衛星遙感 

引言

從1960年到2010年，遙感技術經歷了顯著的進步。這些進步的許多背景發生在1960年代和1970年代。以下是一些主要的變化。

• 首先，1960年，“遙感”這一概念首次被提出。在此之前，人們通常使用“航空攝影”來描述這一技術。然而，隨着新的方法和技術的出現，傳統的黑白航空照片已經無法滿足需求，因此需要一個新的、更全面的概念來定義這一領域。

• 其次，在1960年代和1970年代，遙感技術的主要載體從飛機轉變為衛星。與飛機相比，衛星能夠覆蓋更廣泛的地球表面，並且能夠定期進行監測。

• 第三，圖像的存儲和傳輸方式從模擬轉變為數字。這一變化使得使用計算機來顯示和分析圖像成為可能，而計算機技術本身在那個時期也在經歷着飛速發展。計算機設備從大型主機逐漸演變為小型微型計算機，並且更多地以圖形方式而不是數字方式來呈現信息。

• 第四，出現了能夠同時記錄地球表面在電磁譜不同部分的多傳感器。這意味着，人們可以通過觀察多個不同波段的圖像來獲取一個區域的詳細信息，其中一些波段是人眼無法感知的。這項技術使得人們能夠發現那些在傳統航空照片上無法察覺的地球表面變化。

• 最後，1960年代和1970年代的社會動盪激發了人們對地球物理環境變化的持續關注。通過衛星獲取的遙感圖像，結合計算機的分析和增強技術，使得我們能夠檢測和監測這些環境變化。因此，儘管“遙感”這個術語對許多人來說可能很陌生，但社會對這項技術的認可和接受一直非常強烈，並且這種趨勢仍在持續。

現今，眾多配備有各種遙感儀器的衛星正在對地球表面進行監測。這些衛星及其遙感計劃的發展根基，可以歸功於CORONA和Landsat計劃的開創性工作。CORONA是一個保密的軍事偵察項目，它通過後續的先進Keyhole（鎖眼）衛星系列一直延續至今。而Landsat則是一個開放的地球資源監測項目，它也通過更先進的Landsat衛星和其他資源監測衛星計劃得以持續發展。本單元將重點介紹這兩個項目的發展歷程。

CORONA：美國首個衛星計劃

CORONA計劃實施於1959年至1972年之間，但美國公眾直到1995年才得知這一計劃的存在。當時，比爾·克林頓總統下令解密了相關圖像。副總統阿爾·戈爾積極倡導圖像的解密工作，目的是為了協助科學家們開展多項環境研究。

U-2偵察機計劃

要充分認識CORONA計劃的重要性，必須了解其歷史背景。第二次世界大戰結束後，隨着美國與蘇聯之間冷戰的加劇，美國迫切需要了解蘇聯的軍事實力，尤其是其遠程轟炸機和洲際彈道導彈（ICBMs）的部署情況。為了獲取這些情報，美國派遣偵察機深入蘇聯及其盟國境內進行偵察飛行。然而，這些偵察機只能抵達蘇聯邊境附近，而關鍵情報位於蘇聯廣袤內陸的核心區域。許多偵察機及其機組人員在執行任務時不幸失蹤。因此，美國急需一種新型飛機，它必須能夠飛得足夠高，以避開蘇聯飛機和地對空導彈的攻擊。更重要的是，這種飛機還需要具備在蘇聯中部上空拍攝高清晰度航空照片的能力。

1954年，美國總統德懷特·艾森豪威爾指示中央情報局（CIA）與美國空軍合作，與洛克希德公司達成協議，研發一種新型高空偵察飛機。這一協議促成了洛克希德公司內部秘密研發部門——臭鼬工廠（Skunk Works）的建立，凱利·約翰遜（Kelly Johnson）和他的工程師團隊僅用幾個月的時間就成功研發出了U-2偵察機。艾森豪威爾意識到，在別國領土上空使用這種飛機會侵犯該國的主權，可能導致軍事報復。然而，他面臨着來自美國軍事工業複合體的巨大壓力，他們要求他應對蘇聯在美國看來擁有的龐大轟炸機和洲際彈道導彈（ICBMs）優勢，以及蘇聯領導層的口頭威脅。在使用這種飛機之前，艾森豪威爾曾向蘇聯提議，允許兩國互相派遣偵察機飛越對方領土，以便各自獲取對方軍事實力的準確信息，但這一提議被蘇聯拒絕了。

