جزوات مطالب تخصصی

محاسبه دمای سطح زمین در سنجش از دور – عوامل موثر در محاسبه LST

امیرحسین احراری
نوشته شده توسط امیرحسین احراری

مقاله محاسبه دمای سطح زمین در سنجش از دور منتشر شد! در این مقاله قصد داریم تا شما با کاربردها و نقش سنجش از دور در محاسبه دمای سطح زمین آشنا سازیم. اگر علاقه به یادگیری نقش سنجش از دور حرارتی در محاسبه دمای سطح زمین دارید این مقاله بهترین گام برای آغاز یادگیری شما است.


تعاریف مهم

دمای سطح زمین (LST): در تصاویر ماهواره ای شامل میانگین دمای پیکسلی است که پوشش دهنده بخشی از سطح زمین است و بر اساس انرژی رسیده به سنجنده (رادیانس) در باند حرارتی محاسبه می شود. عموما دمای سطح زمین بر حسب کلوین محاسبه می شود. 


جسم سیاه (Black Body): عبارت است از یک جسم ایدآل  فرضی که تمامی انرژی رسیده را دریافت و سپس در قالب انرژی حرارتی طول موج بلند تمامی آن را در محیط منتشر می کند. 


دمای درخشندگی (Brightness Temperature): عبارت است از دمای ثبت شده توسط سنجنده که با دمای سطح زمین متفاوت است. دمای ثبت شده توسط سنجنده حاوی اطلاعات دمایی سطح زمین، اتمسفر و خود سنجنده است. دمای درخشندگی بر اساس واحد کلوین محاسبه می شود.


گسیلمندی (Emissivity): عبارت است از توان تشعشعی یک پدیده. یا به عبارت دیگر به عنوان توان یک جسم در تابش امواج حرارتی را نشان می دهد. هرچقدر توان تشعشعی یک پدیده بالا باشد میزان انتشار امواج حرارتی آن نیز بیشتر است. دامنه مقادیر این پارامتر همواره بین ۰ تا ۱ است. هرچه به مقدار ۱ نزدیکتر باشد مقدار گسیل مندی بالاتر است. در میان پدیده های سطح زمین آب از بالاترین گسیلمندی برخوردار است. بعد از آن پوشش گیاهی و خاک در رتبه های بعدی قرار می گیرند. 


ایرادیانس (Irradiance): عبارت است از میزان انرژی رسیده به سطح زمین از جهات گوناگون در واحد متر مربع. تابش رسیده به سطح زمین عموما ناشی از تابش های مستقیم خورشیدی و تابش های اتمسفری است. واحد اندازه گیری ایرادیانس وات بر متر مربع است. 


مادون قرمز حرارتی طول موج بلند (Longwave Thermal Infrared):‌ اشاره به امواج مادون قرمز حرارتی در بازه طول موج ۸ تا ۱۴ میکرومتر دارد. این محدوده، اصلی ترین طول موج در زمینه محاسبه دمای سطح زمین است. 


مادون قرمز حرارتی طول موج کوتاه (Shortwave Thermal Infrared): اشاره به محدوده مادون قرمز حرارتی طول موج کوتاه در بازه طول موج ۳ تا ۵ میکرومتر دارد. 


مدل :MODTRAN یکی از معروفترین و تخصصی ترین الگوریتم های تصحیح اتمسفری تصاویر ماهواره ای بر اساس مدل های انتقال تابشی است که قابلیت اندازه گیری و شبیه سازی تابش های رو به بالا و رو به پایین اتمسفر را دارد. امروزه این الگوریتم بصورت آماده در بسیاری از نرم افزارهای تخصصی سنجش از دور قابل استفاده است. 


مسیر امواج الکترومغناطیسی (Path Radiance): اشاره به امواج الکترومغناطیسی دارد که به سنجنده رسیده دارد. البته امواج رسیده به سنجنده از مسیرهای گوناگونی به سنجنده می رسند بر همین اساس به آن path radiance گفته شده است. واحد این پارامتر نیز وات بر متر مربع در استرادیان است. 


