10％的范圍。表面反射質(zhì)量的表征意味著除了用于評估在軌校準精度的既定方法之外，還需要量化表面反射率產(chǎn)品的輻射精度。表面反射率產(chǎn)品的絕對輻射精度需要衛(wèi)星衍生表面反射率值與原位表面反射率測量進行系統(tǒng)比較。確保數(shù)據(jù)“分析就緒”的另一個要素是提供對特定傳感器的相對光譜響應(yīng)的訪問。一些作者開發(fā)了傳感器特定模型，這些模型考慮了特定吸收特征與每個傳感器的相對光譜響應(yīng)相互作用的方式。其他人已經(jīng)開發(fā)出統(tǒng)計校準因子來調(diào)整類似傳感器波段的光譜反射率。尤其是在越來越多的從多個傳感器的觀測中構(gòu)建時間序列和時間變化檢測分析的時代，這尤其重要。

1.2.3 采集、像元級元數(shù)據(jù)和每像素質(zhì)量保證信息

    采集（整體數(shù)據(jù)集）和像元（特定于圖像）級元數(shù)據(jù)需要確保收集產(chǎn)品的可追溯性。這種可追溯性使像元能夠鏈接到其他環(huán)境，并允許搜索數(shù)據(jù)存檔。在MODIS中已經(jīng)很好地對每像素'QA'波段的信息進行生成和利用。這個質(zhì)量控制波段包括了影像的云覆蓋、水體、冰雪等信息。

2.1時間序列

    通過時間跟蹤變化一直是Landsat任務(wù)的核心，近年來，時間序列分析充分利用了Landsat獨特的歷史記錄來監(jiān)控變化。再加上越來越方便的計算以及自動大氣校正算法和云檢測算法，時間密集分析越來越多地應(yīng)用于大范圍和不同的主題領(lǐng)域。此外，通過將地面上每個足跡的光譜歷史視為時間序列，可以更加細致地了解地球表面的變化。

    在對時間密集的Landsat數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，時間序列方法利用整個時段來理解地球表面的各種變化，比如植被的退化與生長、物候、作物發(fā)育等。支持上述Landsat時間序列監(jiān)測進展的是時間光譜指標。這些指標通過時間表征趨勢，提取復(fù)雜的變化軌跡，并提供可支持一系列建模應(yīng)用的連續(xù)變量。

2.2 基于像素的處理

    Landsat圖像越來越多地用于地表過程的大面積表征，而圖像合成正是實現(xiàn)這一目標的重要手段。從以整幅影像為中心的數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變?yōu)榛谙袼氐奶幚硪暯鞘怯糜谑褂肔andsat數(shù)據(jù)進行合成的基礎(chǔ)。從算法的角度來看，應(yīng)用于Landsat數(shù)據(jù)的大多數(shù)合成方法遵循最佳像素選擇策略，通常使用簡單的選擇標準，另一些方法則是計算新的光譜值。

    冰凍圈：Landsat-8改變了對冰雪的研究，對這一領(lǐng)域的影響遠遠超過任何早期的Landsat系列衛(wèi)星。Landsat-8的陸地成像儀（OLI）和采集后處理技術(shù)的三個進步提高了對冰層研究的適用性：提高了輻射分辨率（至12位），同時調(diào)整了可見-近紅外動態(tài)范圍；將地理定位精度提高到小于1像素的地面當量等級，以及圖像采集率的提高（現(xiàn)在>700場景/天）。Landsat-8首次在緯度84°進行圖像采集，同時TIRS已被證明對于南極中部冰面的低溫繪圖和冰川上的碎片覆蓋圖都很有用， 另外Landsat-8對冰川學(xué)的最顯著改進在于繪制冰川和冰蓋中的冰流速度。

    水科學(xué)與地表水測繪：OLI顯著改善的信噪比（SNR）性能加上沿海氣溶膠波段的增加，極大地改善了Landsat-8繪制水質(zhì)圖的能力，潛在地改善沿海水域三種主要著色劑的同時定量檢索葉綠素，總懸浮固體和黃化有機物。不僅水質(zhì)測繪，在光學(xué)淺水區(qū)的底部成分測繪（如珊瑚礁）OLI也顯著增強。

