Программа «Лэндсат

Программа «Лэндсат» (Landsat) — это серия американских спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), предназначенных для получения многоспектральных снимков земной поверхности с целью изучения природных ресурсов, мониторинга изменений окружающей среды, сельского хозяйства, картографии и других задач. Программа является старейшей непрерывно действующей космической программой по наблюдению Земли гражданского назначения, начатой в 1972 году. Управление программой осуществляется НАСА (NASA) и Геологической службой США (USGS).

История

Предпосылки и начало программы

Идея создания спутниковой системы для наблюдения Земли возникла в 1960-х годах на фоне успехов программы «Аполлон» и развития технологий дистанционного зондирования. В 1966 году НАСА начало разработку «Программы по изучению природных ресурсов Земли» (Earth Resources Technology Satellite, ERTS). Первый спутник, ERTS-1, был запущен 23 июля 1972 года с базы Ванденберг (Калифорния). После успешного запуска он был переименован в Landsat 1. Спутник нёс многоспектральный сканирующий радиометр (MSS) и возвращаемую камеру RBV.

Развитие серии

В 1975 году был запущен Landsat 2, а в 1978 году — Landsat 3. Эти аппараты имели схожую конструкцию и приборы. В 1982 году на орбиту вышел Landsat 4, который впервые нёс усовершенствованный тематический картограф (TM) с 7 спектральными каналами и разрешением 30 метров. Landsat 5, запущенный в 1984 году, стал рекордсменом по продолжительности работы — он проработал 29 лет до 2013 года, передав более 2,5 миллиона снимков.

Приватизация и возврат к государственному управлению

В 1980-х годах правительство США пыталось передать программу в частный сектор для коммерциализации. В 1985 году управление перешло к компании EOSAT, но из-за низкой рентабельности и высоких затрат в 1992 году Конгресс США принял Закон о политике в области дистанционного зондирования Земли (Land Remote Sensing Policy Act), вернув управление USGS. С 2008 года все архивы снимков Landsat стали бесплатно доступны через интернет.

Современные спутники

Landsat 6, запущенный в 1993 году, не вышел на орбиту из-за аварии ракеты-носителя. Landsat 7 (1999 год) нёс улучшенный прибор ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus) с панхроматическим каналом разрешением 15 метров. В 2013 году был запущен Landsat 8 с приборами OLI (Operational Land Imager) и TIRS (Thermal Infrared Sensor), обеспечивающими 11 спектральных каналов. Landsat 9 (2021 год) является его модернизированной копией. Landsat 10 (Landsat Next) планируется к запуску в начале 2030-х годов.

Технические характеристики

Орбита

Все спутники программы находятся на солнечно-синхронной орбите высотой около 705 км. Период повторного наблюдения одной и той же точки составляет 16 суток (для Landsat 8 и 9 — 8 суток при совместной работе). Орбита обеспечивает глобальное покрытие Земли между 81° северной и 81° южной широты.

Сенсоры

Основные приборы спутников Landsat:

Спектральные диапазоны

Современные спутники (Landsat 8/9) работают в следующих диапазонах:

• Прибрежный аэрозольный (0,43-0,45 мкм) — для изучения прибрежных вод и аэрозолей.
• Синий (0,45-0,51 мкм) — для водных объектов и атмосферы.
• Зелёный (0,53-0,59 мкм) — для растительности.
• Красный (0,64-0,67 мкм) — для растительности и почв.
• Ближний инфракрасный (0,85-0,88 мкм) — для биомассы и влажности.
• Коротковолновый инфракрасный (1,57-1,65 мкм и 2,11-2,29 мкм) — для геологии и влажности почв.
• Панхроматический (0,50-0,68 мкм) — для детализации.
• Тепловые инфракрасные (10,6-11,19 мкм и 11,5-12,51 мкм) — для температуры поверхности.

Применение

Сельское и лесное хозяйство

Снимки Landsat используются для оценки состояния посевов, определения типов культур, мониторинга засух, оценки ущерба от вредителей, картирования лесных пожаров и вырубок. В России данные Landsat применяются для мониторинга сельскохозяйственных угодий в рамках систем точного земледелия и лесного хозяйства.

Геология и горное дело

Многоспектральные данные позволяют выявлять типы горных пород, минеральные зоны, тектонические разломы. Используются для поиска полезных ископаемых, в том числе нефти и газа, а также для оценки оползневой и сейсмической опасности.

Гидрология и водные ресурсы

Спутники фиксируют изменения уровня воды в озёрах и водохранилищах, площадь снежного покрова, ледовую обстановку на реках. Тепловые каналы позволяют измерять температуру поверхности воды, что важно для экологического мониторинга.

Урбанистика и землепользование

Данные Landsat используются для картографирования городов, отслеживания разрастания населённых пунктов, оценки изменений в землепользовании (например, перевод сельхозземель в застройку). В России эти данные применяются при кадастровых работах и градостроительном планировании.

Экология и мониторинг изменений

Программа обеспечивает уникальную возможность анализа долговременных изменений (с 1972 года). Исследуются: сокращение лесов Амазонии, таяние ледников, опустынивание, последствия природных катастроф (наводнения, ураганы, цунами).

Доступ к данным и архивы

Политика открытых данных

С 2008 года USGS предоставляет все снимки Landsat (включая архивные) бесплатно через портал EarthExplorer, а также через сервисы Google Earth Engine, Amazon Web Services и другие. Данные распространяются в формате GeoTIFF с метаданными. Это сделало программу одним из крупнейших источников открытых геопространственных данных в мире.

Уровни обработки

USGS выделяет несколько уровней обработки:

• Level-1 — геометрически и радиометрически скорректированные данные.
• Level-2 — данные с атмосферной коррекцией и расчётом отражательной способности поверхности.
• Level-3 — тематические продукты (например, карты растительности, температуры).

Архив

Общий объём архива Landsat превышает 10 петабайт (на 2023 год). Ежедневно система получает около 700 новых сцен (каждая сцена покрывает площадь 185×185 км). Архив является наиболее полной непрерывной записью поверхности Земли за последние 50 лет.

Значение и критика

Научное значение

Программа Landsat считается основой современного дистанционного зондирования. Её данные используются в тысячах научных публикаций ежегодно. Благодаря долговременному ряду наблюдений стало возможным изучение глобальных изменений климата, биосферы и антропогенного воздействия.

Критика

Основные критические замечания касаются:

• Пространственного разрешения — 30 метров недостаточно для детального анализа городских территорий или точного сельского хозяйства (эту задачу решают спутники с разрешением 1-5 метров, например, российские «Ресурс-П»).
• Временного разрешения — 16-дневный цикл может быть недостаточным для мониторинга быстро меняющихся событий (например, паводков).
• Технические сбои — на Landsat 7 (с 2003 года) вышел из строя сканирующий корректор линии, что привело к появлению полос на снимках. Эта проблема частично решается алгоритмической коррекцией.
• Зависимость от одного источника — хотя программа является открытой, вся инфраструктура управляется США, что создаёт риски для других стран в случае политических ограничений.

Источники

• NASA. Landsat Science. Официальный сайт программы.
• USGS. Landsat Missions. Официальный сайт Геологической службы США.
• «История программы Landsat» — статья в журнале «Remote Sensing of Environment», 2015.
• «Landsat 8: Science and Applications» — монография под редакцией S. Ustin, 2016.
• «Спутниковые системы наблюдения Земли» — учебное пособие, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2020.