Landsat-8：地球全球变化研究的科学和产品前景外文翻译资料

Landsat-8: Science and product vision for terrestrial global change research

1. Introduction

At over 40 years, the Landsat series of satellites provides the longest temporal record of space-based surface observations. Landsat 1 was launched in 1972 and was followed by a series of consecutive, temporally overlapping, Landsat observatories (Landsat 2, 3, 4, 5 and 7) that have provided near-global coverage reflective and thermal wavelength observations with increasing spectral and spatial fidelity (Lauer, Morain, amp; Salomonson, 1997; Loveland amp; Dwyer, 2012; Williams, Goward, amp; Arvidson, 2006). Remarkably, the Landsat record is unbroken, with most land locations acquired at least once per year since 1972, capturing a period when the global human population has more than doubled (United Nations Population Division, 2011) and evidence for climate change has become discernible (Hansen, Sato, amp; Ruedy, 2012; IPCC, 2013). Landsat data offer a unique record of the land surface and its modification over time. The Landsat moderate spatial resolution is sufficiently resolved to enable chronicling of anthropogenic and natural change at local to global scale (Gutman et al., 2008; Townshend amp; Justice, 1988) and the data time series are calibrated to provide a characterized consistent record (Markhamamp; Helder, 2012) that is needed to enable discrimination between data artifacts and actual land surface temporal changes (Roy et al., 2002). Landsat data have demonstrated capabilities for mapping and monitoring of land cover and land surface biophysical and geophysical properties (Hansen amp; Loveland, 2012; Wulder, Masek, Cohen, Loveland, amp; Woodcock, 2012) and potential utility for terrestrial assimilation and biogeochemical cycling and land use forecasting applications (Lewis et al., 2012; Nemani et al., 2009; Sleeter et al., 2012). Applications addressed with Landsat data involve both scientific discovery and managing andmonitoring resources for economic and environmental quality, public health and human well-being, and national security. Analyses of the economic benefits of Landsat vary from $935 million/year (ASPRS, 2006) to $2.19 billion/year (Miller, Richardson, Koontz, Loomis, amp; Koontz, 2013) in support of applications including water resource analysis and management, agriculture and forest analysis and management, homeland security, infrastructure analysis, disaster management, climate change science, wetland protection, and monitoring land cover change.

The 40 year Landsat record was continued with the successful February 11th 2013 launch of Landsat 8 from Vandenburg Air Force Base, California. This new Landsat observatory was developed through an interagency partnership between the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the Department of the Interior U.S. Geological Survey (USGS) (Irons amp; Loveland, 2013). NASA led the mission and was responsible for system engineering and design, developing the flight segment, securing launch services, flight ground systems integration, and conducting on-orbit initialization and verification. NASA referred to the effort as the Landsat Data Continuity Mission (LDCM) during the development, launch, and on-orbit commissioning. USGS led the ground system development and the LDCM was renamed Landsat 8 on May 30th 2013 when the USGS formally took responsibility for mission operations, including collecting, archiving, processing, and distributing Landsat 8 data. Landsat 8 carries two sensors, the Operational Land Imager (OLI) and the Thermal Infrared Sensor (TIRS), and over 500 image scenes per day are ingested into the U.S. Landsat data archive at the USGS Earth Resource Observation and Science (EROS) Center, South Dakota. The new Landsat 8 scenes complement the now more than four million scenes acquired by previous Landsat missions that are stored in the U.S. Landsat archive and are freely available via the internet (Woodcock et al., 2008).

This paper introduces the current (2012–2017) USGS–NASA Landsat Science Team (LST) efforts to establish an initial understanding of Landsat 8 capabilities and the steps ahead in support of science team identified priorities. These priorities and the purpose and focus of the current LST are first introduced. This is followed by an overview of the Landsat 8 mission objectives, sensors, orbit, data acquisition, and standard data products to provide context for the subsequent sections. Preliminary evaluation of Landsat 8 capabilities and identification of new science and applications opportunities are highlighted, followed by insights into the development of derived lsquo;higher-levelrsquo; Landsat products, international synergies between Landsat and othermoderate resolution remote sensing satellites, and a conclusion that includes consideration of successor Landsat mission requirements.

4.6 Land cover, condition, disturbance and change

Landsat data have been used since the beginning of the Landsat program to monitor the status and changes of the Earths land cover and condition and have become the core of many institutional large-area land cover mapping and monitoring initiatives. Additionally, the combination of free Landsat data and the increasing afford ability of computer processing and storage hardware have catalyzed a blossoming of novel research in both mapping and change detection. Landsat 8 continuity extends the record that is the foundation for land change investigations, and preserves the institutional investments made by land change science and applications programs.

