Landsat

Landsat — это программа совместных спутниковых наблюдений Земли, реализуемая Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Геологической службой США (USGS). Программа обеспечивает непрерывный, глобальный и мультиспектральный сбор данных о поверхности планеты с 1972 года. Landsat является старейшей и наиболее продолжительной гражданской программой дистанционного зондирования Земли, предоставляющей архив снимков высокого и среднего разрешения, доступный для бесплатного использования.

История

Предпосылки и начало программы

Идея создания системы спутников для наблюдения за земными ресурсами возникла в 1960-х годах. В 1966 году NASA предложило проект «Earth Resources Observation Satellites» (EROS). Первый спутник серии, изначально названный Earth Resources Technology Satellite (ERTS-1), был запущен 23 июля 1972 года с базы Ванденберг (Калифорния). В 1975 году спутник был переименован в Landsat 1. Его основной задачей было получение изображений в четырёх спектральных диапазонах с разрешением 80 метров.

Развитие серии (1970–1990-е)

Второй спутник, Landsat 2, был запущен в 1975 году, а Landsat 3 — в 1978 году. Эти аппараты продолжили сбор данных, однако их срок службы был ограничен. В 1982 году на орбиту вышел Landsat 4, оснащённый усовершенствованным сканером Thematic Mapper (TM), который обеспечивал разрешение 30 метров в видимом и инфракрасном диапазонах. Landsat 5, запущенный в 1984 году, проработал рекордные 29 лет — до 2013 года, став самым долгоживущим спутником программы. В 1993 году запуск Landsat 6 окончился неудачей из-за аварии ракеты-носителя.

Коммерциализация и возврат к государственному управлению

В 1980-х годах программа была передана в частное управление компании EOSAT, что привело к росту цен на снимки и ограничению доступа. В 1992 году Конгресс США принял «Закон о политике дистанционного зондирования Земли» (Land Remote Sensing Policy Act), который вернул управление программой правительству. Landsat 7, запущенный в 1999 году, стал первым спутником, работающим в рамках новой политики. Он был оснащён сканером Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), но в 2003 году у него вышел из строя корректор строк (Scan Line Corrector), что привело к появлению полос пропуска данных на снимках.

Современный этап (2000-е — настоящее время)

В 2013 году был запущен Landsat 8 (изначально — LDCM, Landsat Data Continuity Mission). Он оснащён двумя инструментами: Operational Land Imager (OLI) и Thermal Infrared Sensor (TIRS), обеспечивающими 11 спектральных каналов и разрешение до 15 метров в панхроматическом режиме. Landsat 9, запущенный 27 сентября 2021 года, является копией Landsat 8 и призван обеспечить преемственность данных. Программа продолжает развиваться: NASA и USGS работают над концепцией Landsat Next, которая предусматривает создание группировки из трёх спутников с повышенным спектральным и временным разрешением.

Технические характеристики и инструменты

Орбитальные параметры

Все спутники Landsat находятся на солнечно-синхронной орбите высотой около 705 км. Они пересекают экватор в одно и то же местное солнечное время (обычно около 10:00–10:15 утра). Период повторного покрытия одной и той же точки составляет 16 дней для Landsat 8 и 9 (при совместной работе — 8 дней). Ширина полосы съёмки — 185 км.

Основные сенсоры

• Return Beam Vidicon (RBV) — телевизионные камеры, использовавшиеся на Landsat 1–3 (разрешение 80 м).
• Multispectral Scanner (MSS) — сканер, работавший на Landsat 1–5 (4 спектральных канала, разрешение 80 м).
• Thematic Mapper (TM) — усовершенствованный сканер на Landsat 4 и 5 (7 каналов, разрешение 30 м в видимом и ИК-диапазонах, 120 м в тепловом).
• Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) — на Landsat 7 (8 каналов, разрешение 15 м в панхроматическом режиме).
• Operational Land Imager (OLI) — на Landsat 8 и 9 (9 каналов, разрешение 30 м, включая побережный и циррусовый каналы).
• Thermal Infrared Sensor (TIRS) — на Landsat 8 и 9 (2 тепловых канала, разрешение 100 м, ресемплинг до 30 м).

Спектральные каналы (на примере Landsat 8)

1. Coastal/Aerosol (0,43–0,45 мкм) — изучение прибрежных вод и аэрозолей.
2. Blue (0,45–0,51 мкм) — водные объекты, атмосфера.
3. Green (0,53–0,59 мкм) — растительность, здоровье листвы.
4. Red (0,64–0,67 мкм) — поглощение хлорофиллом.
5. Near Infrared (0,85–0,88 мкм) — биомасса, границы вода-суша.
6. Shortwave Infrared 1 (1,57–1,65 мкм) — влажность почвы и растительности.
7. Shortwave Infrared 2 (2,11–2,29 мкм) — минералы, геология.
8. Panchromatic (0,50–0,68 мкм) — панхроматический канал (15 м).
9. Cirrus (1,36–1,38 мкм) — обнаружение перистых облаков.
10. Thermal Infrared 1 (10,6–11,19 мкм) — температура поверхности.
11. Thermal Infrared 2 (11,5–12,51 мкм) — температура поверхности.

