Θερμική τηλεπισκόπηση αστικού κλίματος
Από RemoteSensing Wiki
Authors: J.A. Voogt, T.R. Oke
Θερμική τηλεπισκόπηση των αστικών επιφανειών: Ορισμοί
Εδώ, χρησιμοποιείται ο όρος της απευθείας θερμοκρασίας φωτεινότητας για να περιγραφεί η θερμοκρασία που προκύπτει από την αντιστροφή του νόμου του Planck για ένα θερμικό δέκτη. Συσχετίζονται με την ανίχνευση της λαμβάνουσας ακτινοβολίας σε μια θερμοκρασία, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη διαδικασίες που επηρεάζουν την ακτινοβολία. Απευθείας ραδιομετρικές θερμοκρασίες χαρακτηρίζονται αυτές που έχουν διορθωθεί για μία συγκεκριμένη γωνία εξέτασης. Αυτοί οι ορισμοί ισχύουν σε μία ομοιογενή επιφάνεια αλλά μπορούν να επεκταθούν και σε ετερογενείς επιφάνειες. Οι αστικές θερμονησίδες καθορίζονται για διαφορετικά στρώματα αστικής ατμόσφαιρας και για διάφορες επιφάνειες. Μια αστική θερμονησίδα αναφέρεται στην πιο πολύ θερμότητα που απορρέει από ένα αστικό περιβάλλον σε σχέση με το περίχωρα. Τα φαινόμενα αυτά φαίνονται καλύτερα τη νύχτα όταν οι διαφορές θερμοκρασίας μεγιστοποιούνται.( εικόνα 1α ). Η αποτελεσματική περιοχή πηγής για μία μακρινή θερμική μέτρηση είναι το στιγμιαίο οπτικό πεδίο (IFOV) του δέκτη προβαλλόμενο πάνω στην επιφάνεια. Η εικόνα 1 παρουσιάζει τις θερμοκρασίες επιφάνειας κατά μήκος μιας διασταύρωσης του Βανκούβερ.
Οι παρατηρήσεις έγιναν από έναν αερομεταφερόμενο θερμικό ανιχνευτή με 12ο FOV σε ένα ύψος περίπου 2100 μ (ημέρα) και 1500 μ (νύχτα). Το αρχικό σήμα μετατρέπεται σε μία θερμοκρασία την απευθείας θερμοκρασία φωτεινότητα. Το δεύτερο στάδιο είναι να εφαρμοστεί διόρθωση λόγω των επιδράσεων της ατμόσφαιρας. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση του μοντέλου μεταφοράς LOWTRAN 7. Το τρίτο στάδιο είναι ο υπολογισμός της απευθείας ραδιομετρικής θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας εκτιμήσεις της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που προέρχεται από το LOWTRAN και μια εκτίμηση της ικανότητας εκπομπής της επιφάνειας που ποικίλει από 0.97 (0.98 όταν παρατηρήθηκε δροσιά) για γεωργικές εκτάσεις σε 0.95 για αστικοποιημένες επιφάνειες (εικόνα 1c). Η αστική αναπαράσταση επιφάνειας πρέπει να βελτιωθεί για να περιλάβει επιδράσεις μικρής κλίμακας όπως: γεωμετρία στεγών, ύψος του κτηρίου και γεωμετρία της βλάστησης.
Τρόπος ανίχνευσης θερμοκρασίας
Οι θερμικοί δέκτες υπολογίζουν την επιφανειακή θερμοκρασία από την ακτινοβολία που παραλαμβάνεται από έναν ανιχνευτή υπό συγκεκριμένη γωνία. Οι μετρήσεις υπόκεινται στις επιδράσεις: (α) της ατμοσφαιρικής απορρόφησης και της εκπομπής μεταξύ δέκτη και επιφάνειας, και (β) των χαρακτηριστικών της επιφάνειας. Η ανίχνευση καθίσταται δύσκολη σε περίπτωση ετερογένειας ή τραχύτητας του εδάφους.
Παρατηρήσεις της αποτελεσματικής θερμικής ανισοτροπίας.
