Análisis comparativo del efecto de isla térmica de la ciudad de Valencia con imágenes TM, MUST y AVHRR

E. Valor

Description

Resumen
Las ciudades poseen una estructura térmica muy particular, con un gradiente de temperaturas apre-ciable entre el centro y los alrededores que gene-ralmente se establece en regiones concéntricas. Este fenómeno se conoce como "efecto de isla térmica". La Teledetección espacial puede consti-tuir una potente herramienta para su análisis, pues proporciona una visión sinóptica del campo de temperaturas. En este trabajo abordamos la in-fluencia que la resolución espacial y espectral pueden tener en la detección y el seguimiento del efecto de isla térmica, mediante datos de los ins-trumentos TM, MUST y AVHRR sobre una ciudad de tamaño medio como Valencia.
Abstract
The "heat island" effect is the particular urban thermal field shown by cities, consisting of a ther-mal gradient from the center to the surroundings, generally distributed in concentric afeas. Remote Sensing may be a powerful tool for analyzing this process, since it provides a synoptic view of the thermal field. In this paper the influence of the spatial and spectral resolutions in the detection and monitoring of the heat island is addressed. To this end we have used TM, MUST and A VHRR data, taken ayer a medium-sized city like Valencia, Spain.

Sujets

• TM
• Must
• Advanced Very High Resolution Radiometer
• Valencia
• Urban heat island

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• Publié par: erevistas
• Publié le: 01 janvier 2000
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• Langue: Español

Extrait

Revista de Teledetección. 2000
Análisis comparativo del efecto de isla térmica
de la ciudad de Valencia con imágenes TM, MUST
y AVHRR
E. Valor, V. Caselles, C. Coll, F. Sánchez, E. Rubio y F. Sospedra
Correo electrónico: Enric. [e-mail]
Departament de Termodinamica. Facultat de Física. Universitat de Valencia. 46100 Burjassot


RESUMEN ABSTRACT
Las ciudades poseen una estructura térmica muy The "heat island" effect is the particular urban
particular, con un gradiente de temperaturas apre- thermal field shown by cities, consisting of a ther-
ciable entre el centro y los alrededores que gene- mal gradient from the center to the surroundings,
ralmente se establece en regiones concéntricas. generally distributed in concentric afeas. Remote
Este fenómeno se conoce como "efecto de isla Sensing may be a powerful tool for analyzing this
térmica". La Teledetección espacial puede consti- process, since it provides a synoptic view of the
tuir una potente herramienta para su análisis, pues thermal field. In this paper the influence of the
proporciona una visión sinóptica del campo de spatial and spectral resolutions in the detection and
temperaturas. En este trabajo abordamos la in- monitoring of the heat island is addressed. To this
fluencia que la resolución espacial y espectral end we have used TM, MUST and A VHRR data,
pueden tener en la detección y el seguimiento del taken ayer a medium-sized city like Valencia,
efecto de isla térmica, mediante datos de los ins- Spain.
trumentos TM, MUST y AVHRR sobre una ciudad
de tamaño medio como Valencia.

PALABRAS CLAVE: Efecto de isla térmica, TM, KEY WORDS: Heat island effect, TM, MUST,
MUST, AVHRR, Valencia AVHRR, Valencia



