美國(guó)“陸地衛(wèi)星”系列最新發(fā)展情況

龔燃 趙晨露 牛慶鋒（北京空間科技信息研究所 中國(guó)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(guó)“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(yùn)載火箭發(fā)射升空。Landsat－9衛(wèi)星屬于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開展的“可持續(xù)陸地成像”（SLI）計(jì)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(duì)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)。

1 任務(wù)背景

Landsat系列衛(wèi)星是美國(guó)從1972年開始發(fā)展的民用陸地資源衛(wèi)星，由NASA和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）合作研制，是美國(guó)綜合對(duì)地觀測(cè)體系中不可或缺的重要組成部分。長(zhǎng)期以來(lái)，Landsat系列衛(wèi)星創(chuàng)建了海量免費(fèi)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(cè)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L(zhǎng)andsat－1～3衛(wèi)星，第二代為L(zhǎng)andsat－4和5衛(wèi)星，第三代為L(zhǎng)andsat－6和7衛(wèi)星，第四代為L(zhǎng)andsat－8和9衛(wèi)星。

2015年3月，NASA和USGS啟 動(dòng) 了Landsat－9項(xiàng)目的開發(fā)工作，衛(wèi)星原計(jì)劃于2023年發(fā)射。2016年，NASA和負(fù)責(zé)監(jiān)督美國(guó)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(dòng)“可持續(xù)陸地成像計(jì)劃”（2016－2035年），開發(fā)Landsat－9衛(wèi)星為該計(jì)劃最緊迫和重要的事項(xiàng)。該諒解備忘錄還呼吁美國(guó)開發(fā)小型化載荷等創(chuàng)新系統(tǒng)，并進(jìn)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(xiǎn)。

Landsat系列衛(wèi)星發(fā)射情況

2 基本情況

衛(wèi)星及有效載荷

Landsat－9衛(wèi)星運(yùn)行在高度705km，傾角98.2°的太陽(yáng)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(yùn)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(xiǎn)，提供連續(xù)、長(zhǎng)期的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以支持對(duì)陸地特征的變化進(jìn)行長(zhǎng)期、精細(xì)的對(duì)比分析。盡管如此，總體上衛(wèi)星成像能力更高，壽命更長(zhǎng)，定標(biāo)精度更高。

Landsat－9衛(wèi)星也攜帶2臺(tái)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(jì)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(tái)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(gè)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(chǎng)角15°，幅寬仍保持185km。主要技術(shù)改進(jìn)包括兩點(diǎn)：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(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，以及進(jìn)行對(duì)日和對(duì)月校準(zhǔn)的能力。

TIRS－2在Landsat－8衛(wèi)星星載TIRS的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，主要包括采用了新的光學(xué)組件，在設(shè)計(jì)方面可最大限度減少雜散光，保護(hù)儀器免受雜散光的影響，且開發(fā)了冗余電子設(shè)備。簡(jiǎn)化了制造和組裝的過程，將儀器壽命延長(zhǎng)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(cè)量分辨率。TIRS－2與TIRS一樣，可采集2個(gè)熱紅外譜段（長(zhǎng)波紅外）的地表輻射圖像，以測(cè)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(chǎng)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)

地面段

Landsat－9衛(wèi)星運(yùn)行架構(gòu)與Landsat－8衛(wèi)星相同，均由任務(wù)運(yùn)行中心（MOC）、運(yùn)行飛行團(tuán)隊(duì)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)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(duì)NASA戈達(dá)德空間飛行中心（GSFC）和USGS地球資源觀測(cè)與科學(xué)中心（EROS）之間的遙測(cè)與指令進(jìn)行了改進(jìn)和一系列“地面準(zhǔn)備測(cè)試”（GRT）。NASA戈達(dá)德空間飛行中心采用了全新的陸地衛(wèi)星多衛(wèi)星運(yùn)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(duì)其硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了升級(jí)，以提高LMOC系統(tǒng)和GNE系統(tǒng)相互對(duì)話的能力，向衛(wèi)星發(fā)送運(yùn)行指令，同時(shí)確保遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕】蹬c安全。

