Αυτοματοποιημένη ανάκτηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του νερού από το Landsat 8/TIRS
Από RemoteSensing Wiki
Αυτοματοποιημένη ανάκτηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του νερού από το Landsat 8/TIRS
Πρωτότυπος Τίτλος: «Automated water surface temperature retrieval from Landsat 8/TIRS»
Συγγραφείς: Quinten Vanhellemont
Σύνδεσμος : [1]
Λέξεις-Κλειδιά: Γη, Νερό, Επιφανειακή θερμοκρασία, Ατμοσφαιρική διόρθωση, Θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία, Landsat 8, TIRS, libRadtran.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η δορυφορική τηλεπισκόπηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας ξηράς και του νερού (Land and Water Surface Temperature- L/WST) έχει πολλές εφαρμογές σε μελέτες για τη χερσαία και υδρόβια οικολογία. Για την λήψη της L/WST απαιτείται ένα καλά βαθμονομημένο ραδιόμετρο και ακριβής ατμοσφαιρική διόρθωση. Στην παρούσα μελέτη, αξιολογείται η απόδοση του θερμικού υπέρυθρου αισθητήρα (TIRS) στον δέκτη του Landsat 8 για την ανάκτηση του L/WST. Το libRadtran χρησιμοποιείται για την ανάκτηση παραμέτρων ατμοσφαιρικής διόρθωσης με βάση τα ατμοσφαιρικά προφίλ σχετικής υγρασίας και θερμοκρασίας από τρεία παγκόσμια ατμοσφαιρικά μοντέλα. Η απόδοση των μονοχρωματικών καναλιών συγκρίνεται με τα τυπικά αποτελέσματα του MODTRAN από το υπολογιστικό μοντέλο διόρθωσης ατμοσφαιριών παραμέτρων (Atmospheric Correction Parameter Calculator - ACPC). Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες από το Operational Land Imager (OLI) επί του Landsat 8 προκειμένου να ταξινομηθούν αυτόματα οι εικόνες σε τρεις κλάσσεις ανάλογα με την κάλυψη νεφών. Δύο πηγές επιτόπιων δεδομένων που καλύπτουν τη Βελγική Παράκτια Ζώνη (Belgian Coastal Zone - BCZ) χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της εγγυρότητας της μέτρησης L/WST.
Οι τυπικές ανακτήσεις θερμοκρασίας επιφάνειας μίας ζώνης σε σχεδόν συννεφιασμένες συνθήκες έχουν μέσες τετραγωνικές διαφορές ρίζας (RMSD) 0,7 K και 1 K για τα κανάλια 10 και 11, ανάλογα με τη μέθοδο και ατμοσφαιρικού προφίλ της πηγής. Για εικόνες με διασκορπισμένα σύννεφα, οι μέσες τετραγωνικές διαφορές ρίζας αυξήθηκαν σε 1 K και 2 K, ενώ με ψυχρή πόλωση περίπου 0,5 K, που πιθανόν προκαλείται από την εγγύτητα του νέφους. Οι προσπάθειες βαθμονόμησης σε συνδυασμό με την επιτόπια μέτρηση, επιτρέπουν την ακριβή ανάκτηση απόλυτης θερμοκρασίας της επιφάνειας από τον Landsat 8/TIRS για ομοιογενείς στόχους με γνωστή εκπομπή, όπως το υγρό νερό.