Применение

Сельское и лесное хозяйство

Снимки Landsat используются для оценки состояния посевов, прогнозирования урожайности, картографирования типов сельскохозяйственных культур, мониторинга вырубок лесов, лесных пожаров и восстановления растительности. Данные позволяют выявлять дефицит влаги и распространение вредителей.

Геология и горное дело

Мультиспектральные изображения помогают в поиске полезных ископаемых, картографировании геологических структур, выявлении зон разломов и вулканической активности. Тепловые каналы используются для обнаружения геотермальных источников.

Гидрология и управление водными ресурсами

Landsat применяется для мониторинга площади водоёмов, уровня воды в озёрах и водохранилищах, картографирования пойм, оценки таяния ледников и снежного покрова. Спектральные каналы позволяют оценивать мутность и цвет воды.

Урбанистика и землепользование

Данные программы используются для картографирования городских территорий, анализа разрастания городов, оценки изменений в землепользовании (например, перевод сельхозземель в застройку). Архив снимков за 50 лет позволяет отслеживать долгосрочные изменения ландшафта.

Мониторинг стихийных бедствий

Снимки Landsat применяются для оценки ущерба от наводнений, ураганов, землетрясений, оползней и извержений вулканов. Тепловые каналы помогают отслеживать активные пожары и их последствия.

Экология и климат

Программа используется для изучения изменений в экосистемах, мониторинга состояния коралловых рифов, мангровых зарослей, болот и арктической тундры. Данные Landsat входят в глобальные системы наблюдения за климатом (например, в программу Global Climate Observing System).

Доступ к данным и политика распространения

Бесплатный доступ

С 2008 года USGS предоставляет все архивные и текущие данные Landsat бесплатно через интернет-порталы (EarthExplorer, GloVis). Это стало одним из крупнейших открытых архивов данных дистанционного зондирования в мире. Объём архива превышает 10 миллионов снимков.

Форматы и обработка

Снимки поставляются в формате GeoTIFF с уровнем обработки L1TP (орторектифицированные, с коррекцией рельефа). Доступны также продукты более высоких уровней: L2 (поверхностная отражательная способность) и L3 (композитные мозаики, например, Global Land Survey). Для работы с данными существуют специализированные инструменты (QGIS, ArcGIS, ENVI) и облачные платформы (Google Earth Engine, Amazon Web Services).

Интересные факты

• Самая длинная непрерывная запись: Landsat — единственная программа, предоставляющая непрерывный глобальный архив снимков с 1972 года по настоящее время.
• Рекорд долголетия: Landsat 5 проработал 29 лет, сделав более 2,5 миллиона снимков.
• Смена названия: Первый спутник программы назывался ERTS-1, но был переименован в Landsat 1 после запуска второго аппарата.
• Значение для науки: По данным USGS, снимки Landsat используются в более чем 10 000 научных публикаций ежегодно.
• Глобальная мозаика: На основе данных Landsat созданы глобальные безоблачные мозаики, такие как Global Land Survey (GLS) 2000, 2005 и 2010 годов.
• Спасение данных: В 2013 году USGS восстановила и оцифровала архив снимков с Landsat 1–3, которые хранились на магнитных лентах.

Критика и ограничения

Основные ограничения программы связаны с:

• Временным разрешением: 16-дневный цикл повторной съёмки недостаточен для мониторинга быстро меняющихся процессов (например, паводков или облачности).
• Пространственным разрешением: 30 метров не позволяют детально изучать мелкие объекты (отдельные здания, дороги, сельскохозяйственные поля малого размера).
• Облачность: Пассивные оптические сенсоры не могут получать изображения через облачный покров, что ограничивает их использование в тропических регионах.
• Проблемы с Landsat 7: Неисправность корректора строк (SLC-off) с 2003 года привела к появлению полос пропуска, что требует дополнительной обработки снимков.

Источники

• USGS. «Landsat Science». Геологическая служба США.
• NASA. «Landsat Program». Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.
• Markham, B. L., et al. «Landsat-8: The Operational Land Imager and Thermal Infrared Sensor». Remote Sensing of Environment, 2014.
• Wulder, M. A., et al. «Landsat: The Past, Present, and Future of Earth Observation». Remote Sensing of Environment, 2019.
• «Land Remote Sensing Policy Act of 1992». Public Law 102-555.