Harmonize Landsat ve Sentinel-2: İşbirliği Yenilikçiliği Türük

giriiş

LandsatNASA ve ABD Jeoloji Araştırması'nın (USGS) ortak bir programı, 50 yılı aşkın bir süredir Dünya'nın kara yüzeyindeki değişiklikleri izlemek için paha biçilmez bir araç olmuştur. Araştırmacılar, kentleşme ve tarımsal genişleme de dahil olmak üzere onlarca yıl süren eğilimleri ve su kullanımı ve felaket geri kazanımı da dahil olmak üzere kısa vadeli dinamikleri izlemek için Landsat uydularında araç kullanıyorlar. Bununla birlikte, bilim adamları ve arazi yöneticileri genellikle bu programın kritik bir sınırlamasıyla karşılaşırlar: Landsat, kısa zaman çizelgelerinde meydana gelen olayları ve felaketleri yakalamak için çok uzun olan sekiz günlük (Landsat 8 ve 9'un faaliyet göstermesiyle) yeniden ziyaret süresine sahiptir. Örneğin seller bir bölgeyi hızlı bir şekilde su altında bırakabilir ve fırtınalardan gelen bulut örtüsü Landsat'ın hasar konusunda net bir gözlem alma yeteneğini geciktirebilir.

2015 yılında Avrupa Uzay Ajansı'nın (ESA) Kopernikus Sentinel-2a Görev, yörüngede Landsat 7 ve 8'e katıldı. Landsat'ın arşivinden yararlanmak amacıyla karşılaştırılabilir optik arazi verilerini toplamak için tasarlanmıştır. İki yıl sonra ESA, Sentinel-2A ile aynı uydu olan Sentinel-2B'yi başlattı.

NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde (GSFC) bir bilim ekibi liderliğindeki USGS, NASA ve ESA, Sentinel-2 ve Landsat uydularının yeteneklerini birleştirmeye başladı. Bu fikir arkadaki itici güçtü Uyumlanmış Landsat ve Sentinel-2 (HLS) Projesi, kesintisiz bir ürün yaratan bir NASA girişimi Operasyonel Arazi Görüntüleyici (Oli) ve Çok spektrumlu enstrüman (MSI) Sırasıyla Landsat ve Sentinel-2 uydularında. HLS Sürüm 2.0 (V2.0), bu verilerin en son sürümüdür ve Landsat 8 ve 9 ve Sentinel-2A ve B'den B'nin gözlemlerini birleştirerek 2022'de 1.6 günlük küresel medyan tekrar sıklığına sahipti. Son zamanlarda Sentinel-2C verilerinin eklenmesi daha sık gözlemler sağlayacaktır. Yakın Global kapsamı ve gelişmiş uyum algoritmaları ile HLS v2.0 yeni uygulamalar ve gelişmiş arazi izleme sistemlerinin yolunu açar-bkz. Animasyon 1. HLS verileri NASA EarthData'dan indirilebilir: HLSL30V2.0 Ve HLSS30V2.0. Bu verilere Google Earth Engine aracılığıyla da erişilebilir: HLSL30V2.0 ve HLSS30V2.0.

HLS'nin Şafağı

HLS'nin hikayesi 2015'te Sentinel-2A'nın lansmanından önce başlıyor. Jeffrey Masek O zamanlar Landsat 8 için proje bilimcisi olan (GSFC), Landsat verilerini diğer uydu verileriyle uyumlu hale getirmenin bir yolunu bulmak isteyen bir grup araştırmacıya liderlik etti. Amaçları, hava uydularının nasıl işlediğine benzer bir “sanal takımyıldız” yaratmaktı.

Masek, “HLS, insanların uzun zamandır istedikleri bir ihtiyaçla karşılaşıyor” dedi.

Deneysel bir ürünle araştırma sorusu olarak başlayan şey, operasyonel bir projeye dönüştü. Uydu İhtiyaçları Çalışma Grubu (SNWG). SNWG, sivil federal kurumların Dünya gözlem ihtiyaçlarını karşılayan çözümler geliştirmek için bir kurumlar arası çabadır. Her iki yılda bir SNWG, çalışmalarının uydu verilerinden nasıl faydalanabileceğini görmek için federal ajanslar araştırması yapmaktadır. Cevaplar, su kalitesi izlemesinden felaket kurtarmaya, doğal kaynakların en iyi nasıl korunacağını ve kullanılacağını planlamaya kadar uygulama alanlarının gamını kapsamaktadır. SNWG, bu fikirleri NASA, USGS ve üç ABD Hükümeti uydu verilerinin sağlayıcısı olan Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi'ne (NOAA) getiriyor. Bu ajanslar, bu ihtiyaçlara hizmet eden çözümler oluşturmak ve uygulamak için birlikte çalışırlar. NASA, SNWG sürecinin her adımında, 30'dan fazla federal kurumdan anket yanıtlarının değerlendirilmesi, belirlenen çözümlerin uygulanması ve desteklenmesi ve etkiyi en üst düzeye çıkarmak için federal ortaklarla birlikte çözümün tasarımını teşvik etmek de dahil olmak üzere kritik bir rol oynamaktadır.

