一次性讲清楚Landsat数据集的不同级别

1、先说结论

先说结论：
Collection2（C2） >Collection1（C1），根据数据产品体系划分；
Level-2 （L2） > Level-1 （L1），这么说不太准确，L2是在L1基础上生成的产品，根据数据处理程度划分；
L1又分三个等级： L1TP > L1GT > L1GS ，根据几何校正的不同精度区分；
Tier 1 （T1） > Tier 2 （T2），基于数据质量和处理级别划分；

举例子：LC08_L2SP_124032_20200826_20200905_02_T1
LC08：表示卫星来源和传感器
L：Landsat 系列卫星。
C：OLI（Operational Land Imager）和 TIRS（Thermal Infrared Sensor）组合传感器。
08：Landsat 8 卫星。

L2SP：表示数据的产品级别
L2：Level-2 数据产品，经过大气校正，提供地表反射率（Surface Reflectance, SR）和地表温度（Surface Temperature, ST）。
SP：Science Product，表示科学产品，包含多个波段和衍生数据。

02：表示 Collection 2 的数据；

T1：表示数据质量分层（Tier），
Tier 1 数据满足几何和辐射精度的严格标准。
Tier 2 数据则未达到 Tier 1 标准，但仍然可用。

下面分开讲细节：

2、关于Collection1 与Collection2

Landsat Collection 1与Collection 2是美国地质调查局（USGS）推出的两代卫星数据产品体系，二者在数据处理、地理定位精度和产品范围等方面有显著差异。以下是主要对比与分析：

发展背景与时间线

• Collection 1
  发布于2016年，是USGS首次对全部Landsat归档数据实施的集合式处理。其目标是通过统一的数据处理、校准和质量控制流程，提升跨卫星任务和时间的数据一致性。该数据集覆盖1983-2021年影像，但自2022年12月30日起已停止提供下载。

• Collection 2
  自2020年起处理，为支持Landsat 9（2021年发射）并整合云计算架构而设计，覆盖1983年至今的影像。2022年1月1日后所有新获取的Landsat数据仅处理为Collection 2。

核心改进与差异

特征	Collection 1	Collection 2
地理定位精度	基于传统地面控制点（GCPs Phase 3）	融合Sentinel-2 GRI数据，全球平均误差<8米
Level 2产品范围	地表反射率/温度仅覆盖美国本土	首次提供全球范围的Level 2产品
数据处理架构	传统处理流程	商业云计算架构，Level 2产品生成时间<3天
波段命名	使用B1-B7等简单标识	改为SR_B1-SR_B7等明确前缀
热红外数据	仅提供亮度温度（B10/B11）	新增地表温度（ST_B10）和大气透射率参数

数据分级与质量

• Level 1数据
  Collection 2采用更高精度DEM和GCPs Phase 4，几何校正等级（L1TP/L1GT/L1GS）的精度显著提升。
• Level 2数据
  Collection 2新增全球地表反射率（SR）和温度（ST）产品，验证精度达0.5 K以内（地表温度）。

迁移与兼容性

• 数据获取：Google Earth Engine（GEE）自2024年7月1日起完全移除Collection 1，需修改波段名称和数据集路径。
• 命名规则：Collection 2沿用LXSS_LLLL_PPPRRR_YYYYMMDD_yyyymmdd_CC_TX格式，但新增SR_前缀和扩展参数。

应用建议

• 时序分析：优先使用Collection 2以确保地理定位一致性。
• 全球研究：需Level 2产品（如地表反射率）时，Collection 2为唯一选择。
• 代码迁移：参考GEE官方指南调整波段名称和处理流程。

3、关于 Level-1 与 Level-2

数据定义与处理流程

Level-1数据是经过系统级辐射校正和几何校正的原始数据，但未进行大气校正。其核心处理包括：

• 辐射定标：将传感器记录的原始数字值（DN）转换为辐射亮度或大气表观反射率（TOA）。
• 几何校正：分为三个等级：
  • L1TP：使用地面控制点（GCPs）和数字高程模型（DEM）进行高精度正射校正（全球平均误差<8米）。
  • L1GT：基于卫星星历数据和DEM的系统几何校正。
  • L1GS：仅依赖卫星星历数据的初步几何校正。