    對Landsat的分析提高了我們對地區(qū)到全球的地表水動態(tài)的認識，通過多年和整個季節(jié)的圖像，繪制整個河流流域地表水和洪水的范圍和動態(tài)變化、繪制永久性水體和季節(jié)性水體的的大陸尺度變化、湖泊范圍和分布、以及全球地表水（季節(jié)性和永久性）在三十多年中逐月變化。總的來說，上述工作提供了新的信息，改善水文和氣候模型，識別氣候變化對生物多樣性的影響和威脅，分析用水量，需求和壓力，模擬水生污染和疾病的傳播，評估荒漠化，干旱和洪水風險和事件，甚至是跨界水的分配和供應(yīng)。

    植被物候?qū)W：生理作物生長階段可以與使用遙感數(shù)據(jù)檢測的作物物候指標相關(guān)。目前的遙感物候產(chǎn)品通?？蓮闹T如MODIS和VIIRS的低分辨率傳感器獲得。當在Landsat空間分辨率或野外尺度上繪制時，這些作物物候指標更有用。近年來，為了改善Landsat空間尺度上的時間采樣，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)據(jù)融合方法。這些空間和時間數(shù)據(jù)融合模型允許將高頻但低空間分辨率的圖像與頻率較低但高空間分辨率的圖像相結(jié)合。數(shù)據(jù)融合方法可以彌補實際Landsat觀測之間的長時間間隔，整合來自更粗糙但更寬的條帶成像傳感器的信息。而且將Landsat和其他分辨率數(shù)據(jù)結(jié)合有益于繪制作物物候圖譜。目前，正在進行研究對Landsat和Sentinel-2進行整合，用于提取作物物候，特別是在生長季節(jié)內(nèi)實時繪制作物生長。

    物候?qū)W成為Landsat數(shù)據(jù)采集戰(zhàn)略的核心，特別是以森林物候為重點的研究，首先，更好地了解森林物候揭示地球生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對持續(xù)氣候變化的響應(yīng)。其次，長期衛(wèi)星數(shù)據(jù)的森林物候?qū)W可以將森林生態(tài)知識從田地升級到景觀，大陸和全球尺度。第三，可以創(chuàng)建物候指標使得Landsat更好地表征森林物候?qū)W，以支持優(yōu)化物候的圖像合成，繪圖和監(jiān)測。

    反照率和地表溫度：地表反照率在地球表面能量預(yù)算中起著重要作用。Landsat-8地表反照率是通過Landsat觀測與MODIS或VIIRS BRDF信息耦合得出的。這為許多陸地表面應(yīng)用提供了更合適的空間分辨率的真實陸地衛(wèi)星反照率，包括監(jiān)測森林，農(nóng)田，城市地區(qū)的不透水表面，受昆蟲，野火或風暴破壞影響的地區(qū)，以及其他異質(zhì)和動態(tài)環(huán)境。其次目前，已開發(fā)出Landsat-8表面溫度產(chǎn)品，且準確率較高。

    蒸散：量化ET對于理解全球到田間尺度的能源和水預(yù)算至關(guān)重要，對水資源利用進行詳細核算的能力將促進對淡水資源的可持續(xù)管理。在過去十年中，Landsat光學(xué)和熱學(xué)數(shù)據(jù)在水和農(nóng)業(yè)管理中的使用大大增加。部分原因在于Landsat開放數(shù)據(jù)政策，以及ET算法自動化和高性能計算的進步。地表溫度是許多常用的基于Landsat的地表能量平衡算法估計ET的基礎(chǔ)。

    區(qū)分不同作物類型的信息可用于水資源核算和調(diào)度灌溉應(yīng)用。在全球范圍內(nèi)，對食品和水安全應(yīng)用的ET信息的需求不斷增加。結(jié)合表面反射率數(shù)據(jù)的時間序列，Landsat ET可用于評估伴隨土地利用變化的用水量變化、估算地下水補給和排放，以及評估地下水的跨流域轉(zhuǎn)移。ET也被用于推進農(nóng)業(yè)干旱的檢測以及對作物產(chǎn)量的影響。