El objetivo de este trabajo es analizar la influen-INTRODUCCIÓN
cia de la resolución espacial y espectral en la de-
Es bien conocido que la configuración de las tección y seguimiento del citado efecto de isla
ciudades provoca la alteración del microclirna de térmica en una ciudad de tamaño medio como
aquellas áreas en que se asientan. Ello se debe Valencia. Para ello hemos tomado como referencia
fundamentalmente a modificaciones en la compo- tres sensores distintos: Thematic Mapper (TM) con
sición atmosférica (por emanación de gases), en el la mejor resolución espacial (120 m) y una sola
balance de energía (por el cambio en la composi- banda en el infrarrojo térmico, Medium Scale Sui-
ción de las superficies), y en la rugosidad (por las face Temperature (MUST) con una resolución
edificaciones) (Barry y Chorley 1984). Estos cam- espacial moderada (240 m) y dos canales térmicos
bios conducen a la generación de una estructura (Valor et al., 2000a), y AVHRR que posee también
térmica muy particular, generalmente distribuida dos bandas térmicas pero tiene la menor resolución
en zonas concéntricas, denominada "efecto de isla espacial (1,1 km).
térmica". Por ejemplo, de noche el centro urbano Con el fin de disponer de datos "comparables"
se calienta más que sus alrededores; mientras que en los tres casos, y dado que el instrumento MUST
durante el día puede ocurrir lo contrario (los alre- se encuentra en la fase de estudio, hemos partido
dedores se calientan más que el centro urbano) y de una imagen real de TM y hemos procedido a
tendríamos así una isla térmica invertida o una simular la misma imagen tal como la registraría el
"isla de frescor". instrumento MUST, en función de sus característi-
La detección de este fenómeno se ha realizado cas técnicas particulares. La simulación de imáge-
tradicionalmente bien con puntos de medida fijos nes de nuevos instrumentos es una actividad que
distribuidos en la ciudad, bien efectuando transec- habitualmente se realiza al efecto de demostrar a la
tos de temperatura en diferentes direcciones. La comunidad de usuarios potenciales su utilidad en
utilidad de la Teledetección en este tipo de estu- diversos campos de aplicación (Abrams y Hook
dios, particularmente mediante el uso del sensor 1995, Rowan 1998, Teillet et al. 1997). General-
Advanced Very High Resolution Radiometer mente la simulación se lleva a cabo a partir de
(AVHRR) a bordo de los satélites NOAA, fue datos de instrumentos existentes con una mayor
demostrada por Caselles et al. (1991). resolución espacial y espectral que el nuevo sen-
sor. En cambio, el método que hemos desarrollado
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simula un sensor de menor resolución espacial, 2000b).
pero con mayor resolución espectral que los datos Para ello deben estimarse las variables que defi-
de origen. Aquí radica la novedad del método nen la perturbación de la atmósfera (transmisivi-
propuesto. Aunque éste se ha desarrollado para los dad, τ , radiancia atmosférica ascendente emitida λ
sensores MUST y TM, es completamente general hacia el instrumento, Li atm' e irradiancia atmosfé-
y podría adaptarse a otros problemas similares de rica descendente que llega a la superficie bajo
↓simulación. Por su parte, los datos AVHRR se han observación, en los tres canales implicados. Iλ atm
obtenido degradando espacialmente los datos
Esto puede hacerse introduciendo un radio sondeo MUST, con el fin de que las tres imágenes fueran
local coincidente con el paso del satélite (o en su realmente comparables, ya que no se disponía de
defecto un perfil estándar adecuado en función de una imagen AVHRR coincidente con la TM.
las condiciones atmosféricas reales) en un progra-
ma de transferencia radiativa como MODTRAN
MÉTODO (Berk et al. 1989).
También se necesita una estimación de la emisi-El método de simulación desarrollado (ver Figu-
vidad de la superficie terrestre en los canales con-ra 1) considera el paso de un instrumento de 120 m
siderados. Para ello hemos utilizado el método de resolución espacial y una sola banda térmica
propuesto por Valor y Caselles (1996), el cual situada en 10,5-12,5 µm (TM), a otro con menor
permite calcular la emisividad efectiva de una resolución espacial (240 m) pero provisto de dos
superficie heterogénea y rugosa mediante un mo-canales situados en 10,0-11,0 µm y 11,5-12,5 µm
delo físico en el que se introducen los valores de la (MUST). La idea básica subyacente consiste en
emisividad térmica de los componentes de la su-obtener la temperatura de la superficie terrestre
perficie, de un lado, y una estimación de las pro-(que es aproximadamente independiente de la
porciones de observación de dichas componentes a longitud de onda) a partir de las medidas efectua-
partir de medidas desde satélite en la región visible das por el TM, haciendo la correspondiente correc-
e infrarrojo próximo, del otro. ción atmosférica y de emisividad, e introducir
La inversión de la ETR permite obtener la tem-dicha temperatura en la ecuación de transferencia
peratura corregida a nivel de la superficie a partir radiativa (ETR) con el fin de simular las tempera-
de los datos TM, la cual se introduce después en la turas radiométricas que los dos canales de MUST
misma ecuación aplicada esta vez en forma directa medirían en el techo de la atmósfera (Valor et al.,
Figura 1. Diagrama de flujo que muestra esquemáticamente la aplicación del método para simular las dos bandas MUST (MUST1 y
MUST2) a partir del canal térmico ge TM (TM6).
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con los parámetros de MUST, obteniéndose final- ción de la densidad urbana con mapas a escala
mente la radiancia en dichos canales en el techo de 1/10.000. Finalmente, los cálculos se han realizado
la atmósfera, pero todavía a la resolución espacial para un intervalo de valores de la razón de aspecto
original de TM (120 m). El último paso consiste en WS entre 0,5 y 5. El resultado de estos cálculos
degradar espacialmente estas medidas a la resolu- vienen dados en la Tabla 1, donde mostramos las
ción de MUST (240 m). Una aproximación razo- emisividades medias de los diferentes elementos
nable para este propósito es el promedio de píxeles así como la emisividad efectiva urbana en cada
adyacentes en ventanas móviles de 2x2 píxeles no canal, junto con sus correspondientes errores. La
superpuestas (Justice et al. 1989; Moreno et al. emisividad efectiva se obtiene en este caso con un
1993; Hay et al. 1997), lo que proporciona las error entre ±0,004 y ±0,006.
medidas de radiancia de las bandas MUST a su
Tabla 1. Valores utilizados en el modelo de Caselles y Sobrino resolución espacial correspondiente.
(1989) para calcular la emisividad efectiva de la ciudad de
Valencia. La última fila mue