Level-2数据在Level-1基础上进一步处理，生成可直接用于地表分析的科学产品：

• 大气校正：消除大气散射、吸收等影响，输出地表反射率（SR）和地表温度（ST）。
• 辅助参数：包含云掩膜、雪/冰检测及太阳/传感器角度信息。

产品内容与差异

特征	Level-1数据	Level-2数据
核心产品	辐射亮度、TOA反射率	地表反射率（SR）、地表温度（ST）
数据格式	无符号16位整型（DN值）	浮点型（反射率范围0-1，温度单位K）
应用场景	需自行大气校正的定量分析	直接用于土地利用分类、环境监测等
几何精度	Collection 2中误差<8米	继承Level-1几何精度
波段标识	简单命名（如B1-B7）	明确前缀（如SR_B1、ST_B10）

Collection 2的改进

• Level-2全球覆盖：Collection 1仅支持美国本土，而Collection 2首次提供全球范围的地表反射率和温度产品。
• 算法升级：
  • Landsat 8使用LaSRC 1.5.0算法，Landsat 4-7使用LEDAPS 3.4.0。
  • 地表温度验证精度达0.5 K以内。
• 数据格式优化：采用云优化GeoTIFF（COG），支持高效云处理。

数据获取与选择建议

• 获取途径：通过USGS Earth Explorer或Google Earth Engine（如数据集LANDSAT/COMPOSITES/C02/T1_L2_32DAY）。
• 层级选择：
  • Tier 1（T1）：几何误差<12米，适合时序分析。
  • Tier 2（T2）：精度较低，用于补充数据。
• 命名规则：如LC08_L1TP_029030_20240101_20240101_02_T1，其中L1TP表示处理等级，T1表示数据层级。

应用场景对比

• Level-1适用场景：
  • 辐射传输模型输入（如TOA反射率计算）
  • 需要自定义大气校正的研究。
• Level-2适用场景：
  • 植被指数计算（如NDVI）
  • 地表温度反演（如城市热岛效应分析）。

如需Level-2数据转换公式：
地表反射率：$SR=DN\times 0.0000275-0.2$
地表温度：$ST=DN\times 0.00341802+149-273$。

4、Tier 1与Tier 2数据层级详解

定义与核心差异

Tier 1（T1）是Landsat Level-1数据中质量最高的层级，几何误差优于12米（均方根误差，RMSE），主要适用于时间序列分析和像素级研究。其数据经过高精度地形校正（L1TP处理），并满足严格的辐射定标标准。
Tier 2（T2）则因云层覆盖、轨道信息缺失或地面控制点不足等原因未达到T1标准，几何误差较大，但仍可用于非时序的定性分析。

处理级别与数据质量

特征	Tier 1	Tier 2
几何校正等级	仅包含L1TP（地形精度校正）	包含L1GT（系统地形校正）和L1GS（几何系统校正）
辐射定标	严格校准，满足定量分析需求	与T1辐射标准相同，但几何精度较低
适用场景	多时相分析、地表变化监测	单景影像分析或数据补充
典型误差范围	<12米（RMSE）	可能超过12米（RMSE）

数据生成与更新规则

• 实时数据（RT）：新获取的Landsat数据（如Landsat 8/9）会先处理为RT层级，经14-16天重新验证后升级为T1或降级为T2。
• Level-2产品限制：地表反射率（SR）和温度（ST）产品仅从T1或T2生成，RT数据无法用于科学产品生产。

命名规则与标识

通过文件名可快速识别数据层级，例如：

• LC08_L1TP_029030_20240101_20240101_02_T1：Tier 1数据
• LT04_L1GS_017036_19821115_20160315_01_T2：Tier 2数据
  其中T1或T2直接标注在文件名末尾。

应用建议

• 优先选择T1：进行植被指数计算（如NDVI）、城市扩展监测等需高精度几何配准的研究。
• T2使用场景：历史数据补全（如1980年代Landsat 4/5影像）或云覆盖区域初步分析。

Collection 2的改进

自2022年起，所有新数据仅处理为Collection 2，其T1数据采用更高精度DEM和融合Sentinel-2的GCPs Phase 4控制点，几何定位误差较Collection 1减少30%。

如需验证具体影像的几何误差，可通过USGS Earth Explorer下载元数据文件（.MTL.txt），查看GROUND_CONTROL_POINTS_VERSION字段。