1. Εισαγωγή
Η θερμοκρασία επιφάνειας ξηράς και νερού (L/WST) είναι βασικές μεταβλητές για την κατανόηση του κλίματος και της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την οικολογία, τη βιοποικιλότητα και την κατανομή των ειδών. Η λήψη της θερμοκρασίας της επιφάνειας ξηράς (LST) είναι απαραίτητη για την κατανόηση του υπολογισμού της εξάτμισης και για τη διαχείριση των πηγών γλυκών νερών, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της αλλαγής της χρήσης του νερού στις γεωργικές περιοχές. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του νερού (WST) στην παράκτια ζώνη κατευθύνει τις βιογεωχημικές διεργασίες και η παρακολούθησή της είναι απαραίτητη, αλλά δύσκολη. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του νερού μπορεί να συνδεθεί με τη διαστρωμάτωση του νερού και την εμφάνιση κυανοβακτηριών. Συχνά δορυφορικά δεδομένα με ανάλυση χιλιομετρικής κλίμακας (π.χ. από MODIS και AVHRR) χρησιμοποιούνται για ανάκτηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του νερού, η οποία μπορεί να δώσει δεδομένα κακής ποιότητας στα σύνορα ξηράς-νερού λόγω ανάμικτων εικονοστοιχείων και επίδρασης της γης. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του νερού που προέρχεται από το Landsat χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των υδάτων κολύμβησης και χρησιμοποιήθηκε υψηλής ανάλυσης θερμική δορυφορική εικόνα για την επικύρωση υδροδυναμικών μοντέλων, π.χ. για τη μοντελοποίηση αποβλήτων από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής Είναι σαφές ότι μπορεί να γίνει χρήση των δεδομένων της Landsat για την παρακολούθηση των παράκτιων και εσωτερικών υδάτων, και ο TIRS για το Landsat 8, είναι ιδανικός υποψήφιος για ένα τόσο υψηλής ανάλυσης δεδομένο θερμοκρασίας της επιφάνειας του νερού. Στις περισσότερες μελέτες ανάκτησης θερμοκρασίας της επιφάνειας ξηράς και βαθμονόμησης θερμικών ζωνών, το μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας εφαρμόζεται με τη χρήση του προγράμματος ατμοσφαιρικής ανάλυσης MODerate resolution atmospheric TRANsmission program (MODTRAN). Το MODTRAN δεν είναι ελεύθερο ή ανοικτού κώδικα, γεγονός που μπορεί να παρεμποδίσει την ευρύτερη χρήση του και την περαιτέρω ανάπτυξη δεδομένων LST. H παρούσα μελέτη αξιολογεί τις ανακτήσεις LST ενός καναλιού και από τα δύο κανάλια 10 και 11 στη συλλογή δεδομένων επιπέδου 1/TIRS Collection 1. Ο ελέυθερος κώδικας μεταφοράς ακτινοβολίας libRadtran χρησιμοποιείται για την ανάκτηση της ατμοσφαιρικής διόρθωσης ατμοσφαιρικών προφίλ από τρία διαφορετικά ατμοσφαιρικά μοντέλα. Η απόδοση ατμοσφαιρικής διόρθωσης συγκρίνεται με δύο άλλους αλγορίθμους: (1) Atmospheric Correction Parameter Calculator) (2) τον αλγόριθμο split-window. Οι ανακτήσεις WST συγκρίνονται με τις επιτόπιες μετρήσεις θερμοκρασίας από το δίκτυο μέτρησης των Flemish Banks (ναυτικό δίκτυο παρακολούθησης και πρόγνωσης καιρού) και τα στοιχεία που συλλέχθηκαν από το Ερευνητικό σκάφος Belgica στη Βελγική παράκτια ζώνη (Belgian Coastal Zone -BCZ).
2. Δεδομένα και μέθοδοι
2.1. Επιτόπιες μετρήσεις Μετρήσεις της θερμοκρασίας του νερού in situ ελήφθησαν από 19 κέντρα μέτρησης στο δίκτυο παράκτιας παρακολούθησης των Flemish Banks από τον Οργανισμό Θαλάσσιων Υπηρεσιών και Ακτών της Φλάνδρας. Η θερμοκρασία μετράται στα επιφανειακά ύδατα κάθε 30 λεπτά με ακρίβεια μέτρησης 0,2 °C. Μετρήσεις ελήφθησαν επίσης με το σύστημα απόκτησης δεδομένων (ODAS) από το ερευνητικό σκάφος Belgica. Η θερμοκρασία ODAS μετριέται με ένα επιστημονικό ωκεανογραφικό θερμόμετρο SBE-38 της Sea-Bird Scientific με αρχική ακρίβεια 0,001 °C σε εργαστηριακές συνθήκες. Τα δεδομένα παρέχονται κάθε 10 λεπτά, τα οποία αντιστοιχούν σε περίπου 3 km απόστασης μεταξύ των σημείων των μετρήσεων για τυπικές ταχύτητες πλεύσης. Οι επιτόπιες μετρήσεις με μη ρεαλιστικές θερμοκρασίες για το BCZ φιλτραρίστηκαν, με αφαίρεση των μετρήσεων T≤0° και T > 25°. Στις επιτόπιες μετρήσεις των Flemish Banks εφαρμόστηκε γραμμιή παρεμβολή στον χρόνο υπέρβασης του δορυφόρου όταν αυτές είχαν διαθέσιμες μετρήσεις εντός ενός χρονικού ορίου +- 15 λεπτών. Οι μετρήσεις από το ερευνητικό σκάφος Belgica χρησιμοποιήθηκαν ως έχουν, ανιχνέυοντας τη χρονικής διαφορά μεταξύ της επιτόπιας και της δορυφορικής μέτρησης.
