Landsat 系列卫星数据集详细介绍

danniker

数据简介

美国陆地卫星（Landsat）系列卫星由美国航空航天局（NASA）和美国地质调查局（USGS）共同管理。自1972年起，LANDSAT 系列卫星陆续发射，是美国用于探测地球资源与环境的系列地球观测卫星系统。陆地卫星的主要任务是调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监视和协助管理农、林、畜牧业和水利资源的合理使用，预报农作物的收成，研究自然植物的生长和地貌，考察和预报各种严重的自然灾害（如地震）和环境污染，拍摄各种目标的图像，以及绘制各种专题图等。
Landsat影像均可通过 USGS Earth Explorer 公开获得。USGS Earth Explorer下载链接：
https://earthexplorer.usgs.gov/


图1 Landsat系列影像发射和服役时间

Landsat 1-4

        民用地球资源卫星在20世纪60年代中期就由 DOI (Department of the Interior)的USGS (国家地质调查局United States Geological Survey) 进行构思。1966年9月20日，USGS在华盛顿一个新闻宣布会上宣布了最早的专用民用空间地球表面成像项目计划——地球资源观测卫星(EROS)。该任务分配给了NASA，由它计划并建造卫星和相关载荷。
      1966年发起的ERTS项目，在1975年改名为Landsat。因此，早期的 ERTS-1 和 ERTS-2 卫星后来被重新命名为 Landsat-1 和 Landsat-2。
Landsat 1
       Landsat 1 于1972 年 7 月 23 日发射，携带两种传感器：RBV和MSS，一直运行到 1978 年 1 月，比其设计寿命延长了 5 年，结果信息的质量和影响超出了所有人的预期。
Landsat 2
      Landsat 2 最初被命名为 ERTS-B，于 1975 年 1 月 22 日发射。在它在轨时间期间，共收集了 240,000 景影像。Landsat 2 跟 Landsat 1 卫星一样，包含绿色、红色和两个近红外波段。
Landsat 3
Landsat 3 服役5年，共收集了140,000景影像。Landsat 3 跟 Landsat 1和2相似，也包含绿波段、红波段和两个近红外波段。同时，它增加了一个热红外波段，但在发射后不久就失效了。
Landsat 4
Landsat 4 是第一颗配备Thematic Mapper 的卫星，共收集了217,650 景影像。Landsat 4 卫星包含蓝色、绿色、红色、两个近红外、中红外、热红外波段共7个波段，此外，地面分辨率提高到了30m，热红外波段的分辨率为120m。
Google Earth Engine和PIE-Engine 时空遥感云服务平台收录了美国陆地卫星系列中的Landsat 5、Landsat 7、Landsat 8 和 Landsat 9 四颗卫星的多种级别的数据，以下我们将详细介绍相关卫星数据。
Landsat 5
Landsat 5 卫星于1984年3月发射升空，它是一颗光学对地观测卫星，有效载荷为专题制图仪（TM）和多光谱成像仪（MSS）。Landsat 5 卫星所获得的图像是迄今为止在全球应用最为广泛、成效最为显著的地球资源卫星遥感信息源，同时 Landsat 5 卫星也是目前在轨运行时间最长的光学遥感卫星。2012年12月21日，USGS宣布：由于冗余陀螺仪发生故障，Landsat 5 即将退役。该卫星携带了三颗陀螺仪进行姿态控制，并且需要两颗陀螺仪来保持控制。Landsat 5 的设计寿命是3年，但是它持续运转了28年零10个月，是世界上寿命最长的地球观测卫星。
Google Earth Engine和PIE-Engine 时空遥感云服务平台已经收录了该卫星遥感数据，保存着20多年的 Landsat 5 卫星数据，主要为 Landsat 5 Collection 2 TOA 和 Landsat 5 Collection 2 Surface Reflectance 两个数据集。
Landsat 7
Landsat 7 卫星于1999年4月15日发射升空，这颗卫星搭载了 Enhanced Thematic Mapper Plus（增强型专题制图仪），相比于 Landsat 4 和 Landsat 5 搭载的 TM 传感器，ETM+ 有以下优点：
（1）增加了一个15m空间分辨率的全色波段；（2）拥有一个60m空间分辨率的热红外波段。
2003 年 5 月，Landsat 7 的扫描线校正器 (SLC) 出现机械故障。从那时起，由于 SLC 故障，Landsat 7 图像导致部分数据丢失。
Landsat 8
Landsat 8 卫星于2013年2月发射升空，卫星搭载 OLI（Operational Land Imager 陆地成像仪）和 TIRS（Thermal Infrared Sensor 热红外传感器）两种传感器，每16天可以实现一次全球覆盖。
OLI 包括9个波段，空间分辨率为30米，其中包括一个15米的全色波段，成像宽幅为185x185km。TIRS 用于收集地球两个热区地带的热量流失，能够了解所观测地带水分消耗。
Landsat 8 卫星有11个光谱带，11个光谱波段中有7个与 Landsat 7 上的 ETM+基本一致。
Landsat 8 波段包括蓝色、绿色、红色、NIR、SWIR-1、SWIR-2 和 30m 分辨率的卷云波段。全色波段的分辨率为15m，TIRS的分辨率为100m。
Google Earth Engine和PIE-Engine 时空遥感云服务平台收录了共4种Landsat 8 数据集，分别为：
Landsat 8 Collection 2 Surface Reflectance
Landsat 8 Collection 2 Top of Atmosphere
Landsat 8 Surface Reflectance
Landsat 8 Top of Atmosphere 数据。
Landsat 9
Landsat 9 卫星于2021年9月27日发射升空，卫星携带二代陆地成像仪（Operational Land Imager 2，OLI-2）和二代热红外传感器（Thermal Infrared Sensor 2，TIRS-2）。