4.6.1. Systematic institutional large-area land cover mapping and monitoring initiatives

US Federal agencies have relied on Landsat data for operational land cover mapping since the 1990s.The United States Multi-Resolution Land Characteristics(MRLC) Consortium was initiated during the Landsat commercial in 1994 to cost-share the compilation of a national dataset

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Landsat-8：地球全球变化研究的科学和产品前景

1.引言

40多年来，Landsat系列卫星提供了最长的空间表面观测记录。Landsat 1于1972年发射，其后是连续的时间上重叠的Landsat天文台（Landsat 2，3，4，5和7），提供了几乎覆盖全球的反射和热波段观测，Landsat系列卫星的空间和光谱分辨率也逐渐在提高。值得注意的是，Landsat的记录是连续的，自1972年以来，每年至少获得一次大部分的土地位置，记录了全球人口增加一倍以上的时期，气候变化的证据已经变得可辨。Landsat数据提供了一个独特的地表及其随时间变化的记录。 Landsat适度的空间分辨率得到充分解决，以便能够在全球范围内记录人为和自然变化并对数据时间序列进行校准，以提供特征一致的记录，以便能够区分数据影像和实际的地表时空变化。Landsat数据已经显示了对地面覆盖和地表生物物理、地球物理性质的绘图和监测的能力、陆地同化和生物地球化学循环以及土地利用预测应用方面的潜在效用。与Landsat数据有关的应用涉及科学发现和管理和监督经济和环境质量，公共卫生和人类福祉以及国家安全的资源。对Landsat经济效益的分析从每年9.335亿美元到每年21.9亿美元，支持水资源分析和管理，农业和森林分析管理，国土安全，基础设施分析，灾害管理，气候变化科学，湿地保护和土地覆被变化监测。

自2013年2月11日在加利福尼亚州范登堡空军基地成功发射的Landsat 8，Landsat系列卫星连续进行了40多年的纪录。这个新的Landsat天文台是通过国家航空与航天局（NASA）和内政部美国地质调查局（USGS）之间的机构间伙伴关系制定的。美国航空航天局接手了这一任务，负责系统工程和设计，开发飞行部门，确保发射服务，飞行地面系统集成以及进行轨道初始化和验证。美国宇航局在开发，发射和轨道调试期间涉及了Landsat数据连续性任务（LDCM）的工作。 USGS领导地面系统开发，LDCM于2013年5月30日更名为Landsat 8，当时USGS正式对特派团作业负责，包括收集，归档，处理和分发Landsat 8数据。 Landsat 8携带两个传感器，即运行性陆地成像仪（OLI）和热红外传感器（TIRS），每天有超过500个图像场景被美国地质调查局地球资源观测与科学研究中心（EROS）中心的美国Landsat数据存档摄入，南达科他州新的Landsat 8影像补充了以前的Landsat任务获得超过四百万个影像，这些影像存储在美国的Landsat档案中，可以通过互联网免费获得。

本文介绍了目前（2012-2017）USGS-NASA Landsat科学小组（LST）的努力，以初步了解Landsat 8的能力，以及在支持科学小组确定的优先事项方面迈出的步骤。 这些优先事项和目前LST的目的和重点是首先介绍。接下来是对Landsat 8任务目标，传感器，轨道，数据采集和标准数据产品的概述，为后续部分提供上下文。 突出强调了Landsat 8能力的初步评估和新的科学和应用机会的确定，其次是对“高层次”Landsat产品的开发，Landsat与其他遥感卫星之间的国际协同作用的认识，以及包括考虑的继任者Landsat任务要求。

4.6土地覆盖，条件，干扰与变化

自陆地卫星计划开始以来，陆地卫星数据已被用来监测地球土地覆盖和条件的状态和变化，并成为许多机构大面积土地覆盖制图和监测举措的核心。此外，免费的Landsat数据的结合以及计算机处理和硬件存储能力的提高使得在土地测绘和检测变化方面的研究有了新的建树。Landsat 8连续性扩展的记录，是土地变化调查的基础，并保留了土地变化科学和应用程序的机构投资。