. HLS yüzey yansıtma ürünü 2016 yılında ilk SNWG çözüm döngüsünün bir sonucuydu. Bu ürün, 2020 ve 2022 yıllarında ek SNWG taleplerinin ardından genişletildi. 2020 döngüsü dokuzun oluşturulmasını gördü HLS'den türetilmiş bitki örtüsü endekslerive 2022 döngüsü altı saatlik bir gecikme ürünü hedefledi.

ABD Tarım Bakanlığı (USDA) şimdi HLS kullanıyor harita mahsulü ortaya çıkışı Mısır kuşağındaki saha ölçeğinde, çiftçilerin büyüyen mevsimlerini daha iyi planlamasına izin verir. Colorado'daki çiftlik sahipleri, kuraklık dönemlerinde sığırlarını nerede otlatacağına karar vermek için veri kümesini kullanırlar. HLS de Chesapeake Körfez Bölgesi'ndeki kapak bitkilerinin kullanımını ve feshini bilgilendirir. 2024'te Federal Acil Durum Yönetim Ajansı (FEMA) Kasırga Helene sonrasında yardımın nereye odaklanacağını belirleyin.

Yeni ve geliştirilmiş bir HLS

Temmuz 2025 sayısında Çevrenin uzaktan algılanmasıbir araştırmacı ekibi HLS V2.0 yüzey yansıtma veri kümesini ve algoritmalarını özetledi. Ekip, yedi NASA ortak yazarını içeriyordu. 2018-2023 Landsat Bilim Ekibive ESA. Baş yazar, Junchang Ju (GSFC—Uzaktan Algılayan Bilim Adamı), kuruluşundan bu yana HLS'nin teknik liderliği olmuştur. Ortak yazarı Christopher komşusu (GSFC—Landsat 8/9 Proje Bilim Adamı) HLS projesinin baş araştırmacısıdır. 2023 yazında tamamlanan V2.0, en son halka açık HLS ürünü olan HLS V1.4 üzerinde çeşitli önemli iyileştirmeler içermektedir. HLS V1.4, Kuzey Amerika ve diğer belirli yerler hakkında veri sağlayan küresel arazi alanının yaklaşık% 30'unu kapsamaktadır. HLS V2.0, 2013'ten itibaren global kapsama alanına sahip 30 m (98 ft) uzamsal çözünürlükte veri sağlar. Veri kümesi Antarktika hariç tüm kara kütlelerini içerir. HLS V2.0 ayrıca atmosferik düzeltme, bulut maskeleme ve çift yönlü yansıtma dağılım fonksiyonu (BRDF) düzeltmesinde önemli algoritmik gelişmelere sahiptir. Birlikte, bu algoritmalar verileri “uyumlu hale getirin” veya farklı Landsat ve Sentinel-2 veri kümelerinin birbirinin yerine kullanılabilmesini sağlar-bkz. Animasyon 2.

HLS V2.0 eylemde

Artan gözlem sıklığı, bilimsel topluluğun felaket iyileşmesini, fenolojideki değişiklikleri, tarımsal yoğunlaşmayı, hızlı kentsel büyümeyi, tomrukçuluk ve ormansızlaşmayı izleme yeteneğini geliştirdi. Araştırmacılar zaten bu ilerlemeleri kullanıyorlar.

Arazi Rahatsızlığı Ürünü (Dist-alert), bitki örtüsü anomalilerini yakın gerçek zamanlı olarak izlemek için HLS v2.0 verilerini kullanan küresel bir arazi değişikliği izleme sistemidir-bkz. Şekil 1. Dist-Alert, tarımsal genişleme, kentsel büyüme, yangın, sel, tomrukçuluk, kuraklık, heyelanlar ve bitki örtüsünde diğer değişim güçlerini yakalar. Amy Pickens (Maryland Üniversitesi, Coğrafi Bilimler Bölümü -Yardımcı Araştırma Profesörü) HLS'nin gözlem sıklığı nedeniyle rahatsızlıkları izlemek için mükemmel bir veri kümesi olduğunu söyledi.

Dist-alert aracılığıyla yaratıldı Uzaktan algılama analizinden son kullanıcılar için gözlemsel ürünler (Opera), NASA/Jet Propulsion Laboratuvarı (JPL) projesi. Opera ürünleri SNWG tarafından belirlenen ajans ihtiyaçlarına yanıt verir. 2018'de SNWG, izleme yüzey bozukluğunu önemli bir ihtiyaç olarak tanımladı. Opera ile ortak oldu Küresel arazi analizi ve keşif Değişim algılama algoritmasını geliştirmek için Maryland Üniversitesi'nde laboratuvar.

