Un método operativo de determinación de la temperatura de la superficie del suelo

V. Caselles

Description

can be easily produced for the area of study. Using the methodology proposed in this work, the spatial variability of the land surface temperature with an accuracy ranging from 1,1 to 0,8ºC (depending on the climatic conditions), which is sufficient for most operative applications.

Sujets

• Atmospheric correction
• Surface

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• Publié le: 01 janvier 1993
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Extrait

Revista de Teledetección. 1993
Un método operativo de determinación de la
temperatura de la superficie del suelo
V. Caselles, C. Coll y E. Valor
Departament de Termodinàmica. Facultat de Física. Universitat de Valencia, Dr. Moliner, 50, 46100 Burjassot


RESUMEN ABSTRACT
En este trabajo se presenta una metodología opera- In this work we propase an opperational method for
tiva basada en la técnica de split-window para determining the land surface temperature from
determinar la temperatura de la superficie del suelo satellite measurements using the split-window
mediante medidas de satélite. El método se puede technique. The method can be applied to AVHRR
aplicar a los canales 4 y 5 de los sensores AVHRR and ATSR channels 4 and 5 and requires ground
y ATSR y precisa del uso de medidas de emisivi- measurements of surface emissivity, ε, for which it
dad en el suelo. Para medir la emisividad, ε, propo- is suggested to use a simple field method based on
nemos un sencillo método de campo basado en el the box method. However, it is al so necessary to
método de la caja. También es necesario el cono- know the emissivity difference between channels 4
cimiento de la diferencia de emisividad entre los and 5, ∆ε , for which it is proposed a technique that
canales 4 y 5, ∆ε, para lo cual proponemos una uses the atmospheric profiles of humidity. Then,
técnica que sólo precisa el perfil atmosférico de images of ε and ∆ε can be easily produced for the
vapor de agua. Así las imágenes de ε y de ∆ε de area of study. Using the methodology proposed in
pueden ser fácilmente obtenidas para el área de this work, the spatial variability of the land surface
estudio. El uso de la metodología propuesta nos temperature with an accuracy ranging from 1,1 to
permite conocer la variabilidad espacial de la tem- 0,8ºC (depending on the climatic conditions),
peratura del suelo con una precisión entre 1,1 y which is sufficient for most operative applications.
0,8°C (en función de las condiciones climáticas), la
cual es suficiente para la' mayor parte de las aplica-
ciones operativas.

PALABRAS CLAVE: Temperatura de la superfi- KEY WORDS: Land surface temperature, split-
cie del suelo, split-window, corrección atmosférica, window, atmospheric correction, surface
emisividad de la superficie.



un amplio rango de emisividades. En los últimos INTRODUCCION
años se han sugerido diversas ecuaciones teóricas
El conocimiento de la temperatura de la superfi- para determinar la temperatura de la superficie del
cie del suelo tiene gran interés en muchas discipli-
suelo (Price, 1984; Becker, 1987; Becker and Li, nas medioambientales, tales como hidrología,
1990, Sobrino et al, 1991). En estos trabajos se geología, climatología, meteorología, etc. La única
demuestra que el efecto de la emisividad de la manera de medir la variabilidad espacial de la
superficie en el método de split-window es propor-temperatura del suelo es mediante el uso de senso-
cional a la emisividad media en la ventana 10,5-res que operan en el infrarrojo térmico, instalados
a bordo de un satélite. Sin embargo, hasta hoy, 12,5 µm, ε, y a la diferencia de emisividad en los
sólo la temperatura de la superficie del mar ha sido canales 4 y 5, ∆ε. Por ello el conocimiento de e y
determinada mediante técnicas de teledetección ∆ε es esencial para una precisa determinación de la
con suficiente precisión (0,5°C). Para ello se han temperatura de la superficie terrestre.
desarrollado algoritmos de tipo split-window, es
El propósito de este trabajo es proponer un pro-
decir, que utilizan dos canales distintos dentro de ceso operativo para determinar la temperatura de la
la ventana atmosférica 10.5-12.5 µm (Anding and
superficie del suelo, basado en un modelo teórico
Kauth, 1970; Prabhakara et al, 1974; McMillin, sugerido por Sobrino et al. (1991). Así, podremos
1975; Deschamps and Phulpin, 1980; McClain et
pasar de la teoría a la práctica, es decir, de la
al, 1985). investigación a la aplicación. Primeramente expon-
La determinación de la temperatura del suelo es
dremos el modelo teórico obtenido a partir de la
bastante más complicada que en el caso del mar, ecuación de transferencia radiativa, y se propondrá
pues éste es una superficie homogénea con una una ecuación de split-window para la temperatura
emisividad próxima a la unidad, mientras que la del suelo. A continuación mostraremos diferentes
superficie terrestre es un medio heterogéneo con técnicas para la obtención de mapas de emisividad
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( ε y ∆ε) de la zona de estudio a partir de imágenes obtener las siguientes ecuaciones (Coll et al.,
NOAA-AVHRR. Finalmente presentaremos ejem- 1993a):
plos de aplicación de la metodología desarrollada * 1- τ ( θ)i (4) T −T = (T −T ↑)i i i apara distintas áreas. τ ( θ)i

