Спутниковая программа Landsat

Спутниковая программа Landsat — это серия американских спутников дистанционного зондирования Земли, предназначенных для сбора мультиспектральных изображений земной поверхности в глобальном масштабе. Программа, реализуемая Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Геологической службой США (USGS), является старейшей непрерывно действующей гражданской программой спутниковой съёмки Земли. Данные Landsat используются для мониторинга изменений окружающей среды, сельского хозяйства, лесного хозяйства, картографирования, геологии и городского планирования.

История

Ранние предпосылки и запуск ERTS-1 (Landsat 1)

Идея создания спутника для наблюдения за Землей возникла в 1960-х годах на фоне успехов космической программы США. В 1966 году министр внутренних дел США Стюарт Юдалл предложил NASA разработать спутник для мониторинга природных ресурсов. В 1967 году NASA и Министерство внутренних дел подписали соглашение о совместной реализации проекта, получившего название «Earth Resources Technology Satellite» (ERTS).

23 июля 1972 года с базы Ванденберг (Калифорния) ракетой-носителем «Дельта-900» был запущен спутник ERTS-1. Он нёс на борту две камеры: возвратно-лучевую видиконовую камеру (RBV) и многоканальный сканирующий радиометр (MSS). MSS, работавший в четырёх спектральных диапазонах (зелёном, красном, двух инфракрасных), стал основным инструментом, обеспечившим пространственное разрешение около 80 метров. В 1975 году, после запуска второго спутника, программу переименовали в Landsat, а ERTS-1 стал Landsat 1.

Развитие программы: от Landsat 2 до Landsat 5

В 1970-е — 1980-е годы программа расширялась. Landsat 2 (1975) и Landsat 3 (1978) были аналогичны первому спутнику. Landsat 4 (1982) и Landsat 5 (1984) стали более совершенными: они несли прибор Thematic Mapper (TM) с семью спектральными каналами и пространственным разрешением 30 метров (кроме теплового канала — 120 м). Landsat 5 проработал рекордные 29 лет (до 2013 года), став самым долгоживущим спутником программы.

В 1980-е годы программа столкнулась с проблемами финансирования. В 1985 году правительство США передало коммерческую эксплуатацию Landsat частной компании EOSAT, что привело к росту цен на снимки и сокращению их доступности. В 1992 году Конгресс США принял Закон о политике в области дистанционного зондирования Земли, вернув управление программой государству.

Landsat 7 и кризис 2003 года

Landsat 7 (1999) нёс усовершенствованный инструмент Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), который добавил панхроматический канал с разрешением 15 метров. В мае 2003 года на спутнике вышел из строя компенсатор скан-лайн-корректора (SLC), что привело к появлению полос с пропусками данных на снимках. Несмотря на это, Landsat 7 продолжал работу, а USGS разработала методы заполнения пропусков.

Landsat 8 и Landsat 9

11 февраля 2013 года запущен Landsat 8 (первоначально — LDCM, Landsat Data Continuity Mission). Он оснащён двумя инструментами: Operational Land Imager (OLI) с 9 каналами (разрешение 30 м, панхроматический — 15 м) и Thermal Infrared Sensor (TIRS) с двумя тепловыми каналами (100 м). Landsat 9 (запущен 27 сентября 2021 года) является почти полной копией Landsat 8, с улучшенной калибровкой и большей ёмкостью бортовой памяти.

Технические характеристики

Орбитальные параметры

Все спутники Landsat, начиная с Landsat 4, работают на солнечно-синхронной орбите высотой около 705 км. Наклонение орбиты — 98,2 градуса. Период обращения — около 99 минут. Спутники пересекают экватор в одно и то же местное время (обычно около 10:00 утра), что обеспечивает стабильные условия освещённости для съёмки. Полный цикл повторения съёмки одной и той же точки составляет 16 дней (для Landsat 8 и 9 — 8 дней при совместной работе).

