第四章 读懂 Landsat 系列
本文整理自我的原创教程《带你轻松理解Landsat系列遥感影像！》，内容基本保持原貌。
Landsat系列卫星是由美国地质调查局（USGS）和美国国家航空航天局（NASA）联合发射的 对地观测卫星系列，用于监测地表变化，始于1972年，是目前全球运行时间最长的对地观测项目， 且免费开放。每颗Landsat卫星都搭载了多光谱传感器，能够采集不同波段的遥感影像， 它们在环境监测、灾害应对、科学研究等方面发挥了巨大的作用。
为什么遥感影像会有不同波段？
不同波长的电磁波对应电磁波谱中不同的波段（图1）；不同的地物对电磁波在不同波段内 具有不同的反射特性。
例如健康的植被在可见光范围内强烈地吸收蓝区和红区能量，而反射绿区能量（图2）， 所以我们会看到草地呈绿色；而在不可见光范围外的近红外波段处，反射率剧增， 与其它地物具有明显区别。
基于这样的原理，遥感传感器通过接收地物在不同波段内反射或发射的电磁波， 从而成像出不同波段的遥感影像，以便识别或区分出不同的地物， 尤其是那些在可见光下难以区分的地物，例如区分一大片区域中那些看起来颜色相同 但类型不同的植被。
基于不同地物在不同波段下具有反射差异的性质，以下给出了一些常用波段及其应用例子：
| 波段 | 波长（μm） | 应用示例 |
|---|---|---|
| Blue | 0.4～0.5 | 能穿透清澈的表层水体，可用于水质浊度检测、评估湖泊富营养化和污染状况 |
| Green | 0.5～0.6 | 健康植被在这个波段反射率较高，可用于监测植被生长状况 |
| Red | 0.6～0.7 | 健康植被在这个波段吸收率较高，可用于监测植被生长状况或植被指数（如NDVI）的计算 |
| Near Infrared | 0.7～1.3 | 健康植被反射强烈，枯萎植被反射率较低，水体几乎不反射只吸收，有助于鉴别植被类型与水体分布 |
| Shortwave Infrared | 1.3～3 | 土壤岩矿反射强烈，有助于地质调查；植被反射率随含水量增加而降低，有助于农业和林业监测 |
| Thermal Infrared | 8～14 | 反映地物热辐射，用于温度和热力分析 |
不同编号卫星的数据有何不同？
当我们从遥感网站下载Landsat系列数据时，会看到系列下有着不同编号卫星的数据。 编号反映了卫星的发射顺序（其中Landsat 6发射失败），而后面的OLI/TIRS、ETM+等简称 则表示这些数据是由什么传感器采集的。由于不同卫星的运行时间和传感器不同， 它们的成像时间和特征也会不同。
Landsat 1-5 MSS
由搭载了 Multispectral Scanner（MSS，多光谱扫描仪）的Landsat 1-5所采集， 覆盖了从上世纪七八十年代到2013年的遥感影像，包含4个波段：
Landsat 4-5 TM
Landsat 4-5 不仅搭载了MSS，还搭载了 Thematic Mapper（TM，专题成像仪）， 包含7个波段：
这里要注意：不同卫星产品的同一波段号不一定对应着电磁波谱中的同一区域。 例如Landsat 4-5 MSS的Band 1是指Green波段，而Landsat 4-5 TM的Band 1却是指Blue波段。 所以在遥感分析中选择波段时，不能光凭波段号去选择， 要清楚不同影像波段号所对应的波谱范围。
Landsat 7 ETM+
由搭载了 Enhanced Thematic Mapper Plus（ETM+，增强型专题成像仪）的Landsat 7所采集， 覆盖1999年至2024年1月。包含8个波段，相比之前增加了Panchromatic（全色）波段， 能捕获更多的光强度，从而获得高分辨率图像：
Landsat 8-9 OLI/TIRS
由搭载了 Operational Land Imager（OLI，陆地成像仪）和 Thermal Infrared Imager Sensor（TIRS，热红外传感器）的Landsat 8-9所采集（分别于2013年2月和2021年9月发射）。 包含11个波段，新增了 Coastal aerosol、Cirrus 和 Thermal Infrared 波段：
其中 Coastal aerosol 波段用于监测沿海地区海洋水色并估算气溶胶特性； Cirrus 波段用于监测卷云（高空大气中一种非常薄的云，会阻挡陆地成像）， 可辅助评估其它波段中的卷云污染；Thermal Infrared 波段可用于监测地表热辐射。
波段组合：一幅影像多种颜色
通过不同的波段组合，我们会得到不同颜色的图像（图7），从而反映出在可见光下 难以区分的地物信息。例如在 Color Infrared（CIR，彩色红外）影像中， 水体（深蓝色或黑色）与植被（鲜红色）形成了鲜明对比，将有利于水体边界的识别与提取。
Landsat Collection 2 Level-2 表面反射率产品概述
Level-1 只经过几何校正和辐射定标，而 Level-2 还经过大气校正， 包括地表反射率和地表温度产品，可直接用于遥感地学分析； 但无法与 Level-1 混用，因为两个级别间的像素类型和值范围有明显差别。
下载的数据包里有什么？
当我们从遥感网站下载一份Landsat数据时，通常会得到这样一份压缩包， 里面的文件以ID+后缀命名：
| 后缀名称 | 文件信息 |
|---|---|
| ANG.txt | Angle Coefficient File，相当于元数据，记录影像ID、传感器、卫星编号、波段数量、投影坐标系等描述信息 |
| B1.TIF, B2.TIF, … | 不同波段（Band）下的单独波段影像 |
| GCP.txt | Ground Control Points，记录几何校正处理时的相关坐标信息 |
| MTL.json / MTL.txt / MTL.xml | Metadata File，分别以 json / txt / xml 格式存储的元数据；MTL.txt 可在 ENVI 中用 Landsat 数据打开助手打开，或在 ArcGIS Pro 中直接打开 |
| QA_PIXEL.TIF | 质量评估（Quality Assessment）图像，浅色区域代表有云覆盖或有阴影 |
| QA_RADSAT.TIF | 质量评估图像，标识出辐射饱和的像元。如果没有，那就不用担心 |
| SAA.TIF / SZA.TIF | 记录成像时的太阳方位角 / 太阳高度角 |
| VAA.TIF / VZA.TIF | 记录成像时卫星观测的方位角 / 高度角 |
| stac.json | SpatioTemporal Asset Catalog File，记录与此份影像相关的描述信息 |
| VER.jpg/txt | VERIFY Report，影像的几何校正验证报告 |
| thumb.jpeg | Thumbnail Image，影像的缩略图，用来预览影像 |
虽然可能我们想要的只是一幅遥感影像，但这些单独的文件尽量都不要更改， 而且 MTL.txt 要与其它文件在同一路径中，这样才能保持信息完整，不影响后续分析。