2.2. Δορυφορικά δεδομένα Ελήφθησαν εικόνες από το Operational Land Imager (OLI) και τον θερμικό αισθητήρα υπέρυθρης ακρινοβολίας (TIRS) επί του Landsat 8 προερχόμενες από τo Google Earth Engine (GEE). Πρόκειται για γεωδιορθωμένες εικόνες σε μορφή GeoTiFF. Το OLI είναι μια συσκευή απεικόνισης με 9 φασματικά κανάλια (B1-9) στο ορατό και στο εγγύς υπέρυθρο τμήμα του φάσματος, με 8 κανάλια στα 30 m και 1 πανχρωματικό κανάλι σε χωρική ανάλυση 15 m. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα OLI για τον ποιοτικό έλεγχο της εικόνας , κυρίως για απεικόνιση νεφών και αντικειμένων. Το TIRS διαθέτει δύο κανάλια B10 και B11 που επικεντρώνονται στα 10,9 (10,6-11,2) και 12,0 (11,5-12,5) μm και καταγράφουν δεδομένα σε χωρική ανάλυση 100 m. Συνολικά 280 εικόνες επεξεργάστηκαν για ένα υποσύνολο περίπου 42 με 66 km, καλύπτοντας τα Flemish Banks κατά την περίοδο από τα τέλη Μαρτίου του 2013 έως τα τέλη Ιουνίου του 2019.
2.3. Ανάκτηση θερμοκρασίας επιφανείας Η ακτινοβολία του ανώτερου στρώματος της ατμόσφαιρας (Lt) είναι μια μέτρηση της συνδυασμένης επιφανειακής ακτινοβολίας (Ls) που έχει προκύψει από την ακτινοβολία που ανακλάται από τη γη πίσω στην ατμόσφαιρα (Lu) και την ακτινοβολία που φτάνει στην γη από την κατώτερη ατμόσφαιρα (Ld). Ως «τ» ορίζουμε το οπτικό βάθος της ατμόσφαιρας και ως «ε» τον συντελεστή εκπομπής και 1-ε την ανακλαστικότητα.
2.4. Έλεγχος ποιότητας εικόνας Για τον ποιοτικό έλεγχο της εικόνας, οι επιφανειακές ανακλάσεις ( ρs) υπολογίστηκαν από το Operational Land Imager (OLI) με τη χρήση του αλγόριθμου Dark Spectrum Fit (DSF). Τα εικονοστοιχεία προσδιορίζονταν ως μη νερό όταν ρs 1609 nm > 0,05 ή t 1373 nm >0.01. Παράσιτα από μικρά και πυκνά σύννεφα και αντικείμενα (πλοία και υπεράκτιες κατασκευές) φιλτραρίστηκαν, χωρίς όμως να λαμβάνονται υπόψιν τα λεπτά νέφη, τα οποία μπορεί επίσης να επηρεάσουν αρνητικά την απόδοση της μεθόδου. Αναπτύχθηκε μια μέθοδος κάλυψης γης, για να ανακτηθεί το κλάσμα νεφών σε εικονοστοιχεία νερού για επιπλέον έλεγχο ποιότητας των αντιστοιχίσεων. Για κάθε εικόνα, υπολογιζόταν ένα έυρος με βάση τις επιφανειακές ανακλάσεις ρs 1609 nm > 0,05, και καταγράφηκε ο αριθμός των ανάλογων εικονοστοιχείων. Οι εικόνες ταξινομήθηκαν ανάλογα με το κλάσμα των εικονοστοιχείων του παραπάνω εύρους, από τα χαμηλά στα υψηλά.
3. Αποτελέσματα και συζήτηση
3.1. Κάλυψη γης Η αυτοματοποιημένη μέθοδος κάλυψης της γης δημιουργεί μια λογική επίγειας μάσκας, ακόμη και παρουσία νεφώσεων, που γενικά περιπλέκουν το «νερό» με την κατηγορία κάλυψης «μη νερό». Οι εικόνες στην παρούσα μελέτη ήταν ταξινομημένες σε τρεις κατηγορίες: (1) καθαρές εικόνες, με < 5% του νερού μασκαρισμένο, (2) εικόνες με διάσπαρτα σύννεφα, 5-50% του νερού μασκαρισμένοκαι (3) θολή εικόνα, με > 50% μασκαρισμένο.