مادون قرمز طول موج کوتاه (Shortwave Infrared): به محدوده ۱/۵ تا ۳ میکرومتری طیف الکترومغناطیسی اطلاق می شود. این محدوده جزو امواج مادون قرمز بازتابی است و برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا مانند دمای مواد مذاب و آتش سوزی های مهیب بسیار مطلوب است. در برخی از مطالعات از این محدوده طیفی برای اندازه گیری دمای حدود ۱۴۰۰ درجه کلوین نیز استفاده شده است. 


تابش های اتمسفری (Sky Irradiance): اشاره به آن دسته از تابش هایی دارد که از اتمسفر و ترکیبات آن به سطح زمین رسیده است. جذب بخشی از امواج خورشیدی توسط ذرات تشکیل دهنده جو باعث انتشار امواج حرارتی در جهت های گوناگون می شود که باعث تولید بخشی از تابش های اتمسفری می گردد. بخش دیگری از تابش های اتمسفری ناشی از پراکنش های رو به پایین امواج است. بخشی از امواج پخش شده رو به زمین بوده و از طریق اتمسفر به سطح زمین می رسد. واحد اندازه گیری این پارامتر وات بر متر مربع است. 


تابش های طیفی (Spectral Radiance): اشاره به تابش های صورت گرفته در طول موج ها و باندهای مختلف است که توسط سنجنده دریافت شده. واحد این پارامتر واحد بر مترمربع در هر میکرومتر در استرادیان است. 


مادون قرمز حرارتی (Thermal Infrared): اشاره به انرژی حرارتی دارد که پدیده های مختلف در دامنه ۳ تا ۲۰ میکرومتر منتشر شده که متناسب با دمای آن ها است. این امواج از طول موج بلند تری نسبت به محدوده مرئی برخوردار است و دامنه ۸ تا ۱۴ میکرومتر در آن بصورت تخصصی برای برآورد دمای سطح زمین و آب استفاده می شود. 


انتقال پذیری (Transmissivity): اشاره به میزان انتقال امواج الکترومغناطیسی در طول موج های گوناگون از اتمسفر را دارد. میزان عبور امواج مختلف از اتمسفر کاملا متفاوت است. بر همین اساس میزان انتقال پذیری برای طول موج های متفاوت همواره محاسبه می گردد. جذب امواج در اتمسفر عاملی است که باعث کاهش میزان انتقال پذیری برخی از طول موج ها می شود. 


پنجره اتمسفری (Atmospheric Window): به طول موج هایی اطلاق می شود که به راحتی از اتمسفر عبور کرده و میزان انتقال پذیری آن ها از جو بسیار زیاد است. عموما باندهای ماهواره های سنجش از دوری نیز در این طول موج ها تعریف می شوند تا حداکثر داده ها و اطلاعات از طریق آن ها تامین شود. 


مقدمه

دما یکی از ویژگی های اولیه و اساسی سیاره زمین است که بدون داشتن تماس فیزیکی با سطح آن قابل اندازه گیری است. دما به عنوان مولفه ای است که در تمامی مقیاس ها مورد استفاده است. برای مطالعات بیلان انرژی، آتش فشان ها، زلزله، جزایر حرارتی شهری، فعالیت های زمین گرمایی، تبخیر و تعرق و غیره قابل استفاده است. 


تصاویر ماهواره ای با باند حرارتی برای شناسایی کانون های حرارتی (Hot Spots) به شکل گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. توان تفکیک زمانی باندهای حرارتی امکانی پایش تغییرات آنومالی های حرارتی را در طول زمان فراهم کرده است. به عنوان مثال در مناطق قطبی پایش تغییرات دمایی نشان از ذوب زودهنگام و سریع یخ های قطبی دارد و برای مطالعه گرمای جهانی نیز به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. 


دمای سطح زمین بصورت مستقیم در داده های ماهواره ای و هوایی اندازه گیری نمی شود. به عبارت دیگر سنجنده های هوابرد و فضابرد، قابلیت ثبت میزان انرژی حرارتی منتشر شده را دارند که با استفاده از محاسبات فیزیکی، دمای سطح زمین متناظر آن محاسبه می گردد.  