1956年7月4日，U-2偵察機首次飛越蘇聯領空。這架飛機從西德起飛，途經波蘭、白俄羅斯、莫斯科、列寧格勒以及蘇聯波羅的海沿岸國家，飛行高度達到了驚人的70,000英尺（約21,336米），比當時其他任何飛機的飛行高度都要高出約25,000英尺（約7,620米）。在每次任務中，U-2偵察機使用兩台高分辨率相機，每台相機可曝光長達3,600英尺（約1,097米）的膠片。其中一台相機配備了長焦距鏡頭，能夠清晰捕捉到地面直徑為兩到三英尺（約60到90厘米）的物體。在接下來的幾年裡，U-2偵察機多次執行類似的飛越任務，而每次都引發了蘇聯的正式外交抗議。除了蘇聯，U-2偵察機還曾飛越其他國家執行偵察任務。最終，在1960年5月1日，蘇聯使用14枚SA-2地對空導彈成功擊落了一架在其領空飛行的U-2偵察機。幸運的是，飛行員弗朗西斯·加里·鮑威爾斯（Francis Gary Powers）在跳傘逃生後倖存下來。幾個月後，即1960年8月，蘇聯舉辦了一場備受矚目的審判，旨在公開揭露和羞辱美國。在這次事件之後，美國同意不再派遣偵察機飛越蘇聯、共產主義中國以及東歐國家上空，這些國家後來被稱為“拒絕區域”。U-2偵察機在蘇聯的飛行任務揭示了美國和蘇聯之間在轟炸機和導彈力量上並不存在所謂的“差距”。這一發現使得艾森豪威爾總統，在離任前，對美國民眾發出了關於軍事工業複合體影響力和其在制定美國政策中作用的警告。艾森豪威爾指出，正是這種複合體的壓力導致了U-2偵察機的開發，並可能引發與蘇聯的衝突。此後，U-2偵察機還在世界其他地區，尤其是古巴和越南，執行了偵察任務。

圖1展示了一張由U-2偵察機拍攝的蘇聯遠程轟炸機機場的航拍照片。通過這張照片，我們可以清點排列在機場跑道上的轟炸機數量。照片中沿飛機排列方向有幾個空曠區域，這些可能是為正在飛行中的飛機準備的停機區。在照片的左上角，可以看到兩架轟炸機，它們可以輕鬆地滑行到跑道進行快速起飛。機場中間似乎也有一架轟炸機。在機場的兩端，有較小的飛機，可能是用來保護機場免受攻擊的戰鬥機。這些轟炸機很可能是圖波列夫Tu-95，這是一種大型四引擎渦輪螺旋槳驅動的飛機，既是遠程轟炸機也是導彈平台。它的後掠翼角度為35度，對於螺旋槳驅動的飛機來說，這是一個非常尖銳的角度。

圖1：蘇聯某機場的U-2航拍照片

CORONA計劃

美國從U-2偵察機計劃一開始就意識到，蘇聯很快就會找到擊落U-2的方法。因此，美國在1956年，也就是第一架U-2飛越蘇聯的大約同一時間，開始研發基於軌道衛星的偵察系統。這個系統後來被稱為CORONA。1960年8月19日，當鮑威爾斯受審時，第一次成功從攝影偵察衛星上回收了裝有已曝光膠片的膠囊。這顆衛星已經在被拒絕區域上空飛越了七次，繞地球飛行了17圈。從這些圖像中，識別出了64個蘇聯機場和26個新的地對空導彈（SAM）基地。衛星並沒有被包括在創建被拒絕區域的協議中。當蘇聯在1957年發射斯普特尼克1號時，他們實際上為放置在軌道上的物體確立了全球範圍內的“開放天空”政策。發射攜帶相機的人造衛星並從中回收圖像的努力代表了四年的緊張和經常令人沮喪的工作。然而，當第一個成功的CORONA衛星系統在1960年出現時，它開啟了太空偵察的時代，並徹底改變了遙感技術。一次CORONA任務記錄的攝影覆蓋面積超過了所有U-2任務的總和。

