科研动态 | 中山大学遥感科学技术学院在全球内陆和沿海水体Landsat地表反射率的光谱质量评估与分类方面取得新进展

研究背景

Landsat Collection 1（C1）地表反射率（Surface Reflectance, SR）产品已被广泛应用于内陆和沿海水体监测，但目前已全面被Collection 2（C2）SR产品所取代。然而，C2在内陆和沿海水体中的光谱质量是否优于C1尚不明确。尽管已有研究分别评估了Landsat C1或C2 SR产品在区域或全球尺度的波段精度，但这些研究都聚焦于单个波段。对整个光谱范围的综合评估仍存在空白。因此，系统揭示Landsat SR产品在光学特性复杂多变的内陆和沿海水体环境中的光谱质量，对于未来在水环境监测中持续有效地应用SR产品具有重要意义。

研究结果

为了系统揭示Landsat SR产品在水体上的光谱质量，研究团队基于12,355条高质量的原位遥感反射率数据，开发了一种涵盖可见光到近红外波段、适用于各类水体的光谱分类和质量评估方法（称为OCN；图1）。该方法在验证中表现出较好的准确性。随后，OCN方法被应用于所有可用的Landsat 5（1984-2011年）和Landsat 8（2013-2021年）的Collection 1和Collection 2 SR产品，获取不同产品的光谱类别及质量得分。

图1 6.OCN中30个光谱类别的形状以及样本数量比例。

研究结果表明，对于湖泊、河流及沿海水体，Landsat 5 C1与C2 SR产品在全球及各大洲尺度上表现出一致的平均光谱类别空间分布特征（图2），且两者的光谱质量得分差异极小（图3）。然而，与 Landsat 5 不同，Landsat 8 C1与C2 SR产品在长期平均光谱类别和光谱质量得分方面均存在显著差异。总体而言，Landsat 8 C1的光谱类别普遍低于C2（图2），但其光谱质量得分明显更高。全球范围内，湖泊、河流和沿海水体中Landsat 8 C1的平均光谱质量得分分别比C2高出8.99%、12.50% 和48.26%（图3）。

综合分析表明，Landsat 5/8 C1与C2 SR产品之间的差异可能主要来源于C2产品在一级数据处理、大气校正算法、有效观测数据量以及水体环境特征等方面的改进与变化。因此，在未来利用Landsat 8 C2 SR产品开展内陆及沿海水体监测时，应采用更为严格和规范的数据处理与分析方法，以确保结果的可靠性和可比性。

图2 基于Landsat 5（1984-2011）和Landsat 8（2013-2021）Collection 1（左列）和Collection 2（右列）SR产品的全球湖泊、河流及沿海水体长期平均光谱类别。

图3 基于Landsat 5（1984-2011）和Landsat 8（2013-2021）Collection 1（左列）和Collection 2（右列）SR产品的全球湖泊、河流及沿海水体长期平均光谱质量得分。

研究意义

本研究首次评估了Landsat 5和8在全球内陆及沿海水体中所有可获取的C1和C2 SR产品的光谱质量，研究结果可为后续使用Landsat C2 SR产品开展水环境应用的用户提供重要参考。

发表信息

该研究成果于2025年10月29日发表于《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》，题为“Global evaluation revealed large spectral reflectance uncertainties in Landsat 8 Collection 2 surface reflectance products for inland and coastal waters”。中山大学遥感科学与技术学院硕士研究生胡洋为第一作者，侯雪姣副教授为通讯作者，合作作者包括美国阿拉巴马大学门计林博士后，武汉大学冯炼教授以及中山大学遥感科学与技术学院王天星教授。本研究受国家自然科学基金（42301392）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515011455）、中央高校中山大学基础研究基金（2025QNPY03）项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2025.10.016