3.2. Θερμοκρασία επιφανείας
Αντιστοιχίες της θερμοκρασίας του νερού WST με τις μετρήσεις των Flemish Banks δίνονται για τις καθαρές εικόνες (329 αντιστοιχίες) και τις εικόνες με διάσπαρτα σύννεφα (294 αντιστοιχίες). Συνολικά, οι μέθοδοι μονού καναλιού παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά, δίνοντας πολύ καλά στατιστικά γραμμικής συσχέτισης. Για τα αποτελέσματα του libRadtran, ο μέσος όρος τυπικής απόκλισης είναι 0,64 K-0,88 K και η μέση διαφορά 0,01 K-0,28 K για το κανάλι B10. Για το κανάλι Β11 οι διαφορές είναι υψηλότερες, με εύρος απόκλισης 0,95 K-1,50 K και μέση διαφορά 0,30 K-0,78 K. Για το σύνολο δεδομένων που παρουσιάζεται εδώ, καμία από τις προσεγγίσεις του Split Window δεν δίνει τόσο καλά αποτελέσματα όσο η προσέγγιση ενός καναλιού, με τυπική απόκλθση > 1,7 K και μέση διαφορά > 1,5 K.Για τις εικόνες με διάσπαρτα σύννεφα τα σφάλματα είναι αισθητά μεγαλύτερα, με περίπου διπλάσιο εύρος τυπικής απόκλισης. Συνδυάζοντας τις 329 λήψεις καθαρών εικόνων και τις 294 αντιστοιχίσεις εικόνων με τα διάσπαρτα σύννεφα, η τυπική απόκλιση και η μέση διαφορά είναι περίπου 0,8 K και −0,3 K αντίστοιχα.
3.3. Προοπτικές
Ο συνδυασμός ατμοσφαιρικών προφίλ libRadtran και ERA5 μπορεί να παρέχει δεδομένα θερμοκρασίας νερού από το L8/TIRS με υψηλή ακρίβεια και με χαμηλή πόλωση (σχεδόν μηδενική) σε συνθήκες χωρίς νέφη. Η καλή απόδοση για τα δεδομένα θερμοκρασίας νερού που παρουσιάζεται εδώ προσφέρει δυνατότητες για εφαρμογές ανάκτησης της θερμοκρασίας κοντά στην ακτή με υψηλή ευκρίνεια, π.χ. για την παρακολούθηση των ρευμάτων των ποταμών, της θερμικής ρύπανσης από τα εργοστάσια και τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, την αξιολόγηση κινδύνων ανάπτυξης φυκιών και την ανάπτυξη υδροδυναμικών μοντέλων, που μπορούν να επιτευχθούν με μία μόνο ζώνη σε L8/TIRS. Επίσης δίνεται η δυνατότητα εφαρμογής της ενιαίας ζώνης επεξεργασίας σε παλαιότερους αισθητήρες Landsat, στο θεματικό χάρτη για το Landsat 5 (1984-2011) και τον Ενισχυμένο Θεματικό Χάρτη για το Landsat 7 (1999-σήμερα). Όπως καταδεικνύεται στην παρούσα μελέτη, ο συνδυασμός των δεδομένων VNIR και SWIR από το L8/OLI επιτρέπει την αυτοματοποιημένη κάλυψη γης και νέφους. Η σύγκριση και χρήση οπτικών πολυφασματικών δεδομένων θα μπορούσαν να επεκταθούν περαιτέρω από την εκτίμηση εκπομπής τους.
4. Συμπεράσματα
Η θερμοκρασία επιφάνειας του νερού μπορεί να ανακτηθεί με ακρίβεια από ενιαίο μπάντα Landsat 8/TIRS imagery. Σε συνθήκες χωρίς νέφωση, η τυπική απόκλιση μεταξύ των επιτόπιων δεδομένων και των δορυφορικών μετρήσεων είναι 0,7 K για το κανάλι 10 και 1 K για το κανάλι 11, με χαμηλές αποκλίσεις < 0,1 K και < 0,3 K αντιστοίχως. Για εικόνες με διασκορπισμένα σύννεφα, το RMSD αυξάνεται στο 1 K και 2 K και η μεροληψία και για τις δύο ζώνες αυξάνεται σε −0,5 K, πιθανώς λόγω εγγύτηταςστα νέφη. Μια παρόμοια απόδοση βρέθηκε χρησιμοποιώντας μετρήσεις της θερμοκρασίας από πλοίο, καταδεικνύοντας συνολικά την ικανότητα του Landsat να παρακολουθεί μικρότερες κλίμακες διακύμανσης θερμοκρασίας. Το μοντέλο ανοικτού κώδικα libRadtran μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια ισχυρή εναλλακτική λύση στο MODTRAN για την ανάκτηση επιφανειακών θερμοκρασιών. Με τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιούνται εδώ, οι μέθοδοι μονής ζώνης υπερέβησαν μια προσέγγιση split-window, η οποία είχε περισσότερο από διπλή τις τιμές RMSD και MD σε σύγκριση με τις επιτόπιες μετρήσεις. Μια μέθοδος κάλυψης γης με τη χρήση δεδομένων OLI χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να εκτιμηθεί το ποσοστό νέφους της εικόνας σε εικονοστοιχεία νερού. Μια συνολικά καλύτερη απόδοση δίνεται για εικόνες με χαμηλό ποσοστό νέφους πάνω από το νερό. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή αισθητήρων κατάλληλων για άλλες εφαρμογές, όπως η χλωροφύλλη.