دما به عنوان پارامتری است که در همه زمان ها وجود دارد اما از ساعتی به ساعت دیگر و از فصلی به فصل دیگر کاملا متغیر است. در شکل زیر تصویر حرارتی روز (سمت چپ) و شب (سمت راست) نمایش داده شده است. مناطق روشن تر دمای بالاتر و مناطق تیره تر دمای پایین تری دارند. بر همین اساس در طول روز تابش مستقیم خورشیدی باعث افزایش دمای برخی از قسمت ها شده اما در طول شب پدیده ها بر اساس دمای خالصی که دارند از یکدیگر تفکیک می شوند و تابش های اضافی خورشیدی بر آن ها اثری ندارد. در طول روز مکان هایی که تیره تر هستند انرژی بیشتری را جذب می کنند و در شب دما و تابش بالاتری خواهند داشت. 



برای محاسبه دمای سطح زمین باید عوامل مختلفی در نظر گرفته شوند که عبارت اند از:

  • اثر جذب اتمسفری
  • گسیل امواج الکترومغناطیسی
  • اثر توپوگرافی سطح زمین (زبری و صافی)
  • گسیلمندی
  • زمان

اثرات اتمسفر

جو زمین اثرا قابل توجهی بر روی امواج رسیده دارد. یکی از یکی از مهم ترین این اثرات جذب امواج رسیده است که از طریق مولکول هایی چون ازن، رطوبت آب ودی اکسید کربن اتفاق می افتد. با این حال اثر جذب برای تمامی امواج یک سال نیست. در برخی از طول موج ها مانند مادون قرمز جذب بیشتر و در برخی از طول موج ها میزان آن کمتر است. در همین راستا باندهای ماهواره ای به گونه ای طراحی شده که کمترین میزان جذب شدگی توسط اتمسفر را دارند. 


بیشترین میزان انتقال پذیری امواج حرارتی از اتمسفر حدودا ۹۰ درصد است. بر همین اساس برای محاسبه دقیق دمای سطح زمین لازم است تا دقیقا میزان جذب صورت گرفته بر روی امواج محاسبه گردد. زمانی که امواج توسط اتمسفر جذب می شود، دمای آن بالاتر رفته و منجر به تابش انرژی حرارتی در جهات گوناگون می گردد. بر همین اساس اندازه گیری دو پارامتر تابش های رو به بالا و تابش های رو به پایین از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند و باید در معادله نهایی محاسبه دمای سطح زمین در نظر گرفته شود.


حذف اثرات اتمسفر

بصورت کلی اثرات اتمسفر در سه عامل مهم دیده می شود که عبارت اند از: 

  • جذب امواج و ضخامت اتمسفر
  • تابش های رو به بالای اتمسفری
  • تابش های رو به پایین اتمسفری

عموما با استفاده از داده های اقلیمی پروفیل اتمسفری در ارتباط با دما، رطوبت و فشار، امکان برآورد هریک از اثرات اتمسفر در عرض ها و زمان های مختلف به خوبی فراهم می شود. الگوریتم های تصحیح اتمسفری مانند MODTRAN امروزه قابلیت محاسبه این اثرات و حذف هریک از آن ها را به خوبی دارند. در بسیاری از الگوریتم هایی که در سال های اخیر برای محاسبه دمای سطح زمین ارائه شده، موضوع اثرات اتمسغر بر روی باند حرارتی و روش اصلاح آن همواره مورد توجه بوده است. در همین راستا به منظور حذف نویزهای رادیومتریکی ناشی از تغییرات توپوگرافی و سایه ها نیز، همواره مدل های رقومی زمین در محاسبات لحاظ شده اند. 


امروزه با استفاده از داده های ماهواره ای، هریک از پارامترهای اتمسفر را می توان بصورت پیکسل به پیکسل محاسبه کرد که از دقت بسیار بالاتری نیز برخوردار است و تنها به یک منطقه محدود نمی شود. به عنوان مثال، با استفاده از داده های پروداکت پروفیل اتمسفری سنجنده مادیس امکان محاسبه رطوبت و دما به خوبی فراهم است. درصورتی که مدل های تصحیح اتمسفری چون MODTRAN دسترسی نداشتید، با استفاده از محاسبات فیزیکی مربوط به مدل های انتقال تابشی، اثرات اتمسفر بصورت دستی نیز قابل محاسبه است. 