圖2：第一張CORONA照片

圖2是第一張CORONA偵察照片。拍攝於1960年8月8日，展示了蘇聯的Mys Shmidta空軍基地。照片中可以辨認出跑道和停機坪。與U-2照片相比，這張圖像缺乏細節。這是因為地面分辨率是40英尺乘40英尺。然而，幾年後這種情況得到了改善，KH-4的分辨率達到了5英尺乘5英尺。參見圖3（KH-4圖像），展示了蘇聯的Minerallye Vod空軍基地。這張照片的質量與U-2照片相當，這非常了不起，因為它的拍攝高度大約是U-2照片的10倍。

圖3：蘇聯空軍基地的CORONA 4照片

表1：CORONA計劃總結 - 1959年至1972年

來源：Kevin C. Ruffner的《CORONA：美國的第一個衛星計劃》和美國地質調查局（USGS）發布的“解密情報衛星照片事實表090-96”，1998年2月

圖4：在KH-4A任務中使用的立體全景相機系統

CORONA的前四個版本被命名為KH-1至KH-4（見表1）。KH代表“鎖眼”，這是美國早期的偵察衛星和相機系統的代號。KH命名系統首次在1962年與KH-4一起使用，之前的編號是後來追加上去的。CORONA的公開掩護名稱是DISCOVERER（發現者），這個項目表面上是在進行科學實驗，實際上是一個情報收集項目。KH-1攜帶一台全景相機，其地面分辨率為40英尺乘40英尺。KH-2和KH-3任務也配備了單台全景相機，但分辨率提升至10英尺乘10英尺。KH-4、KH-4A和KH-4B任務則攜帶兩台全景相機，相隔30度角（見圖4），這允許創建立體圖像，使分析人員能夠從三維視角查看地面特徵。到1967年，KH-4型衛星的相機已經能夠以5英尺乘5英尺的分辨率記錄圖像。

圖5：衛星艙被捕獲

衛星被設計成在稱為“桶”的艙內釋放膠片罐，這些桶在降落傘下降過程中由一架特殊裝備的飛機在空中回收（圖5）。它們被設計成在水中短暫漂浮，如果空中回收失敗，就會沉入水底。早期的任務使用一個桶，但從KH-4A開始，有兩個桶可供使用。CORONA衛星使用31,500英尺（9,600米）的特殊70毫米膠片，配備一個24英寸（0.6米）焦距的鏡頭。CORONA計劃一直持續到1972年，最後一張照片拍攝於5月31日。共獲得了超過800,000張圖像。共有121次發射和156次回收。

在20世紀60年代初期，還有兩個與CORONA計劃緊密相關的系統。KH-5（ARGON）是為美國陸軍測繪服務準備的，而KH-6（LANYARD）則是為了測試一種非常高分辨率的相機系統。KH-6系統是基於KH-5的成功經驗，但KH-5的結果並不理想。因此，這兩個系統都在1963年被終止了。

1967年，林登·約翰遜總統在一次對教育工作者群體的講話中，回應了一些批評聲音，這些批評認為美國在太空探索上的投入過多，而在對抗貧困的戰爭上的投入不足：

“我不想被引用這句話，但我們在太空計劃上已經投入了350億到400億美元。即使這個計劃唯一的成果就是我們從太空攝影中獲得的知識，它也已經值回了整個計劃成本的十倍。沒有衛星，我們只能盲目猜測。但今晚，我們已經確切知道了敵人有多少導彈，結果發現我們之前的猜測完全偏離了真相。我們原本在做一些不必要的事情，建造一些不需要的設施，抱有一些不必要的擔憂。”