Спектральные диапазоны

Современные спутники (Landsat 8, 9) работают в следующих спектральных каналах:

Покрытие и объём данных

Каждый снимок Landsat охватывает территорию размером 185 × 185 км (170 × 183 км для Landsat 8/9). Архив USGS содержит более 10 миллионов снимков, начиная с 1972 года. С 2008 года все данные Landsat находятся в открытом доступе и бесплатны для скачивания.

Применение

Сельское хозяйство

Данные Landsat используются для оценки состояния посевов, прогнозирования урожайности, выявления засух и болезней растений. Например, с помощью многолетних рядов снимков отслеживают динамику посевных площадей в России, США, Китае и других странах. В США на основе данных Landsat работает система мониторинга сельскохозяйственных культур (CropScape).

Лесное хозяйство

Спутники Landsat позволяют выявлять вырубки лесов, оценивать их площадь, определять типы лесной растительности и следить за восстановлением лесов после пожаров. В Амазонии система PRODES, основанная на данных Landsat, ежегодно фиксирует масштабы обезлесения.

Геология и горное дело

Мультиспектральные снимки помогают картировать геологические структуры, выявлять зоны минерализации, оценивать запасы полезных ископаемых. Например, в Казахстане и Австралии данные Landsat используются для поиска месторождений урана и золота.

Мониторинг водных объектов

Спутники Landsat применяются для изучения состояния озёр, рек, водохранилищ и прибрежных зон. Они позволяют оценивать цветность воды, содержание взвешенных веществ, хлорофилла, а также отслеживать изменения береговой линии. В России данные Landsat используются для мониторинга уровня Каспийского моря и состояния озера Байкал.

Урбанизация и землепользование

Многолетние архивы снимков позволяют изучать рост городов, изменения в землепользовании, расширение сельскохозяйственных угодий. Например, с помощью Landsat было выявлено, что площадь Москвы с 1985 по 2020 год увеличилась более чем вдвое.

Климатические исследования

Данные тепловых каналов Landsat используются для оценки температуры поверхности Земли, что важно для изучения городских «островов тепла», мониторинга вечной мерзлоты и оценки теплового баланса экосистем.

Критика и ограничения

Пространственное разрешение

Разрешение 30 метров недостаточно для детального изучения отдельных зданий, небольших полей или точечных объектов. Для таких задач требуются спутники с разрешением 1–5 метров (например, WorldView, GeoEye).

Временное разрешение

16-дневный цикл повторения съёмки может быть недостаточным для мониторинга быстро меняющихся процессов (например, наводнений, пожаров). В таких случаях используются спутники с более частой съёмкой (Sentinel-2, MODIS).

Облачность

Спутники Landsat не могут получать снимки через облачный покров. В регионах с высокой облачностью (например, в тропиках) значительная часть снимков может быть непригодна для анализа.

Проблемы с данными Landsat 7

После выхода из строя SLC в 2003 году снимки Landsat 7 содержат полосы с пропусками данных. Хотя USGS разработала методы интерполяции, они не всегда дают точные результаты, особенно для мелких объектов.

Интересные факты

• Программа Landsat является старейшей непрерывной гражданской программой спутниковой съёмки Земли (с 1972 года).
• Всего было запущено 9 спутников Landsat (1–9). Landsat 6 (1993) не вышел на орбиту из-за аварии ракеты-носителя.
• Данные Landsat используются для составления карт Google Earth и Bing Maps.
• В 2015 году USGS объявила, что архив Landsat содержит более 7 миллионов снимков, занимающих более 2 петабайт.
• В России данные Landsat применяются для мониторинга состояния лесов Сибири и Дальнего Востока, а также для оценки последствий наводнений на Дальнем Востоке и в Приморье.

Источники

• USGS. Landsat Missions: A History of the Landsat Program.
• NASA. Landsat Science: The Landsat Program.
• Управление геологической службы США (USGS). Landsat Data Continuity Mission (LDCM) Fact Sheet.
• Журнал «Remote Sensing of Environment». Special Issue on Landsat 8.
• Книга «Landsat: A Global Perspective on Earth Observation» (2019).
• Статья «Landsat 8: The First Five Years» (2018) в журнале «Photogrammetric Engineering & Remote Sensing».