1972年，美国发射陆地卫星（Landsat ）系列的第一颗星Landsat-1，宣告常规陆地观测和监测真正进入卫星时代。此后的50年里，陆地卫星系列不断给包括气象在内的学科和应用领域的科学家带来惊喜。可以说陆地卫星的发展为现代天基定量遥感开辟了道路和奠定了基础。Landsat系列卫星走过半个世纪后，更多的创新还在围绕这一已经成为经典的项目展开。陆地卫星的历史在地球轨道卫星开展地球观测（EO）技术进步领域具有突出的代表性。陆地卫星还开创了卫星数据收集的多个“第一”：最早在空间平台上对地球数据进行数字编码；率先在相同的地方太阳时固定间隔重复采集场景图像；首次同时在几个光谱带地表成像，并具有足够的几何保真度以允许对这些谱段的反应进行有意义的比较。更为珍贵的是，陆地卫星连续获得完整的50年数据（图1），8颗成功进入轨道的卫星，其有效载荷和观测性能得到实质性和持续的改进，获得的数据提供了最重要的全球环境基线。十年前，美国在纪念陆地卫星在轨运行40年时，认为该系列卫星已经成为太空遥感的黄金标准，为地球的历史留下了宝贵的记录。
本文基于文献，特别是美国地质调查局（USGS）及其管理陆地卫星的地球资源观测和科学中心（EROS）和NASA等回顾陆地卫星50年发展的资料，回顾陆地卫星半个世纪的发展，试图揭示陆地卫星的发展脉络和科技创新点。
1 陆地卫星厚重的历史
陆地卫星的起源，还要追溯到1966年两位USGS最早从事摄影地质和水文研究的学者，他们一起向USGS局长提出研发地球观测卫星的建议。随后，学者和局长3人又与USGS所属的美国内政部部长沟通。内政部长支持了学者和局长的建议，于1966年9月21日宣布开展陆地卫星项目，并在USGS建立了EROS。1968年，USGS确定位于美国大陆中心的南达科他州东南作为EROS数据中心所在地，但直到1970年，苏福尔斯市才被正式确定为EROS数据中心所在地。
1970年，美国发布陆地卫星方案建议书，各方学者反应积极并提出了600多项建议。有关机构选中其中的300个方案，向提供这些建议方案的大学、联邦和国际机构、私企和美国以外组织提供试验数据和研究经费。
首颗陆地卫星发射后，1972—1980年，该项目作为NASA的试验任务管理，目的是展示陆地卫星遥感探测在研究中的潜力。随后，因为各种原因，陆地卫星项目的所属机构、资金、管理、开发和业务运行等几次易手，尤其是项目的责任在政府和私人部门之间转移，让陆地卫星技术持续进步的同时，其发展也经历了一条曲折之路（图2）。
NOAA接管陆地卫星。1979年11月，美国总统卡特发布指令，将陆地卫星的业务移交给国家海洋和大气管理局（NOAA）。这项总统指令还建议在10年内将陆地卫星和数据分发的业务移交给私营部门。这项行政命令不仅冲击了EROS主管的陆地卫星业务的连续性，也给陆地卫星未来命运带来了多变性。
选择NOAA接管陆地卫星并借机推向商业化，与NOAA隶属于商业部和稳定运行着极轨气象卫星类业务有关。至少在名义上管理陆地卫星时期，接收NOAA卫星AVHRR数据的天线，从1987年开始也成为EROS的标记。1997年，EROS甚至用NOAA的AVHRR数据获得了第一张1 km分辨率全球陆地表面数据（图3），为陆地卫星后续产品探路。
1989年3月，乔治·布什总统上任不久，主要因为资金问题，NOAA曾经下令30天内关闭Landsat-4和Landsat-5。100位国会议员给时任美国副总统、负责美国空间委员会的奎尔写信，呼吁保留陆地卫星项目。副总统选择了支持陆地卫星，3月底宣布由NASA、国防部和其他机构支付陆地卫星项目所需的大部分资金，而EROS仅需保证剩余的少量资金即可。到6月，空间委员会一致建议1990年前提供陆地卫星项目资金，布什政府宣布保留陆地卫星项目。
被私有化。1982年开始，陆地卫星项目开启商业化过渡。1983年2月，里根总统通过签署一份备忘录，正式授权陆地卫星商业化。1984年6月，美国通过了《土地遥感法》，直接推动陆地卫星商业化进程。有关方面启动竞争程序，找寻可以接管陆地卫星的私企。在知名企业柯达公司退出这项竞争后，一家合资企业EOSAT公司成为唯一竞争者。EOSAT于1985年接管了陆地卫星，并接受NOAA的指导。但其图片的商业市场未能发展起来。受市场左右，这段时间研究人员不得不为一张陆地卫星图像支付数千美元。根据1997年美国国家科学院的一项研究，这阻碍了遥感图像更广泛的科学使用。美国于1992年通过了《陆地遥感法1992》，从而废除了1984年的法案，随后依据新法案终止了陆地卫星的商业化。停止商业化后，自Landsat-7于1999年发射，政府向陆地卫星产品支付成本补贴，补贴的数额一直保持在每幅图像600美元的水平。随着技术进步，陆地卫星图片成本逐渐下降，美国对卫星数据政策进行了微调，例如，购买了陆地卫星图像的用户，可以自由分享，从而促进了陆地卫星数据在美国内外的传播。该政策调整还促使一些用户自愿组成联合体，一起购买和分享陆地卫星数据，有效降低了数据费用。