這次演講是基於從CORONA KH-4衛星獲取的圖像數據。

儘管KH-1到KH-4系列的衛星提供了極其有價值的信息，但它們在操作上仍面臨一些挑戰。首先，通過降落傘將膠片艙送回地面並由飛機在空中回收的過程並不總是順利，尤其是KH-1和KH-2的回收任務。其次，從膠片曝光到膠片艙被釋放，可能需要數天甚至數周的時間。這意味着，對於一些緊迫的事件，比如1967年的中東六日戰爭和1968年蘇聯對捷克斯洛伐克的入侵，衛星圖像往往無法及時提供，因為這些衝突在圖像被處理和分發之前就已經結束了。

儘管CORONA計劃在1972年已經完成，但Keyhole（鎖眼）偵察衛星的傳奇仍在繼續，目前的代表是KH-13系列。新一代的Keyhole衛星具備實時覆蓋能力，能夠在夜間記錄圖像，並通過電子方式傳輸數字圖像；因此，它們能夠在任何時間提供即時的圖像數據。除了知道目前有幾顆KH-13衛星在地球軌道上運行，以及其中兩顆可能採用了隱形設計之外，關於這些衛星的具體信息並不多。圖6是一位藝術家對KH-12衛星可能外形的想象描繪。

圖6：KH-12衛星的藝術想象圖

圖7：阿富汗的Zhawar Kili後勤基地

圖8：蘇丹的Shifa製藥廠（Shifa：阿拉伯語中意為“治癒”，該製藥廠曾因涉嫌與恐怖主義有關而受到國際關注）

圖7是據稱從KH-12偵察衛星拍攝到的阿富汗塔利班Zhawar Kili後勤基地的照片。真實的照片可能比這個圖形提供的細節要多得多。圖7和圖8被美國國防部長威廉·S·科恩和美國陸軍上將亨利·H·謝爾頓，參謀長聯席會議主席，用來在五角大樓向記者簡要介紹1998年8月20日美國對蘇丹化學武器工廠和阿富汗恐怖分子訓練營的軍事打擊。

圖9是2008年6月由商用衛星QuickBird拍攝的柏林費爾塞塔姆電視塔的圖像。人們可以輕易地識別出像汽車這樣小的物品。KH-13偵察衛星的分辨率必須比商用衛星所能獲得的分辨率高得多。有報告稱，分辨率足夠高，可以讀取汽車上的車牌（KH-12和KH-13：美國的高性能偵察衛星，分辨率極高）。

圖9：2008年6月由QuickBird商用衛星拍攝的柏林費爾塞塔姆電視塔的圖像

當美國在太空中監視蘇聯時，蘇聯也在美國上空進行同樣的偵察活動。蘇聯在1961年通過Zenit-2計劃發射了其偵察衛星系統。與美國的CORONA計劃不同，它也獲得了高質量的圖像。因此，艾森豪威爾提出的允許每個國家相互在對方空域進行偵察飛行的提議，通過衛星和遙感技術得以實現（Zenit-2：蘇聯的一種偵察衛星；CORONA：美國的一個偵察衛星計劃）。

LANDSAT計劃：地球任務

利用民用衛星來執行對地球表面的科學研究和探索的想法源於20世紀60年代水星、雙子座和阿波羅任務的攝影成果。1965年，美國地質調查局（USGS）局長威廉·佩科拉提出了基於衛星的遙感技術計劃，以收集有關地球自然資源的資料。這一想法源於水星和雙子座軌道攝影的成果。然而，預算局以及那些認為從高空飛機進行航空攝影是獲取地球表面數據更經濟實惠方法的人堅決反對這一計劃。國防部也強烈反對，認為這會威脅到KH偵察任務的機密性。此外，還有人擔憂未經許可拍攝外國國家可能引發地緣政治問題。

1966年，美國國家航空航天局（NASA）面臨來自內政部（DOI）的要求，催促其建造一顆資源衛星。然而，由於預算限制和農業部與DOI之間關於傳感器技術的爭議，該計劃的執行被延誤。1970年，NASA終於獲得了研發Landsat 1衛星的許可。