4.6.1.系统制度性大面积土地覆盖图和监测举措

美国联邦机构自20世纪90年代以来一直依靠Landsat数据进行业务土地覆盖制图。美国的多分辨率土地特征（MRLC）联盟是在1994年的Landsat商业广告中发起的，用于各种机构的土地覆盖项目处理Landsat场景全国数据汇编。USGS国家土地覆盖数据集，USGS Gap分析项目自然植被测绘项目和NOAA沿海变化分析计划（C-CAP）沿海地带覆盖图是联合数据购买的初始产品。这些举措仍在继续，现在包括景观消防和资源管理规划工具项目（LANDFIRE）和美国农业部农田数据层（见第4.5节）。其他国家已通过Landsat参加国家测绘活动。加拿大使用大约2000年的Landsat TM和ETM 数据，以产生可持续发展地球观测森林图（EOSD），该详细产品在各种加拿大应用中发挥作用，包括国家森林资源清查，森林破碎评估和保护保护。澳大利亚Landsat档案目前正在国家层面进行自然资源管理，并支持国家碳库存，使用澳大利亚地质科学研究局Landsat 5和Landsat 7数据。

Landsat数据应用于国际热带森林监测工作。美国航空航天局的“大地测量路径计划”计划为热带地区大面积的大地测绘奠定了基础。由巴西国家空间研究所（INPE）进行的运营PRODES项目一直在使用Landsat数据来监测自1988年以来每年巴西亚马逊的森林砍伐率。“无障碍卫星观察站”（OSFAC）倡议正在使用Landsat等数据来监测刚果盆地森林。 欧洲委员会的联合研究中心TREES-III项目采用泛热带网格抽样方法，从2000年到2010年，对20个20公里的Landsat TM数据样本表征热带森林损失。Hansenetal（2013）最近通过Landsat ETM 数据记录了十年来的全球森林收益和损失。由于这些和其他热带森林监测调查的成功，Landsat数据是2008年启动的联合国REDD（减少毁林和森林退化的排放）计划的关键投入，以支持测量，报告和验证发展中国家的森林覆盖和碳储存。

Landsat 8数据将使这些举措能够继续下去，从而确保与资源管理、政策、研究和应用用户社区的相关性。特别是，Landsat TM和ETM 反射波长通道的信息内容的连续性，包括短波红外波段，对提高裸露土壤与非光合植被的区分和阔叶林和常绿林类型的区分至关重要。在分类的背景下，改进的OLI信噪比有助于更好地区分低反射目标，并改善各种土壤和非光合植被目标之间的区别。新的短波红外波段将改善卷云的检测（图1c），并促进更可靠的土地覆盖图。这在持续多云的地区特别重要，在这些地区，不可靠的云探测需要积极的云掩蔽，并且依赖于从不同时间段合成的Landsat数据。国际研究，特别是在热带和高纬度地区，也将受益于每日图像采集能力的提高和图像测量特性的提高，后者应能在多云的地区实现更准确的图像几何。此外，Landsat 8 OLI全色带与先前的Landsat传感器相比具有更窄的带通量，可在植被和裸露表面之间提供更大的对比度，并且将加强分类培训和验证数据收集。

4.6.2. 新的制图和变化检测方法

虽然空间和光谱特性使得Landsat数据成为地表表征的主力，但Landsat档案的开放已经形成了新的分析时间序列方法来描述地表条件和动力学。关键变化是从基于图像到基于像素的分析的运动。由于Landsat数据现在是免费且随时可用的，因此用户可以基于在给定区域和时间段内使用所有可用的Landsat图像来开发方法，而不仅仅是无云图像的选择子集。这导致了新的时间序列变化表征方法和新的云和阴影掩蔽，镶嵌和时间合成方法的发展，从而利用来自多次采集的最高质量的像素。例如，目前正在使用临时合成方法从一些报告期间收集到的所有Landsat观测值中选出最佳的Landsat观测值，以生成网格化的每周，每月，季节和年度复合材料用于绘制连续30万美元的树木覆盖率，裸露地面和五年树木覆盖率损失和裸地面积。近期的Landsat绘图和变化检测方法侧重于在一个前所未有的范围内的时间尺度量化土地覆盖变化，并采用新颖的时间序列方法。例如，植被变化跟踪（VCT）提供了一套自动化算法，用于使用Landsat时间序列来检测森林干扰，并用于估计美国同期森林的干扰率。LandTrendr算法可以捕获森林中的突发干扰事件和其他土地覆被变化，允许干扰率与政策和经济条件的变化联系起来。所有像素级干扰和变化映射方法将从Landsat8的改进的质量和数据覆盖中受益.Landat8数据代表了不间断的Landsat光谱记录的扩展，为捕获许多土地覆盖过程提供了一组相对一致的光谱带并提供时间比较的基准。

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