地球变化观测者:Landsat卫星记录50年

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持续时间最长观测——Landsat

从空中俯瞰地球，我们需要一双敏锐的眼睛来观察、理解和监测陆地表面的变化。Landsat（陆地卫星）系列，作为地球观测领域的重要一员，提供了独特而详实的数据，深刻影响着我们对地球的科学研究、环境监测和资源管理。

Landsat

陆地卫星计划是运行时间最长的地球观测计划。1972年，Landsat 1卫星首次升空，成为人类历史上第一颗专用于地球观测的卫星，最新的陆地卫星是2021年9月27日发射的Landsat 9。



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运行特点

Landsat

Landsat卫星皆采用与太阳同步的近极地圆形轨道。

1.高度恒定：这种轨道有助于保持图像比例尺的一致性，并使卫星能够覆盖地球上的大部分地区；

2.太阳同步：在相近的光照条件下对地面进行观测，有利于成像质量；

3.近极地轨道：增大卫星对地面总的观测范围，提高监测效率；

4.周期固定：每16~18天重复覆盖一次，对全球进行动态监测



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_3427020605537894400
Landsat Next运行示意视频

视频来源：NASA 科学可视化工作室，戈达德太空飞行中心

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数据获取

Landsat

经过五十多年的观测，陆地卫星计划创建了一个质量和覆盖范围无与伦比的数据档案，提供了有关世界粮食、森林、水以及土地如何变化的完整信息，极大地提高了我们对地球及其自然资源变化过程的了解。

从陆地卫星1号到9号，所有的陆地卫星图像都可以通过 USGS Earth Explorer 公开获取。

USGS Earth Explorer：https://gisgeography.com/usgs-earth-explorer-download-free-landsat-imagery/



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应用领域

Landsat

3.1

农业与粮食安全

Landsat 数据可用于监测农田健康状况、作物类型分布和土壤湿度，帮助农民制定更有效的农业管理策略。

助力孟加拉国农民种植水稻



孟加拉国地区2023年6月4日之前两周内可能发生过度灌溉的特定区域

孟加拉国农业部与华盛顿大学合作，通过IRAS计划（综合水稻咨询系统）以及NASA的数据，向农民提供有关灌溉需求的信息。

研究人员使用Landsat的图像和数据确定农业地点的用水量，用GPM（全球降水测量任务）跟踪地区的降水总量。

IRAS团队于2023年6月完成了首次全国性工作，为孟加拉国1000多万农民提供了灌溉咨询。该计划有可能将孟加拉国的农业用水浪费减少约30%，减少45%的农业燃料消耗，每年节省1.15亿美元的燃料补贴，每年减少30万吨的碳排放。

助力农田水资源管理



2018 年12月26日使用Landsat8上的OLI（可操作陆地成像仪）获取，显示了萨克拉门托河和羽毛河沿岸被洪水淹没的稻田

（被淹没的田地呈深蓝色;植被是鲜绿色的）

通过OpenET（遥感模型的集合）测试，利用卫星的数据来计算蒸散（ET）——水蒸气从土壤和植物叶子进入大气中的运动。OpenET的主要观测结果来自Landsat 8、Landsat 9卫星，结合相关地表温度和植物绿度等数据，将数据输入模型计算蒸散量。

在农业地区，OpenET计算的蒸散量，特别是对于小麦、玉米、大豆和水稻等一年生作物，准确性很高，有利于准确了解植物成长所需的水量。

3.2

城市规划

卫星提供的高分辨率图像可以用于城市扩张、土地利用规划和交通网络设计，为城市发展提供科学支持。

在太空观察人类足迹



中国华南地区的住区足迹演变发展

图片来源：DLR地球观测中心

为了加深对当前全球城市化趋势的理解，欧空局和德国航空航天中心（DLR）与谷歌地球引擎团队合作，共同开发了世界住区足迹——世界上最全面的人类住区数据集。

WSF Evolution （世界住区足迹演变）是通过处理 1985 年至 2015 年间收集的美国 Landsat 卫星的 700 万张图像生成的，展示了全球人类住区的逐年增长。

城市热岛分析



Landsat 8 图像（时间间隔 2014–2016 年）的曼谷平均 SUHI 地图

通过2014年至2016年期间Landsat 8图像的反射和热数据，处理了曼谷城市规划不同土地利用类别下的SUHI模式识别。分析指出，放置在城市核心的类别（高密度住宅、商业、历史和军事类别）表现出最高的SUHI平均强度（约4°C）;而离市中心较远的地方，植被区域更广阔，SUHI平均强度较低。

地表城市热岛(SUHI)即是城市化进程中土地覆被剧烈变化的重要气候结果,它的形成加剧了城市的空气污染,对居民的身体健康造成严重威胁。

3.3

环境监测

Landsat 对地球表面变化进行持续、可靠、重复的观测，可记录灾害前后的地球地表，是评估风险、绘制破坏程度和规划灾后恢复的重要工具。

用卫星评估飓风伊恩的影响



截至2022年10月3日的佛罗里达半岛扰动概率图。

图片来源：Su Ye，康涅狄格大学GERS实验室

2022年9月8日，美国历史上第五大飓风伊恩在佛罗里达海岸登陆。研究人员使用HLS（Harmonized Landsat and Sentinel-2）数据集创建了高分辨率土地扰动地图，基于HLS的分析揭示了佛罗里达州的大规模损害模式，并指出了损害热点的位置。详细说明了飓风和风暴潮造成的破坏，希望地图提供的信息可以帮助当地的团队进行搜索和恢复工作。

了解火山爆发后森林的修复



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_3427019184339927043
圣海伦斯火山喷发后周边森林变化

（视频来源：Matt Radcliff，美国宇航局戈达德太空飞行中心）

1980年5月18日圣海伦斯火山在华盛顿州西南部喷发，在火山喷发之前和之后，Landsat卫星都对该地区进行了定期观测，其数据被用于研究森林如何从非常大的干扰中恢复。

美国林务局的生态学专家一直在研究森林结构受火山喷发的影响，利用Landsat 数据，计算每年的树木覆盖率百分比，观察植被的恢复情况并了解碳储量的变化。

Landsat

在过去的半个世纪中，Landsat的观测记录已成为全球土地利用和地表变化分析的不可或缺的基础。

下一个发射任务Landsat Next将提供更高的空间分辨率和两倍于 Landsat 8、 9的光谱成像波段，旨在收集全球范围内更准确的科学数据，提高人们对地球环境的监测和预测能力。



参考资料

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1.Landsat Science ,https://landsat.gsfc.nasa.gov/

2.NASA 科学可视化工作室，戈达德太空飞行中心

3.Volk, J.M., Huntington, J.L., Melton, F.S. et al. Assessing the accuracy of OpenET satellite-based evapotranspiration data to support water resource and land management applications. Nat Water 2, 193–205 (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00181-7

4.EOC 地理服务地图，https://geoservice.dlr.de/web/

5.Chaiyapon K ,  Stefania B . Urban Heat Island Analysis over the Land Use Zoning Plan of Bangkok by Means of Landsat 8 Imagery[J]. Remote Sensing, 2018, 10(3):440.doi:10.3390/rs10030440



东莞理工学院工程软件重点实验室以工程软件为核心，以工程外部环境监测及数据同化、工程软件底层架构及算法设计、工程软件云服务及产业化平台为主要研究方向，服务国家核心技术自主可控的重大发展战略需求，目标为建成贯穿科学研究、技术开发、市场推广全链条的国家级科研平台。

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