    森林監(jiān)測：通過時間重復(fù)測量森林生態(tài)系統(tǒng)，可以表征生態(tài)系統(tǒng)對氣候和人為變化的響應(yīng)，獲得的測量結(jié)果越多，準確捕捉變化和生態(tài)系統(tǒng)對變化的響應(yīng)的可能性就越大。2008年免費開放Landsat數(shù)據(jù)，從根本上改變了Landsat數(shù)據(jù)用于森林監(jiān)測的方式。雖然已經(jīng)證明了對大面積森林進行綜合監(jiān)測的能力，但Landsat時間序列數(shù)據(jù)也使森林監(jiān)測方面的其他方法得到改進，例如火災(zāi)、干擾后再生和恢復(fù)、通過干擾類型區(qū)分恢復(fù)趨勢、表征森林的動態(tài)破碎、害蟲，疾病和干旱等。使用Landsat時間序列來了解干擾后恢復(fù)，森林衰退以及森林氣候變化影響的方法可能會繼續(xù)成為目前和未來研究的重點。

    聯(lián)合國氣候變化框架公約，生物多樣性公約，荒漠化公約，可持續(xù)發(fā)展目標中提出了Landsat做出重大貢獻的變量和指標，并將其進一步的研究作為優(yōu)先事項。

    多年來，Landsat一直被稱為“黃金標準”，通過它來比較其他傳感器。因此，為了發(fā)揮這一重要作用，Landsat必須繼續(xù)成為一個參考，所有其他衛(wèi)星有效載荷的性能都要與之相對應(yīng)。這意味著它必須繼續(xù)在生產(chǎn)最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出色。為此，必須繼續(xù)改進輻射測量，幾何和空間校準，以便減少TOA和表面產(chǎn)品相關(guān)的不確定性。

    自1982年以來Landsat系列收集的全球中等分辨率熱成像的長期存檔是任何其他衛(wèi)星計劃所無法比擬的，并將繼續(xù)成為更好地管理地球水資源的寶貴資產(chǎn)。TIRS成像儀與以前的Landsat系統(tǒng)相比，信噪比顯著提高。利用Landsat-8 TIRS，使用Landsat-8和之前的衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時收集的熱量和反射數(shù)據(jù)來檢索ET，以此來研究地表能量成分和用水信息，另外，Landsat熱成像已經(jīng)被證明可以顯著改善云和陰影檢測和映射，也為監(jiān)測水質(zhì)提供了新的能力。

    雖然MSS沒有短波紅外或熱紅外長波段，空間、光譜和輻射分辨率更粗，但其仍然提供了大量的數(shù)據(jù)，而且在時間序列分析中MSS數(shù)據(jù)更加容易。尤其是在1972-1984年，MSS是中等分辨率數(shù)字衛(wèi)星數(shù)據(jù)的唯一來源。目前，可以通過拼接和協(xié)調(diào)時間來使得MSS數(shù)據(jù)更加完整以進行長時間序列分析。

    Sentinel-2擁有現(xiàn)有Landsat系統(tǒng)的許多技術(shù)特征。雖然Sentinel-2沒有熱紅外功能，但更寬（290公里）的掃描帶和雙平臺Sentinel-2A（2015年推出）和Sentinel-2B（2017年推出）提供了對地球土地的5天重訪周期，空間分辨率為10-60m。此外，Sentinel-2還提供Landsat無法提供的獨特功能，比如紅邊、10m和20m可見的短波紅外波段等。同時，研究人員一直在積極尋找將Sentinel-2和Landsat結(jié)合使用的方法。

    Landsat-9將攜帶兩臺儀器，OLI-2和TIRS-2，計劃于2020年12月推出。Landsat-9的每日成像能力將與Landsat-8相當，每天約740個影像，但Landsat-9將通過持續(xù)的8天全球陸地成像來支持預(yù)期的科學(xué)價值，以支持眾多應(yīng)用依賴性，利用14位進一步解決像素到像素的輻射度分辨率，以及更高程度的絕對輻射校準準確性來改善Landsats 1-8的輻射校準。

    Landsat-10是提高測量能力，同時保持連續(xù)性并限制計劃成本。USGS-NASA Landsat科學(xué)團隊在過去幾年中一直積極參與Landsat-10科學(xué)要求和數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范的定義。關(guān)鍵結(jié)論圍繞將時間重訪增加到3-5天無云，將大多數(shù)波段的空間分辨率從30米提升到10米，增加目標光譜帶，改善大氣特征，增強或拓寬新興的Landsat科學(xué)應(yīng)用，并保持不超過Landsat-8 OLI的在軌輻射測量性能。

供稿 / 荔琢 制作 / 荔琢

指導(dǎo) / 蔣衛(wèi)國