Η αποτελεσματική θερμική ανισοτροπία από επιλεγμένες αστικές περιοχές έχουν παρατηρηθεί χρησιμοποιώντας και μετρήσεις στο επίπεδο του εδάφους και τηλεπισκοπικές. Οι αστικές περιοχές παρουσιάζουν σημαντική αποτελεσματική θερμική ανισοτροπία. Επίσης μετρήσεις δείχνουν ότι η ανισοτροπία παραμένει ισχυρή σε κατοικημένες περιοχές με χαμηλά κτήρια και υψηλή και πλούσια βλάστηση. Δεν περιορίζεται μόνο σε περιόδους ημέρας αλλά φαίνεται να δημιουργείται και σε νυχτερινές ώρες. Η εφαρμογή διορθώσεων μπορεί να ασκήσει ουσιαστική επίδραση στο παραγόμενο μέγεθος SUHI και στη διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών στο επίπεδο φυτοκάλυψης και αυτών στο επίπεδο επιφάνειας. Σχετικά καλή ανταπόκριση υπάρχει με τις τιμές NDVI υπολογισμένες από το δέκτη AVHRR. Το 1998 προτάθηκε ένας αλγόριθμος εκπομπής για το νέο δέκτη ASTER ο οποίος φαίνεται να λειτουργεί καλά με τα μικτά εικονοστοιχεία παρά την εξάρτηση της ακτινοβολίας από τις τραχιές επιφάνειες όπως τις αστικές χαράδρες.
Μοντελοποιώντας τη θερμική ανισοτροπία
Υπάρχουν πολλά μοντέλα για τη διόρθωση της ανισότροπης μικροκυματικής ακτινοβολίας. Παρέχουν τη δυνατότητα ομαλούς κανονικοποίησης του συντελεστή ανάκλασης. Τα θερμικά μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί πέρα από γεωργικές και για δασικές επιφάνειες για τον υπολογισμό του μεγέθους και του χρόνου ανισοτροπίας. Η εικόνα 2 συνοψίζει την πααραγόμενη από το μοντέλο ανισοτροπία για 45ο από το ναδίρ και συγκρινόμενες με δέκτη σε ελικόπτερο. Οι μοντελοποιημένες τιμές χρησιμοποιούν μέσες θερμοκρασίες από τοίχους, δρόμους και στέγες.
Ποια είναι η σχέση μεταξύ των αστικών θερμονησίδων από δορυφόρους και από μετρήσεις στον αέρα
Οι αστικές θερμοκρασίες αέρα επηρεάζονται από διάφορες άλλες διαδικασίες στο UCL (urban canopy layer). Οι θερμοκρασίες αέρα καθορίζονται εν μέρει από την απόκλιση της ακτινοβολίας στον όγκο αέρα του UCL. Η μετατόπιση όπως προκύπτει λόγω της χωρικής διαμόρφωσης διάφορων στοιχείων της αστικής επιφάνειας που επηρεάζουν την επιφανειακή υγρασία, την αεροδυναμική τραχύτητα και την απορρόφηση θερμότητας είναι επίσης σημαντική. Ο αντίκτυπος της μικρομετατόπισης εξηγείται μέσω της ατμοσφαιρικής μίξης σε επίπεδο μικροκλίμακας. Το IFOV του θερμικού δέκτη βλέπει ένα ουσιαστικό μίγμα των επιφανειών ενσωματώνοντας την μετατόπιση, έτσι ώστε οι συσχετισμοί να περιλαμβάνουν σημαντικό θόρυβο. Οι συσχετισμοί της θερμοκρασίας επιφάνειας με τη θερμοκρασία αέρα βελτιώνεται τη νύχτα, όταν η μετατόπιση μειώνεται. Κάποιες βελτιώσεις έχουν γίνει με τη χρήση του NDVI συνήθως σε περιοχές πλούσιες σε βλάστηση.
Πόσο κατάλληλα είναι τα θερμικά στοιχεία τηλεπισκόπησης;
Μια βασική δυσκολία στην εκτίμηση της τυρβώδους ροής θερμότητας με τηλεπισκόπηση είναι η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας επιφανείας και της αεροδυναμικής θερμοκρασίας (T0 aero). Μια προσέγγιση για την αποφυγή των συνεπειών από τη χρήση της διπλής ή ενιαίας θερμορροής είναι να μοντελοποιηθεί η αεροδυναμική διάμετρος. Μια άλλη επιλογή είναι να χρησιμοποιηθούν τηλεπισκοπικές παράμετροι. Μία καλή προσέγγιση είναι η τριγωνική μέθοδος που συνδέει σε ένα μοντέλο μεταφοράς (το χώμα τη βλάστηση και την ατμόσφαιρα.) SVAT και σχετίζεται με τη θερμοκρασία επιφανείας και το NDVI. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί τις σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας και NDVI για να παραγάγει μία κλασματική φυτοκάλυψη και περιεκτικότητα σε υγρασία, και επίσης στιγμιαίος ροές απευθείας και λανθάνουσας θερμότητας. Η μέθοδος έχει επίσης εφαρμοστεί για να ανιχνεύσει τις αλλαγές χρήσης γης λόγω της αστικοποίησης και για να παρέχει τις εκτιμήσεις τοπικού κλίματος.
