Ландсат

Ландсат — это программа совместных американских спутниковых наблюдений Земли, реализуемая Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Геологической службой США (USGS). В рамках программы с 1972 года осуществляется непрерывная серия миссий по получению мультиспектральных снимков земной поверхности среднего разрешения. Спутники «Ландсат» являются одними из наиболее долгоживущих и широко используемых источников данных дистанционного зондирования Земли, обеспечивая глобальное покрытие с периодичностью 16 дней (для одного спутника) и разрешением 15–30 метров на пиксель.

История

Предпосылки и запуск первой миссии

Идея создания системы спутникового наблюдения за ресурсами Земли возникла в начале 1960-х годов. В 1965 году NASA и Министерство внутренних дел США инициировали проект Earth Resources Observation Satellites (EROS). Первый спутник, изначально названный Earth Resources Technology Satellite (ERTS-1), был запущен 23 июля 1972 года с базы Ванденберг (Калифорния) на ракете-носителе Delta 900. После запуска он был переименован в Landsat 1. Спутник нёс на борту две камеры: возвратно-лучевую видиконовую (RBV) и мультиспектральный сканер (MSS), который стал основным инструментом миссии.

Развитие серии (1970–1990-е)

• Landsat 2 (1975) и Landsat 3 (1978) — повторили конструкцию первого спутника, но с улучшенными характеристиками MSS. Landsat 3 также нёс тепловой инфракрасный канал, который вышел из строя вскоре после запуска.
• Landsat 4 (1982) и Landsat 5 (1984) — стали первыми спутниками серии, использующими новую платформу (Multimission Modular Spacecraft) и усовершенствованный инструмент — тематический картограф (Thematic Mapper, TM). TM обеспечивал 7 спектральных каналов с разрешением 30 метров (кроме теплового — 120 м). Landsat 5 проработал рекордные 29 лет, до 2013 года, став самым долгоживущим спутником программы.
• Landsat 6 (1993) — запуск окончился неудачей: спутник не вышел на орбиту из-за отказа разгонного блока.

Современный этап (2000-е — настоящее время)

• Landsat 7 (1999) — оснащён улучшенным тематическим картографом (Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM+). В 2003 году на спутнике вышел из строя корректор линии сканирования (SLC), что привело к появлению полос пропуска данных на снимках. Тем не менее, спутник продолжает работу, предоставляя данные с пропусками.
• Landsat 8 (2013) — запущен под названием Landsat Data Continuity Mission (LDCM). Несёт два новых инструмента: Operational Land Imager (OLI) и Thermal Infrared Sensor (TIRS). OLI обеспечивает 9 спектральных каналов с разрешением 15–30 метров, TIRS — два тепловых канала с разрешением 100 метров.
• Landsat 9 (2021) — преемник Landsat 8, с идентичной конструкцией, но улучшенной калибровкой. Обеспечивает продолжение наблюдений с той же периодичностью и спектральными характеристиками.

Технические характеристики

Орбитальные параметры

Все спутники «Ландсат» работают на солнечно-синхронной орбите высотой около 705 км. Наклонение орбиты составляет 98,2°, что обеспечивает прохождение над экватором в одно и то же местное время (около 10:00–10:15 утра). Период обращения — примерно 99 минут. Повторное покрытие одной и той же точки Земли для одного спутника составляет 16 дней, для двух спутников (Landsat 8 и 9) — 8 дней.

Инструменты

Основные инструменты спутников «Ландсат»:

Данные

Данные со спутников «Ландсат» распространяются в формате GeoTIFF. Каждый снимок покрывает участок земной поверхности размером 185 × 185 км (для Landsat 8/9 — 170 × 185 км). Архив данных насчитывает более 10 миллионов сцен, начиная с 1972 года. С 2008 года все данные программы находятся в открытом доступе и бесплатно предоставляются через портал USGS EarthExplorer.

Применение

Сельское и лесное хозяйство

Снимки «Ландсат» широко используются для мониторинга состояния посевов, оценки урожайности, выявления болезней растений, картографирования типов растительности и оценки лесных ресурсов. Например, по данным Landsat рассчитывается нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI), который позволяет оценивать фотосинтетическую активность растительности.

Геология и картография

Мультиспектральные данные позволяют выявлять геологические структуры, типы горных пород и минералов, а также составлять топографические и тематические карты. Снимки используются для поиска полезных ископаемых, оценки рисков оползней и землетрясений.

Экология и климатология

Программа «Ландсат» обеспечивает долгосрочный мониторинг изменений земной поверхности: таяния ледников, обезлесения, урбанизации, опустынивания, изменений береговой линии. Данные используются для моделирования климатических процессов и оценки воздействия человека на окружающую среду.

Водные ресурсы

Тепловые каналы Landsat 8 и 9 позволяют измерять температуру поверхности водоёмов, что важно для мониторинга теплового загрязнения, оценки испарения и управления водными ресурсами. Мультиспектральные данные помогают определять мутность воды, концентрацию хлорофилла и выявлять цветение водорослей.

Чрезвычайные ситуации

Снимки «Ландсат» оперативно используются для оценки последствий природных катастроф: наводнений, лесных пожаров, ураганов, землетрясений. Например, после крупных пожаров по данным Landsat составляют карты выгоревших территорий и оценивают ущерб.

Доступность и политика данных

С 2008 года программа «Ландсат» перешла на политику свободного и открытого доступа к данным. Это решение было принято после того, как USGS и NASA признали, что коммерческая продажа данных не окупает затрат на эксплуатацию спутников, а открытый доступ стимулирует научные исследования и коммерческие приложения. В результате объём скачиваемых данных вырос с нескольких терабайт в год до десятков петабайт.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, программа «Ландсат» имеет ряд ограничений:

• Разрешение: 30 метров для мультиспектральных каналов недостаточно для детального анализа городских территорий или небольших объектов. Для таких задач требуются данные с разрешением 1–5 метров (например, спутники WorldView, GeoEye).
• Периодичность: 16-дневный цикл может быть недостаточным для мониторинга быстро меняющихся процессов (например, паводков или сельскохозяйственных работ в условиях облачности).
• Облачность: Оптические снимки не могут проникать сквозь облака, что ограничивает их использование в регионах с частой облачностью (тропики, горные районы).
• Устаревание оборудования: Спектральные каналы Landsat 8 и 9, хотя и улучшены по сравнению с предшественниками, всё же уступают по некоторым параметрам (например, по числу каналов) новым коммерческим спутникам.

Будущее программы

В 2024 году NASA и USGS объявили о начале разработки следующего поколения спутников — Landsat Next. Планируется, что это будет группировка из трёх спутников, которые обеспечат более высокое разрешение (10–15 метров для мультиспектральных каналов), увеличенное число спектральных каналов (до 26) и сокращение периодичности до 6 дней. Запуск Landsat Next ожидается в начале 2030-х годов.

Источники

• NASA. Landsat Science. — 2023.
• USGS. Landsat Missions: Timeline. — 2024.
• Loveland T. R., Dwyer J. L. Landsat: Building a Global Land Imaging Program // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. — 2012. — Vol. 78, No. 4. — P. 297–306.
• Wulder M. A. et al. The global Landsat archive: Status, consolidation, and direction // Remote Sensing of Environment. — 2016. — Vol. 185. — P. 271–283.
• Roy D. P. et al. Landsat-8: Science and product vision for terrestrial global change research // Remote Sensing of Environment. — 2014. — Vol. 145. — P. 154–172.