ناهمواری های سطح زمین

دمای سطح زمین شدیدا از لحاظ زمانی و مکانی متغیر است و عوامل بسیار زیادی بر روی آن تاثیر گذار هستند. جذب و تابش انرژی به سطح هر پدیده ای بر روی دمای آن تاثیر گذار است. بر همین اساس استفاده از مدل های رقومی زمین برای حذف اثر توپوگرافی برای برآورد دما ضرروری است. البته این ضرورت برای مناطق مسطح صادق نیست. به عبارت دیگر عموما در نواحی کوهستانی و مکان هایی که توپوگرافی ناهمواری دارند از این مدل ها استفاده می شود. 


بصورت کلی وجود سایه ها ناشی از تغییرات شدید توپوگرافی است. سایه ها باعث کاهش انرژی بازتابی و گسیل شده به سمت سنجنده شده و در محاسبه LST میزان دمای ثبت شده توسط سنجنده را به شکل قابل توجهی کاهش می دهد. بر همین اساس اصلاح اثر سایه ها در فرایند محاسبه دمای سطح زمین ضروری است. اما در صورتی که منطقه مورد مطالعه هموار و پست باشد، اصلاح اثر سایه ها الزام آور نیست. 


برخی از الگوریتم های تصحیح اتمسغری مانند ATCOR امروزه شرایطی را فراهم آوردند تا ضمن برطرف سازی اثر اتمسفر، خطاهای رادیومتریکی ناشی از تغییرات توپوگرافی نیز اصلاح شود. این الگوریتم برای تصحیح اتمسفری و رادیومتریکی باندهای حرارتی نیز به شکل مطلوبی کاربردی است. در حال حاضر الگوریتم ATCOR در نرم افزار ERDAS و PCI Geomatica در دسترس است. 


مراحل محاسبه LST

برای محاسبه LST با استفاده از عموم الگوریتم ها استفاده ترکیبی از باندهای حرارتی و چندطیفی ضروری است. مراحل لازم برای محاسبه دمای سطح زمین که باید در هر شرایطی اعمال گردند عبارت اند از: 

  • تصحیح اتمسفری باندهای چندطیفی
  • محاسبه شاخص NDVI
  • محاسبه گسیلمندی 
  • محاسبه رادیانس باند حرارتی 
  • محاسبه دمای درخشندگی باند حرارتی
  • محاسبه دمای سطح زمین

در مرحله آخر، تصویر رادیانس و دمای درخشندگی باند حرارتی به همراه تصویر گسیلمندی برای محاسبه دمای سطح زمین بصورت ترکیبی مورد استفاده قرار می گیرد. مهم ترین و دقیق ترین الگوریتم هایی که در حال حاضر برای محاسبه دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره ای استفاده می شود عبارت اند از: 

  • الگوریتم Single Channel
  • الگوریتم Split Window
  • الگوریتم Mono Window
  • الگوریتم Plank Function
  • الگوریتم RTE

تمامی الگوریتم های مذکور برای محاسبه دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست و استر قابل استفاده است. توجه داشته باشید که برای سنجنده مادیس نیازی به استفاده از این الگوریتم ها ندارید. چرا که این سنجنده برای محاسبه LST دارای یک پروداکت آماده است و بدون نیاز به انجام محاسبه خاصی، به راحتی قابل استفاده است. با استفاده از سایت USGS و سایت Earthdata امکان دانلود این پروداکت به راحتی فراهم است. 


بهترین باند LST

بسیاری از سنجنده ها و ماهواره های کاربردی در سنجش از دور بیش از یک باند حرارتی دارند و همواره انتخاب بهترین باند برای محاسبه LST یک چالش مهم بوده است. حال این سوال ایجاد می شود که بهترین باند برای محاسبه LST چیست و چرا؟ 


همانطور که می دانید مرجع تابش های حرارتی و انرژی های ثبت شده در باند حرارتی زمین است. تابش حرارتی زمین غالبا در طول موج بین ۳ تا ۲۰ میکرومتر رخ می دهد. با این حال بیشترین تابش حرارتی زمین در بازه ۸ تا ۱۴ میکرومتر، خصوصا محدوده ۱۰ میکرومتر است. بنابراین هر باندی که به طول موج ۱۰ میکرومتر نزدیک تر باشد، حاوی انرژی های حرارتی بیشتری است و هم چنین دمای سطح زمین محاسبه شده از آن نیز در مقایسه با سایر باندهای حرارتی دقیق تر است. 