OLI-2 将捕获地球表面可见、近红外和短波红外波段的观测，辐射测量精度从 Landsat 8 的12位量化提高到14位量化，并略微提高了总体信噪比。TIRS-2 将通过两个波段测量地球表面的热红外辐射或热量，这两个波段的性能比 Landsat 8 的热红外波段要好。
OLI-2 设计是 Landsat 8 的OLI的备份，将提供与先前陆地卫星光谱、空间、辐射和几何质量一致的可见和近红外/短波红外（VNIR/SWIR）图像。OLI-2 将提供9个光谱波段的数据，所有波段的最大地面采样距离（ground sampling distance，GSD）为30米(m)，但全色波段除外。全色波段的GSD为15米。OLI-2 将提供内部校准源，以确保辐射测量的准确性和稳定性，并具备太阳和月球校准的能力。
Landsat 9 的二代热红外传感器（TIRS-2）将与 Landsat 8 上TIRS一样，在两个热红外波段测量地面发出的热辐射，但在风险等级和设计上，TIRS-2将进行改进，以尽量减少杂光影响。TIRS-2将提供两个谱带，最大地面采样距离均为100 m。此外，TIRS-2提供了一个内部黑体校准源以及空间视图功能。TIRS-2由NASA戈达德航天飞行中心设计。
Google Earth Engine和PIE-Engine 时空遥感云服务平台目前已经接入 Landsat 9 数据，主要包括两个数据集 Landsat 9 Collection 2 Surface Reflectance 和 Landsat 9 Collection 2 Top of Atmosphere。
Collection 1 与 Collection 2 数据集介绍
根据USGS公布的消息，从2022年1月1日开始，所有新的 Landsat 数据将全部采用 Landsat Collection 2，之前的存档数据将持续进行重生产，Collection 1 产品可供搜索和下载到2022年12月31日。
Landsat Collection 1 简介
Collection 1 的数据集主要是 Level-1 的数据。Level-1 的数据均经过几何校正（geometric correction）和辐射定标（Radiometric correction），分为三种几何校正的等级（L1TP、L1GT 和 L1GS）。
▶L1TP 处理等级：经过辐射定标和使用地面控制点（GCPs；地面控制点来源于 GLS2000数据集）和数字高程模型（DEM）进行的高精度正射校正；
▶L1GT 处理等级：经过辐射定标和星历数据与 DEM 数据进行几何校正；
▶L1GS 处理等级：经过辐射定标和仅基于星历数据的系统几何校正。
其中，质量最高的为 L1TP 数据，也是我们目前最常用的。
根据数据的处理水平和数据质量情况，L1级数据又会被分成三种类型的数据：Real-Time (RT)、Tier 1 (T1)和Tier 2 (T2)，通过文件名很容易识别。
▷Real-Time (RT)
新获取的Landsat 8 OLI/TIRS 数据在下行链路上进行处理，主要应用于应急的情况，一般可在 12 小时（通常为 4-6 小时）内下载。并在数据获取后的 14 到 16 天内重新处理，得到T1或T2产品。
▷Tier 1 (T1)
数据质量最好的Landsat影像被处理为T1，如少云等，主要存在于L1TP处理等级中，几何误差优于12米RMSE。这些数据做过很好的几何校正和辐射定标，适合于多时相数据分析。
▷Tier 2 (T2)
处理中没有达到 T1标准的Landsat 影像被归为T2，T2和T1的辐射标准相同, 由于缺少轨道信息，大范围云层覆盖等因素造成选择的地面控制点不够，没有达到T1的几何精度标准。它主要包括 L1GT和L1GS处理等级数据。
如下为三种类型数据的命名：
Real-Time: LE07_L1GT_037035_20160314_20160314_01_RT
Tier 1: LE07_L1TP_016039_20040918_20160211_01_T1
Tier 2: LT04_L1GS_017036_19821115_20160315_01_T2
注意：影像的像元值需要乘以0.0001（scale factor）才能转化为地表反射率的值。
比如：Collection 1 Level 2的影像的像元值为6000，那么该像元的反射率值为0.6。
Landsat Collection 2 简介
Collection 2 数据集主要包括 Level-1 和 Level-2 两种级别的数据。其中 Level-2 为多光谱经过大气校正的地表反射率图像和地表温度数据。
Collection 2 Level-1 数据
相对于 Collection 1 Level 1 的数据，Collection 2 Level 1 数据提高了几何校正和辐射定标的精度。特别是几何校正的精度有了很大的提高，采用了新的地面控制点版本（GCPs Phase 4）。GCPs Phase 4 融合了 Landsat 8 和欧空局（ESA）发布的哨兵2（Sentinel-2）两者的控制点，很大程度上提高了影像的集合校正精度。
Landsat Collection 2 Level-1 更新了 Landsat 8 TIRS 和 OLI 绝对辐射校准和相对增益。
Collection 2 Level-2 数据
Landsat Collection 2 Level-2 提供的是多光谱波段地表反射率和热红外波段地表温度产品，即多光谱数据经过了大气校正处理。采用的大气校正的算法也有所提高。
注意：影像的像元值需要乘以0.0000275再减去0.2（scale factor）才能转化为地表反射率的值。
比如：Collection 2 Level 2 的影像多光谱波段的像元值为32000，那么该像元的反射率值为0.68。
对于热红外波段，影像的像元值需要乘以0.00341802再加上149再减去273.15（scale factor）才能转化为以摄氏度为单位的地表温度。
比如：Collection 2 Level 2 的热红外波段的像元值为45000，那么该像元的地表温度值为29.6609°C。
参考文章：
https://blog.csdn.net/qq_40609412/article/details/123067787