數(shù)據(jù)分發(fā)

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(fèi)下載且不受限制。每年，USGS都會(huì)向成千上萬(wàn)的用戶分發(fā)數(shù)百萬(wàn)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(fèi)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(lái)陸地覆蓋和陸地利用變化情況。

3 應(yīng)用情況

在早期的Landsat任務(wù)中，USGS依靠由合作國(guó)家運(yùn)營(yíng)的國(guó)際地面站網(wǎng)絡(luò)來(lái)下行鏈路和存儲(chǔ)Landsat圖像。2006年，USGS認(rèn)識(shí)到外部用戶擁有的Landsat數(shù)據(jù)量（估計(jì)有400萬(wàn)幅圖像）已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過EROS的USGS Landsat檔案（估計(jì)有190萬(wàn)幅圖像）。2010年，USGS 啟動(dòng)了美國(guó)“陸地衛(wèi)星全球檔案整合”（LGAC）計(jì)劃，該計(jì)劃到2019年12月已獲取并重新處理了超過500萬(wàn)幅圖像，大幅擴(kuò)展了Landsat檔案的覆蓋范圍，這相當(dāng)于啟動(dòng)了一項(xiàng)額外的Landsat任務(wù)并擴(kuò)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(fèi)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(jìn)了新的應(yīng)用。2009年，在這項(xiàng)政策免費(fèi)開放訪問的第一年，用戶下載了近100萬(wàn)幅圖片。2014年，美國(guó)政府開展了一項(xiàng)對(duì)國(guó)家民用地球觀測(cè)計(jì)劃的評(píng)估，將Landsat評(píng)為美國(guó)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(guó)和全球其他國(guó)家在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和牧場(chǎng)資源、土地利用和測(cè)繪、地質(zhì)、水文、沿海資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害響應(yīng)和國(guó)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(jì)Landsat圖像在2017年為美國(guó)用戶帶來(lái)的收益為20.6億美元，為國(guó)際用戶帶來(lái)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(jì)算，2017年國(guó)內(nèi)和國(guó)際用戶收益估計(jì)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(jì)算供應(yīng)商，在云中下載和處理數(shù)據(jù)。根據(jù)2018年美國(guó)政府的云計(jì)算戰(zhàn)略，USGS在2020年將其Landsat衛(wèi)星全球數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)于一些用戶來(lái)說(shuō)，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(fèi)整個(gè)工作時(shí)間的80%來(lái)下載和處理文件，使用云計(jì)算則無(wú)需下載、本地存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量時(shí)間。云計(jì)算還允許用戶訪問空間或臨時(shí)數(shù)據(jù)子集，而不必在本地下載整個(gè)映像和數(shù)據(jù)子集。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為美國(guó)最重要的空間對(duì)地觀測(cè)資產(chǎn)之一，Landsat衛(wèi)星項(xiàng)目的重中之重一直是保持觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，可分析對(duì)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(lái)地球系統(tǒng)發(fā)生的細(xì)微變化，應(yīng)用于地表監(jiān)測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域，因此，Landsat系列衛(wèi)星長(zhǎng)期、連續(xù)的數(shù)據(jù)具有豐富的潛在價(jià)值。迄今，該系列衛(wèi)星創(chuàng)建了最長(zhǎng)的對(duì)地觀測(cè)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(zhǎng)期一致的高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)。Landsat－9衛(wèi)星和SLI計(jì)劃將推動(dòng)該項(xiàng)目進(jìn)入下一個(gè)50年的全球觀測(cè)，將陸地成像數(shù)據(jù)記錄延長(zhǎng)至2035年甚至之后數(shù)年，為監(jiān)測(cè)地球健康的國(guó)際戰(zhàn)略作出重要貢獻(xiàn)。