圖10：Landsat 1的藝術想象圖

1972年7月23日發射的Landsat 1衛星，最初名為ERTS（地球資源技術衛星），是第一顆專門用於研究和監測地球表面，尤其是陸地的衛星。圖10展示了這顆衛星的藝術想象圖。Landsat 1攜帶的傳感器徹底改變了遙感技術，它們能夠提供數字化的多光譜圖像。這標誌着數十年來傳統飛機航空攝影的方式開始被衛星記錄的數字圖像所取代。

Landsat 1攜帶的兩個圖像傳感器系統分別是美國無線電公司（RCA）製造的Return Beam Vidicon（RBV，一種視頻攝像管技術）和通用電氣公司製造的Multispectral Scanner System（MSS，多光譜掃描系統）。RBV原本設計為主要儀器，而MSS是一種高度實驗性的輔助儀器。然而，實際操作中發現MSS圖像質量優於RBV。此外，RBV儀器有時會電子干擾衛星的高度控制功能，因此在僅記錄了幾張圖像後就不得不被關閉。相比之下，在1978年1月Landsat 1的操作終止之前，MSS成功獲取了超過30萬張圖像。MSS傳感器成為系統的核心部件，其成功為Landsat計劃中的後續衛星以及其他國家和私人公司開發的成像衛星奠定了基礎。

圖11：顯示俄勒岡州哥倫比亞河附近中心旋轉灌溉農田的MSS多光譜波段圖像

MSS在電磁波譜的四個光譜波段記錄數據，分別是綠色可見光（0.5至0.6微米）、紅色可見光（0.6至0.7微米）、近紅外（0.7至0.8微米）和第二近紅外（0.8至1.1微米）（圖10）。由於RBV的波段被標識為1至3，這四個波段被編號為4至7。MSS同時在這四個波段掃描地球表面，並從這些掃描中創建四個數字圖像。Landsat 1的一個場景覆蓋了大約185公里（115英里）乘以170公里（106英里）的地面面積，每個圖像波段大約有7,581,600個像素。一個像素的大小約為56米（183.7英尺）乘以79米（259.1英尺），即大約1.1英畝。總的來說，四個波段的數據集包含超過3000萬個數據點，這些數據點代表了從地球表面反射的輻射能量。由於每個數據集包含大量數據，因此顯然需要計算機來處理這些圖像。

圖11展示了MSS數據集的一個子集，包含了四個MSS光譜波段的圖像。這個子集覆蓋了1160平方公里（447.5平方英里）的區域，展示了俄勒岡州哥倫比亞河沿岸的中心樞軸灌溉田地。

MSS數據首先被存儲在衛星上的記錄設備中，然後通過電子方式下載到位於阿拉斯加、加利福尼亞和馬里蘭州的三個接收站之一。隨着國際社會對這項新技術的關注日益增加，全球各地陸續建立了更多的接收站，以方便數據的接收和處理。

Landsat數據的傳播

美國國家航空航天局（NASA）積極推廣Landsat數據，並培訓全球用戶和機構如何利用這項新技術。最初，Landsat數據集和圖像打印件對全球用戶來說既容易獲取又價格合理：每個數據集200美元（最初需要一個包含四盤9軌磁帶的套裝），每張圖像打印件7美元（一套四張，每個光譜波段一張），彩色合成圖像14美元。這種易於獲取的Landsat圖像就像美國贈予世界的禮物，幫助研究和規劃地球資源的最佳利用。當時，蘇聯和石油公司是這些數據集和圖像的最大買家。一些發展中國家曾擔心外國礦業公司會利用這些圖像來探知國內礦藏情況，而這些信息可能是本國尚未掌握的，從而形成了一種新的西方剝削形式。然而，當這些國家發現自己也能夠承擔圖像分析的費用時，這些擔憂便逐漸消散了。

其次，為了評估這項新技術並探索其潛在應用，美國國家航空航天局（NASA）資助了300項獨立的科研項目。其中，約三分之一的項目由國際研究者承擔，涵蓋了眾多地球科學領域。