Bitki örtüsündeki değişiklikleri izlemek için, dist-alert sistemi bir Taban çizgisi -yani herhangi bir piksel için, bitki örtüsü, önceki üç yılda aynı 31 günlük pencereden bitki örtüsü ile karşılaştırılır. Birincil algoritma, yerleşik taban çizgisine göre herhangi bir bitki örtüsü kaybını tespit eder. İkincil bir algoritma herhangi bir spektral anomali (yani, yansıtmada herhangi bir değişiklik) aynı taban çizgisine kıyasla. Bu yaklaşım, algoritmanın vejet olmayan değişiklikleri yakalamasını sağlar (örn., Yeniden tanımlanmamış alanlarda yeni bina veya yol projeleri). Birlikte kullanıldığında, bu algoritmalar tarımsal genişleme, ormansızlaşma ve kentleşmedeki uzun vadeli değişiklikleri, mahsul hasadı, kuraklık, seçici günlükleme ve felaketlerin etkilerindeki kısa vadeli değişikliklerin yanı sıra tanımlayabilir. Ortalama olarak, yeni HLS verilerinin mevcut olduğu zaman altı saat içinde LP DAAC'da dist-alert sunulmaktadır. Şu anda, veri kümesi rahatsızlıklara atıf sağlamamaktadır.

Bazı ekosistemlerde rahatsızlık uyarıları zaten mevcuttur. Brezilya Ulusal Uzay Araştırmaları Enstitüsü (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)) Amazon'da ormansızlaşmayı tespit eden iki proje yürütüyor: Programa de Cálculo DeSflorestamento da Amazônia (Prodes) ve Sistema de detecção de desmatamento em tempo gerçek (Caydırıcı). Glad Lab, sırasıyla Landsat ve Sentinel-2 verilerini kullanarak kendi orman kaybı uyarılarını-Glad-L ve Glad-s2-yarattı. Global Orman Gözlemi Copernicus Sentinel-1'den sentetik diyafram radar verilerinden türetilen ormansızlaşma (RADD) gözlemlerini tespit etmek için Glad-L ve Glad-S2 verilerini radarla entegre eder-entegre bir ormansızlaşma uyarısına entegre olur.

Bazıları onlarca yıldır olan bu uyarı sistemlerinin uygulanmasının tropik bölgelerdeki ormansızlaşma oranlarını etkilediği gösterilmiştir. Örneğin, 2021'de bir çalışma Doğa İklim Değişikliği Ormansızlaşma uyarılarının Orta Afrika'daki ormansızlaşma olasılığını ortalama 2011-2016 seviyelerine göre% 18 azalttığını bulmuştur.

Dist-alert, diğer uyarı sistemlerinden birkaç şekilde farklıdır. Birincisi, küresel kapsama sahiptir. İkincisi, yuvarlanan taban çizgisi, mevsimsellik ve rahatsızlıklardaki değişikliklerin dinamik ekosistemlerde izlenmesine izin verir. HLS V2.0 verileri Dist-ALERT'e girildiğinde, sistem bulutlu ekosistemlerdeki rahatsızlıkları diğer bireysel uyarı sistemlerinden daha iyi tanımlamada daha iyidir-çünkü net gözlemler elde etme olasılığı daha yüksektir. Bu aynı zamanda rahatsızlığın başlangıcını ve sonunu daha kesin olarak tanımlamasını sağlar.

Pickens, Dist-Alert ekibinin veri ürünlerini uygulayan son kullanıcılarla zaten çalıştığını söyledi. Logging şirketlerinin düzenlemelere uyduklarını kanıtlamalarına yardımcı olmak için sistemi kullanan bazılarıyla konuştu. ABD Nüfus Sayımı Bürosu, daha büyük on yıllık nüfus sayımı arasındaki geçici değerlendirmeler yapabilmeleri için hızlı büyüyen toplulukları izlemek için dist-alert kullanıyor.

Dist-alert'in yanı sıra, opera da geliştiriyor Dinamik yüzey suyu kapsamı (DSWX) Dünyanın dört bir yanındaki yüzey suyunu (örneğin göller, rezervuarlar, nehirler ve seller) izlemek için HLS kullanan ürün paketi - bkz. Şekil 2. Bu yeni ürünler, HLS arası kurum ve uluslararası işbirliği tarafından mümkün kılan yeni uygulamaları temsil ediyor.

Çözüm

HLS, dünya çapında arazi izleme çabalarını geliştirmeye devam edecek. Bu arada, HLS bilim ekibi, Landsat 8 ve 9 ve Sentinel-2 verilerinin daha sorunsuz bir şekilde uyumlaştırılması için algoritmaları geliştirmek için çalışıyor. Ayrıca bulut maskeleme algoritmasını geliştirmek için çalışıyorlar, son zamanlarda bitki örtüsü endeksleri yayınladılar ve kullanıcı geri bildirimlerini dahil ederken düşük gecikmeli (altı saatlik) bir HLS yüzey yansıtma ürünü geliştirmek için çalışıyorlar.

İleriye baktığımızda, gelecekteki Sentinel ve Landsat uydularının lansmanı HLS'nin gelişimini daha da ileriye taşıyacak. Ek veriler ve benzersiz yetenekler, araştırmacıların Dünya kara yüzeyinin daha sık, yüksek kaliteli uydu gözlemlerine olan ihtiyacını karşılamaya devam edecektir.

Madeleine Gregory
NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi/Bilim Sistemleri ve Uygulamaları A.Ş.
[email protected]