在陆地卫星私有化过程中，特别是1984年《土地遥感法》的颁布，给陆地卫星研发人员带来了极大的不确定性。这时，主管部门NOAA和USGS针对该法律，签署了备忘录协议，最终确保陆地卫星管理机构EROS是所有遥感数据的唯一存档机构，宣示了政府部门针对商业化设施的地位，也最终保护了陆地卫星已经和将要获取的大量数据。2001年，USGS从NASA收回陆地卫星业务。
再次私有化未果。2002年前后，即陆地卫星停止私有化后10年，在美国国会一再要求将陆地卫星私有化的背景下，“如果没有商业参与，陆地卫星就可能消失”的说法甚嚣尘上。NASA发布招标公告，要求私人卫星公司能制作出Landsat-7的替代卫星，总部均位于科罗拉多州丹佛市的两家卫星私企——DigitalGlobe和Resource21公司曾有意参与竞标。
然而，即使是私人卫星公司，也认识到一旦收费获取卫星数据，研究用数据的订单肯定不足，而商业需要同样严重不足。公司计划通过将分辨率提高到10 m以吸引更大的市场，尽管这样的市场到底是怎样的规模，是否能够支撑卫星研发和运行成本，尚不清晰。而一旦市场需求不足，陆地卫星用户，尤其是学者们怀疑，私人公司会通过抬高卫星产品价格来维持收支平衡。2004年还曾经提出在NOAA的极轨气象卫星上增加陆地卫星载荷的计划，后因成本高昂和可能对气象卫星带来影响而作罢。
这一将陆地卫星“改弦”的计划，直到2005年布什政府干预，提出陆地卫星连续性任务（LDCM），才将陆地卫星计划从被终止的边缘拉回。实际上，围绕陆地卫星的管理和研发过程，甚至可以用“混乱”来形容，教训非常深刻。例如，让陆地卫星成为珍贵资源的观测数据连续性，并非源自该项目的精心规划和制度保障，而是建立在可遇不可求的幸运：Landsat-5超出设计寿命20多年的红利。陆地卫星系列从一开始就缺少整体设计，而是单个或最多成对（Landsat1/Landsat-2，Landsat-4/Landsat-5）进行论证、规划和执行。即使是在10年前，当研发成本约10亿美元、设计寿命5年的LDCM（Landsat-8）在2013年升空后，其后继卫星计划依然是混乱的。
2 陆地卫星的 50年技术发展历程
陆地卫星在技术不断升级、后续卫星连续发射保证数据连续的同时，还历经了名称变更、管理机制和主管部门摇摆、卫星数据最早走向全面免费开放等发展阶段。
1972年7月23日，第一颗陆地卫星（Landsat）发射升空时，被命名为ERTS A（Earth ResourcesTechnology Satellite A，地球资源技术卫星A星，图4）。全球陆地卫星图像从此有了一个先进和稳定的来源，开始赢得越来越多的学者关注并将全球陆地图像数据逐渐应用于更多和不同的领域。
1975年1月，ERTS B星发射前8天，NASA将ERTS B卫星更名为Landsat-2，该名称被一直延续下来。为了获取更多的陆地卫星数据，同年在加拿大和巴西最先建立了地面站，还与意大利、伊朗等国签订了协议。这一年，陆地卫星数据的发布也从NASA的GSFC转到了EROS。直到2021年Landsat-9发射，陆地卫星经历了50年的技术升级（表1）。
1996年陆地卫星数据处理被提升到了新高度：1979—1992年MSS的超过35万个场景和1982—1992年TM的超过32万场景资料，完成从胶片向数字磁带的转化。
1998年，基于陆地卫星数据的首个美国国家高程数据集（National Elevation Database，NED）完成。1999—2014年，NED成为USGS旗舰高程产品。进入21世纪，基于Landsat-5数据，首个国家陆地表面数据集（National Land Cover Dataset，NLCD）于2000年发布（图5），极大地促进了陆地卫星数据的应用。
为了进一步提高陆地卫星数据的精准和不同卫星之间载荷仪器的一致性，从Landsat-5开始，增加了一项被称为“underfly”（轨道下方伴飞）的关键措施，即新的卫星升空后，先不进入预定轨道，而是让卫星在其前任轨道的下方进行几天伴飞，目的是获得两颗卫星更多的重叠观测数据，进行一致性等关键检测，完成后再送入高度为438 mile（1 mile≈1.6 km）的运行轨道。“underfly”过程得到的新发射卫星和前任卫星准同时获得的图像，帮助研究人员开展各种分析，从而让陆地卫星系列不同卫星间具有更好的一致性和资料可比性。以Landsat-9与其前任Landsat-8的“underfly”为例（图6），该措施发现两颗卫星数据在所有波段的共配准（co-registration）小于2.2 m。
3 陆地卫星的 50年技术发展历程