第三，NASA在美國設立了三個培訓中心，旨在向州和地方政府的官員傳授如何獲取、分析和使用MSS數據。這三個中心分別是位於馬里蘭州的戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）、密西西比州的斯坦尼斯太空中心（Stennis Space Center）和加利福尼亞州的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）。培訓通常為期一周，需要參與人員集中精力學習，每個培訓小組由4至8名來自州或地方政府機構的人員組成。在某些情況下，培訓也面向大學/學院的教師和聯邦機構工作人員。培訓內容涵蓋了多種統計方法和計算機硬件知識。

最後，為了獲取必要的設施並基於這項新技術準備課程材料，向土地贈予學院提供了可觀的贈款。每個州都有一所土地贈予學院，如果一所學院獲得了贈款，它被期望為其所在州的人員提供培訓。

傳播過程不僅僅是培訓潛在用戶。還需要準備新的計算機硬件和軟件。在20世紀60年代和70年代早期，大型計算機（Mainframe computers）占據了主導地位。這些機器基本上有32位或更高的字長，使它們能夠進行大量數值計算。它們非常快，到了70年代，它們具備了網絡能力，允許終端連接到它們。相比之下，當今的32位微型計算機（32-bit microcomputer）還處於初級階段，只有8位的字長，只能處理0到255之間的數字，不適合計算大數字。大型計算機上的主要輸出設備是高速行式打印機，主要用於打印數字信息。它絕對不是為圖形輸出而構建的。然而，由於一些計算機繪圖程序，特別是20世紀60年代開發的SYMAP（一種計算機輔助繪圖程序），人們發現了一種方法，可以在行式打印機上製作粗糙外觀的圖形。行式打印機可以在一張計算機紙上打印132個字符。為了製作一個合理大小的地圖或圖像，必須打印幾張紙，然後粘在一起。這種方法產生了一個非常大的產品，必須放在牆上，人們需要站幾英尺遠才能察覺到空間模式。圖12展示了這種輸出的一小部分。對於Landsat輸出，一個打印字符等於一個像素。打印字符的伸長維度與Landsat像素的56米乘以79米的大小非常匹配。此時存在的第二種輸出設備是設計用於矢量圖形（Vector graphics）的。它是由Calcomp公司主要生產的數字繪圖儀。它是一種非常慢的輸出設備，通常必須從主機脫機運行。它不是為與圖像輸出相關的光柵圖形（Raster graphics）而設計的。

圖12：行式打印機的圖形輸出

美國國家航空航天局（NASA）與幾家公司合作，生產一種快速的光柵圖像輸出設備，這種設備不僅能夠以黑白方式顯示圖像，還能以彩色顯示。開發此類設備的主要公司之一是COMTAL。COMTAL設備有一個放在桌子上的顯示器，桌子內部裝有一個大型硬連線圖像處理板。這是當今微型計算機顯示器的前身，但微型計算機使用一個非常小的圖形微芯片代替了大型硬連線板。此外，桌子上還放置了一個終端，用於向主機發送消息，輸出結果會發送回COMTAL顯示器。然而，主機主要設計用於處理各種進行少量數值輸入和輸出工作的用戶。一個COMTAL設備會占用大量主機的速度，而主機還有許多其他用戶。在此期間，正在製造小型計算機（16位字長機器），這些計算機是為處理單一類型的用戶而設計的，而不是與主機相關的多種類型的用戶。三到四個COMTAL可以連接到一個專用的小型計算機上，創建所需的圖像處理系統，以顯示和分析Landsat圖像。今天，整個這個過程可以在微型計算機上完成。Landsat在當今微型計算機的實施中發揮了關鍵作用。

