Θερμική τηλεπισκόπηση αστικού κλίματος και περιβαλλοντικές μελέτες: Μέθοδοι , εφαρμογές, τάσεις
Από RemoteSensing Wiki
Author: Qihao Weng
Εισαγωγή
Δορυφορικοί και αερομεταφερόμενοι δέκτες που συλλέγουν TIR στοιχεία, είναι HCMM, Landsat TM/ETM+, AVHRR, MODIS, ASTER, και TIMS. Εκτός των μετρήσεων της επιφανειακής θερμοκρασίας (LST), οι TIR δέκτες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να ληφθούν στοιχεία συντελεστών εκπομπής. Η LST είναι μια σημαντική παράμετρος στις μελέτες αστικού θερμικού περιβάλλοντος. Διαμορφώνει τη θερμοκρασία αέρα στο χαμηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας, και είναι ένας βασικός παράγοντας στον προσδιορισμό της ακτινοβολίας επιφάνειας, το εσωτερικό κλίμα των κτηρίων, και την άνεση στις πόλεις. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των διάφορων αστικών επιφανειών, το χρώμα τους, η γεωμετρία οδών, τα φορτία κυκλοφορίας, και οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες είναι σοβαροί παράγοντες που καθορίζει τα LSTs στο αστικό περιβάλλον. Στη μελέτη των LSTs, έχουν αναπτυχθεί μερικά περίπλοκα μοντέλα όπως ενεργειακής ισορροπίας, εργαστηριακά, τρισδιάστατες προσομοιώσεις, γκαουσιανά και άλλες αριθμητικές προσομοιώσεις. Τα στοιχεία TIR αποτελούν πηγή πληροφορίας για να καθοριστούν οι αστικές θερμονησίδες οι οποίες σχετίζονται με την φυτοκάλυψη. Επιτόπιες μετρήσεις προσφέρουν υψηλής ανάλυσης στοιχεία ελλείψει χωρικών πληροφοριών. Τρία στοιχεία απαιτούνται προκειμένου να υπολογιστούν οι ενεργειακές ροές επιφάνειας: (1) ενεργειακές κινητήριες δυνάμεις, (2) εδαφολογική υγρασία και η αλληλεπίδραση εδάφους-βλάστησης και (3) ικανότητα από την ατμόσφαιρα για να απορροφήσει την ακτινοβολία. Εδώ εξετάζονται οι μέθοδοι και οι εφαρμογές TIR στοιχείων στο αστικό κλίμα. Έμφαση δίνεται στην ανάκτηση LST, στη σχέση LST βλάστησης και στις μελέτες αστικής θερμονησίδας UHI με μοντέλα ενεργειακής ισορροπίας.
Ανάκτηση LST και βασικές παράμετροι
Οι δέκτες TIR μετρούν την ακτινοβολία στο υψηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας (TOA) από τις θερμοκρασίες φωτεινότητας μέσω του νόμου του Plank. Η διαφορά σε σχέση με τις θερμοκρασίες εδάφους είναι από 1-5 Κ. Αυτές οι θερμοκρασίες διορθώνονται πριν χρησιμοποιηθούν. Δύο προσεγγίσεις έχουν αναπτυχθεί, η πρώτη αφορά μία εξίσωση μεταφοράς για να διορθώσει την ακτινοβολία στο δεκτή, η δεύτερη εφαρμόζει την τεχνική split-window. Η επίδραση της ακτινοβολίας της επιφάνειας στις δορυφορικές μετρήσεις μπορεί να γενικευτεί σε 3 κατηγορίες: (1) η ακτινοβολία προκαλεί μια μείωση της επιφανειακής ακτινοβολίας (2) μη μέλανα σώματα ανακλούν ακτινοβολία (3) η ανισοτροπία της ανακλαστικότητας μπορεί να μειώσει ή να αυξήσει τη συνολική ακτινοβολία από την επιφάνεια. Επομένως, η ανάκτηση LST από στοιχεία TIR απαιτεί μια ακριβή μέτρηση των τιμών ακτινοβολίας από μία επιφάνεια. Μπορεί να υπολογιστεί με χρήση διάφορων τεχνικών όπως την κανονικοποιημένη μέθοδο, τον υπολογισμό με ταξινόμηση, την NDVI, με τα θερμικά φάσματα τη μέθοδο alpha, και τη μέθοδο χωρισμού θερμοκρασίας-ακτινοβολίας. Η εικόνα 1 παρουσιάζει την εκπομπή ακτινοβολίας και τη διόρθωση LST στην Ινδιανάπολη,USA.
Οι διαφορές στην ακτινοβολία μεταξύ της φυτοκάλυψης και του εδάφους επηρεάζουν τις μετρήσεις LST. Είναι σημαντικό να διερευνώνται οι θερμοκρασίες του συστήματος έδαφος και βλάστησης και να εξετάζεται η δομή της φυτοκάλυψης. Οι μετρήσεις LST απορρέουν από ένα μίγμα βλάστησης και εδάφους και επηρεάζονται από την γωνία εξέτασης. Επιπλέον ρόλο παίζει και η υγρασία του χώματος.