انتخاب بهترین باند برای محاسبه LST تابعی از الگوریتم نیز هست. در صورتی که از الگوریتم های تک باندی مانند Single Channel استفاده کنید توضیحات مذکور قابل استناد است. اما فراموش نکنید که در الگوریتم هایی مانند Split Window از دو باند حرارتی استفاده می شود که در آن هر دو باند حرارتی (در سنجنده TIRS) باید به عنوان ورودی در محاسبات در نظر گرفته شوند. 


داده های کاربردی محاسبه LST

برای محاسبه LST به ترکیبی از داده های ماهواره ای و ایستگاه سینوپتیک نیاز دارید. داده های ماهواره ای مورد نیاز عبارت اند از: 

  • باندهای مرئی و مادون قرمز نزدیک
  • باند (باندهای) مادون قرمز حرارتی (۸ تا ۱۴ میکرومتر)
  • مدل رقومی زمین (میانگین ارتفاعی)

داده های ایستگاه سینوپتیک مورد نیاز عبارت اند از:

  • رطوبت نسبی
  • دمای ایستگاه (هوای سطح زمین)
  • ارتفاع ایستگاه
  • فشار هوا

لازم بذکر است که الگوریتم های نسبتا قدیمی تر نیازی به داده های سینوپتیکی ندارند چرا که در آن ها موضوع تصحیح اتمسفری دیده نشده است. اما در الگوریتم های جدیدتر که از اعتبار و دقت بالاتری برخوردارند به منظور برآورد ضخامت اتمسفر، تابش های رو به بالا و تابش های رو به پایین، استفاده از داده های زمینی ضروری است. 


اعتبارسنجی LST

یکی از مهم ترین سوالاتی که عموما کاربران سنجش از دور در ارتباط با دمای برآورد شده می پرسند در ارتباط با دقت آن است. دقت دمای برآورد شده چقدر است؟ چگونه می توان نتیجه را اعتبارسنجی کرد؟ این دو مهم ترین سوالاتی است که کاربران در این زمینه همواره مورد پرسش قرار می دهند. 


در پاسخ سوال اول باید این طور گفت که برخی از مراجع دقت کمتر از ۱ کلوین را برای الگوریتمی مانند Single Channel در نظر گرفتند. اما این در حالی است که شاید برای تمامی مناطق جهان این دقت نباشد. به همین منظور برای محاسبه دقت LST برای منطقه مورد مطالعه خود (سوال دوم) از رابطه آماری RMSE باید استفاده کنید. در این حالت، دمای محاسبه شده در تصویر با دمای یک نقطه در روی زمین تطابق داده شده و میزان RMSE آن محاسبه می شود. 


مقدار شاخص RMSE نشان دهنده اختلاف مطلق بین مقدار محاسبه شده و مقدار واقعی است. دامنه مقادیر این شاخص بین ۰ تا هر مقدار  مثبتی است. هرچه مقدار RMSE به ۰ نزدیکتر باشد دقت نتیجه محاسبه شده نیز بالاتر است.


دانلود فایل PDF

به منظور دانلود رایگان نسخه PDF این مقاله بر روی گزینه زیر کلیک کنید. برای دانلود فایل PDF مقالات حتما باید در سایت girs عضو باشید. 


لینک های مفید


 

   

۲ دیدگاه

  • سلام وقت بخیر ممنون بابت مطالب خوبتون یه سوال داشتم اینکه lst رو چجوری میتونم با لندست ۵ اندازه گیری کنم؟ممنون ایا فرقی نمیکنه شرایطش با لند۸؟ همونطور که در استاد بزرگ گفتین

    • با سلام و احترام

      تقریبا فرمول ها یکسان هست فقط ممکنه برخی از ضرایب ثابت در برخی از الگوریتم ها متناسب با ماهواره تغییر کند. برای ارزیابی این موضوع باید به مقالات مراجعه نمایید.

      موفق باشید

دیدگاهتان را بنویسید