圖13：COMTAL圖像顯示設備

除了硬件，還需要準備軟件來處理多波段Landsat數據集的分析。這些軟件主要與圖像增強、幾何校正和信息提取有關。圖像增強基本上允許對圖像的對比度和亮度進行調整。幾何校正允許圖像進行縮放和對齊，與其他光柵數據集（即地形圖）對齊。信息提取涉及從光譜帶中提取數據。主要尋求的信息與土地覆蓋有關，包括森林、開闊地、濕地、水體等。更具體地說，需要不同土地覆蓋的位置和面積。為了完成這項任務，使用了兩種方法。第一種方法是監督方法，需要通過統計已知土地覆蓋區域的像素帶值來開發四個波段的光譜特徵（圖14和圖15）。例如，如果圖像上的四個區域已知是特定類型的森林覆蓋，將為這四個區域創建光譜特徵。此信息將用於識別圖像上具有相似光譜特徵的任何其他像素。希望所有其他像素都具有相同類型的森林覆蓋。第二種方法是無監督方法，將訓練計算機尋找具有相似特徵的圖像像素，並將它們分組到未識別的光譜類中。分析師將檢查這些類別，並嘗試將它們與特定的土地覆蓋類型進行匹配。一旦在監督或無監督方法下開發了光譜類別，與這些類別相關的統計數據將通過分類器程序發送。此程序將通過將它們的特徵與光譜類別特徵進行比較，對圖像中的其他像素進行分類。大量的資源和精力被投入到信息提取中，並取得了一些成功。此過程的主要問題是基於土地表面比實際情況更為均質，以及與某些土地覆蓋相關的光譜特徵。

圖14：MSS數據集中像素值的示例。紅色框內的值與圖15中的光譜特徵相對應

圖15：玉米田中一個像素的光譜特徵示例

Landsat 2和3

在1970年代，還有兩顆Landsat衛星投入使用。Landsat 2於1975年1月22日發射，運行了七年，直到1982年2月25日關閉。與Landsat 1一樣，它被認為是實驗性的，由美國國家航空航天局（NASA）維護。它攜帶了與Landsat 1相同的儀器。再次，RBV儀器出現了問題，而MSS成為了主要的工作儀器。

Landsat 3於1978年3月5日被送入軌道，一直運行到1983年9月7日。它仍然被視為一個實驗項目，直到1979年一直由NASA控制。由於Landsat計劃的總體技術和科學成功，衛星的操作責任從NASA（一個研發機構）轉移到了負責維護氣象衛星的美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）。

Landsat 3也配備了RBV儀器，但該儀器僅在一個寬光譜帶（綠色到近紅外；0.505-0.750微米）中記錄，而不是像其前代那樣記錄三個波段。這個新儀器的地面分辨率是30米（98.4英尺）乘以30米（98.4英尺）。該儀器還有兩個平行的傳感器，它們之間有一定的重疊。

MSS也進行了更改。它仍然有四個光譜波段，但增加了一個記錄發射熱能的第五波段。然而，這個波段在衛星運行後不久就失效了。

Landsat 4和5

圖16：Landsat 4的藝術想象圖

在1980年代，Landsat計劃發生了一些重大變化。這些變化包括：1.新設計的衛星和傳感器系統，2.從衛星傳輸數據的新方法，以及3.試圖將計劃移交給私人公司的控制。

1982年7月16日，Landsat 4發射。它有自己的衛星平台。Landsat 1-3是在用於Nimbus氣象衛星的平台的基礎上建造的。比較圖10和圖16。新平台攜帶了與前Landsat相同的MSS儀器，但沒有攜帶RBV儀器。一種稱為專題製圖儀（TM）的新傳感器被添加到平台。TM儀器在七個光譜帶中掃描，即藍色、綠色、紅色、近紅外、中紅外（兩個波段）和熱紅外電磁譜部分。除了熱紅外波段外，其他波段的地面分辨率都是30米（98.4英尺）乘以30米（98.4英尺）。熱紅外波段的地面分辨率是120米（393.6英尺）乘以120米（393.6英尺）。表2提供了TM波段的基本特徵。圖17顯示了南卡羅來納州查爾斯頓上空的七個波段。還提供了兩個彩色合成圖像。真實顏色的合成基於三個可見波段，是人類眼睛所能探測到的。第二種合成是假彩色排列。由于波段數量眾多，可以創建大量不同的假彩色合成，從而允許觀察各種顏色模式並提取信息。

表2：專題製圖儀（TM）波段

圖17：專題製圖儀（TM）波段

在發射後的一年之內，Landsat 4上的兩個太陽能板和兩個直接下行傳輸器停止了工作。因此，在數據中繼衛星開始運行之前，無法下載圖像。Landsat 4的圖像被傳輸到中繼衛星，再由中繼衛星將圖像傳輸到地面站。