Σχέση μεταξύ LST και βλάστησης
Το NDVI έχει χρησιμοποιηθεί για ποσοτικοποίηση της βλάστησης και έχει ενσωματωθεί με το LST για τη μέτρηση των επιδράσεων της αστικοποίησης. Τα είδη του φυτού, το φύλλωμα και το εδαφολογικό υπόβαθρο συμβάλλουν στην μεταβλητότητα του NDVI. Πρόσφατες έρευνες έχουν βρει μία πιο ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του κλάσματος της βλάστησης και του LST. Ένας συνδυασμος ISA, NDVI και LST μπορεί να εξηγήσει τη χρονική θερμική δυναμική στις πόλεις. Διάφορες μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για να ερμηνεύσουν τη σχέση LST-NDVI: (1) η τριγωνική μέθοδος που χρησιμοποιεί το πρότυπο μεταφοράς έδαφος-ατμόσφαιρα- βλάστηση (SVAT) (2) οι επιτόπου μετρήσεις και (3) η τηλεπισκοπική μέθοδος.
Τηλεπισκόπηση αστικών θερμονησίδων
Το ενεργειακό ισοζύγιο μιας πόλης μπορεί να εκφραστεί ως εξής:
Rn + A = H + LE + G (W/m2) όπου το Rn είναι η ακτινοβολία όλων των κυμάτων, το Α η ανθρωπογενής θερμότητα, το Η η απευθείας θερμότητα, το LE η λανθάνουσα θερμότητα, και το G η θερμότητα που υφίσταται ήδη. Είναι δύσκολό να γίνουν μετρήσεις και να μοντελοποιηθούν λόγω της πολυπλοκότητας της αστικής σύνθεσης. Πιο πρόσφατα εφαρμόστηκε ανάλυση φάσματος (SMA) σε εικόνες ASTER ώστε να βρεθούν τα «ζεστά» και τα «κρύα» αντικείμενα από τα κανάλια TIR και οι βιοφυσικές παράμετροι από τα μη θερμικά κανάλια. Ένα σημαντικό πρόβλημα είναι πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν μετρήσεις LST μικροκλίμακας για να ποσοτικοποιηθούν UHIs μεσοκλίμακας. Χρησιμοποιήθηκε ένα μη παραμετρικό μοντέλο με χρήση μετασχηματισμού Fourrier σε δεδομένα του MODIS για τον χαρακτηρισμό της UHI. Η εικόνα 2 δείχνει επιλεγμένα μοντέλα για τον χαρακτηρισμό UHI στην Ιντιανάπολη , USA.
Ένας άλλος τρόπος είναι να συσχετιστούν τα στοιχεία LSTs με τις ενεργειακές ροές επιφανείας για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων του τοπίου.
Προοπτικές
Το πιο θεμελιώδες ζήτημα είναι ο καθορισμός της αστικής επιφάνειας, μιας και παίζει ρόλο η γεωμετρία του δέκτη και η δομή της επιφάνειας. Το ενεργειακό ισοζύγιο εξαρτάται από την ανακλαστικότητα, την τραχύτητα της επιφάνειας, την εδαφολογική υγρασία και τη θερμοχωρητικότητα του εδάφους. Εξίσου σημαντικό είναι το ζήτημα της μέτρησης και της μοντελοποίησης της κλίμακας. Η ανισοτροπία επιφάνειας αναμένεται να μείνει σχετικά σταθερή μέχρις ότου η ανάλυση αρχίζει να καλύπτει διαφορετικές χρήσεις γης και η κλίμακα ποικίλει από 12 έως 1000 μέτρα. Η λειτουργική κλίμακα φάνηκε να είναι 120 m στην περίπτωση της Ιντιανάπολης, ΗΠΑ. Αναμένεται να ποικίλει από πόλη στην πόλη ανάλογα με το βιοφυσικά και ανθρωπογενή χαρακτηριστικά μιας πόλης. Σήμερα, υπάρχουν λίγοι δέκτες που έχουν ΤIR δυνατότητες. Ο δέκτης TM του Landsat 5 με διακριτική ικανότητα 120 m λαμβάνει εικόνες. Το 2007 δημιουργήθηκε βελτιωμένη έκδοση του Landsat 5 συγκρινόμενη με το Landsat 7 ETM+ ραδιομετρικά. Επιπλέον, τα TIR κανάλια του Terra του ASTER με διακριτική ικανότητα 90 m χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στο αστικό κλίμα. Ο δέκτης HyspIRI αναμένεται να λύσει τα προβλήματα.Σε επίπεδο TIR θα έχει 7 κανάλια μεταξύ 7:5 και 12μm και 1 κανάλι στα 4 μm, όλα με το διακριτική ικανότητα 60 m. Θα επέτρεπε ακριβέστερη εκτίμηση LST και, και παραγωγή πληροφοριών για τα βιοφυσικά χαρακτηριστικά, ακόμη και κοινωνικοοικονομικές πληροφορίες όπως ο πληθυσμός και οι δείκτες ποιότητας ζωής.