Landsat 5於1984年3月1日發射，其遙感配置與Landsat 4基本相同。1987年，它的傳輸器發生故障，無法再通過中繼衛星將國際數據下載到美國。NASA的工程師們設計了一種方法來解決這個問題，使得Landsat 5在設計壽命預期後的25年裡仍在運行。

私有化

1984年，美國國會通過了《陸地遙感商業化法案》，將Landsat計劃私有化。美國國家海洋和大氣管理局負責尋找一個商業供應商來接管該計劃的運行。最終，由休斯飛機公司和RCA公司組成的合資企業——地球觀測衛星公司被選中。EOSAT簽訂了一份為期十年的合同，負責運營Landsat 4和5，擁有獨家營銷Landsat數據的權利，以及建造Landsat 6和7的權利。

EOSAT將圖像價格從650美元提高到3700美元，然後又提高到4400美元，並限製圖像的重新分發。這些價格上漲導致許多數據用戶的不滿，這些用戶在20世紀70年代通過美國國家航空航天局的傳播努力被培養使用這種新技術。其中許多用戶轉向了分辨率較低、價格較低的氣象衛星圖像。

EOSAT沒有維持Landsat 4和5系統的必要校準。1989年，美國國家海洋和大氣管理局指示EOSAT關閉衛星。數據用戶不願意將大量資源投入到未來充滿疑問的計劃中。在國會、國內外數據用戶和副總統的強烈抗議下，該計劃得以保存。

此外，1989年美國國家海洋和大氣管理局用於轉移Landsat計劃的資金耗盡。國會為1989年剩餘時間以及1990年和1991年提供了緊急資金。1992年，新的努力被用來為該計劃尋找持續的資金。然而，EOSAT不得不停止處理Landsat數據。1993年，EOSAT準備發射自己的衛星，Landsat 6，但火箭未能將衛星送入軌道。儘管EOSAT在接下來的幾年裡試圖通過銷售由印度遙感機構運營的衛星圖像來繼續運營，但很明顯，該計劃的私有化並不成功。

基於這些問題，《1992年陸地遙感政策法案》得以制定。根據該法案，Landsat 7將由政府建造和擁有。2001年，前EOSAT的太空成像公司將Landsat 4和5的操作控制權交還給政府，並放棄了所有收集的Landsat數據的商業權利。這一變化使得Landsat數據的定價回歸到更合理的水平，並實現了更好的衛星管理。

Landsat 6和7

如前所述，Landsat 6於1993年10月5日發射，由於火箭中的肼燃料管道破裂，未能進入軌道。燃料無法到達啟動發動機，導致沒有足夠的能量將衛星送入軌道。

圖18：Landsat 7的藝術描繪

Landsat 7於1999年4月15日成功發射（圖18），並開始使用增強型專題製圖儀增強型（ETM+）系統掃描地球。Landsat 7被認為是迄今為止建造的最精確校準的地球觀測衛星。其光譜帶讀數與地面實測值相比，具有極高的準確性。ETM+擁有與Landsat 4和5相同的七個波段，但它還有一個具有寬光譜範圍和15米（49.2英尺）乘15米（49.2英尺）地面分辨率的附加波段。此外，在第六波段，即熱紅外波段，地面分辨率從120米提高到了60米。這些改進及其高精度水平為全球變化研究和大型區域製圖提供了更好的支持。

2003年5月，一次硬件故障導致圖像兩側出現楔形的數據缺失區域。已經開發出一種方法來處理這個問題。

Landsat計劃在Landsat數據連續性任務下繼續進行。下一顆衛星由通用動力先進信息系統公司建造，計劃於2012年發射。

結束語

“日冕”（包括現有的 KH 衛星）和 “陸地衛星” 計劃分別是軍事偵察和地球資源監測領域中最早且持續運行時間最長的基於衛星的遙感系統。這兩個計劃確立了許多程序和系統，如今被廣泛應用於環繞地球運行、對地球進行遙感的各種衛星上。