MODELO TEÓRICO que da la diferencia entre T * y la temperatura de i
satélite T , es decir, cuantifica la corrección atmos-iPara obtener la temperatura de la superficie del
férica, y suelo mediante datos de satélite es necesario co-
rregir el efecto de la emisividad, que modifica la
1- ε* i (5) radiancia emitida por la superficie, y la perturba- T −T = bi i i
εción introducida por la absorción y emisión de los i
componentes atmosféricos (principalmente, el
vapor de agua, y en menor medida, el dióxido de que nos da la corrección por emisividad, donde
carbono y los aerosoles). Para ello proponemos el b es un parámetro que depende del canal, de la i
uso de una ecuación tipo split-window, ya que atmósfera y de la temperatura del suelo.
actualmente es el método más práctico para llevar Considerando los canales 4 y 5 del sensor
a cabo las correcciones atmosférica y de emisivi- AVHRR, podemos eliminar la temperatura atmos-
dad en imágenes térmicas. Se basa en la diferente férica, T ↑, y obtener la siguiente ecuación de a
absorción del vapor de agua en dos canales adya- split-window (Coll et al, 1993a)
centes dentro de la ventana atmosférica 10,5-12,5
µm (como los canales 4 y 5 de los instrumentos (6) T = T + A (T -T ) + B + B( ε)4 4 5 g
AVHRR y ATSR).
Para la deducción de la ecuación de split- donde el coeficiente A es
window partiremos de la ecuación de transferencia
radiativa que relaciona la temperatura real de la
1- τ ( θ)4 (7) A = superficie, T, con la medida por el canal i de un
τ ( θ)- τ ( θ)4 5sensor a bordo de un satélite, T. Así, si B es la i i
función de Planck evaluada para el número de
Y el coeficiente B( ε) es onda central del canal i, v , y ε es la emisividad de i i
la superficie en el canal i, podemos escribir
(8) B( ε) = α(l- ε)- β ∆ ε
1- ε i (1) B (T ) = τ ( θ) [ ε B (T) + R ↓(hem)] + R ↑( θ)i i i i i i i
π A y B evalúan el efecto atmosférico en el split-g
window, especialmente el del vapor de agua. En
donde τ ( θ) es la transmisividad de la atmósfera efecto, el método de split-window se basa en la i
en el canal i para el ángulo cenital de observación diferente absorción del vapor de agua dentro de la
θ, R ↑( θ) es la radiancia emitida hacia el sensor por ventana 10,5- 12,5 µm, debido al denominado i
la atmósfera, y R ↓(hem) es la radiancia hemisféri- continuo de absorción (Coll et al, 1991). Este me-i
ca emitida por la atmósfera hacia el suelo. canismo de absorción hace que la transmisividad
Para desarrollar el modelo es necesario definir la sea menor en el canal 5 que en el 4, siendo la dife-
temperatura T *, que es la temperatura correspon- rencia τ - τ (y por tanto T -T ) mayor a medida i 4 5 4 5
diente a la radiancia medida a nivel de la superficie que aumenta la humedad atmosférica. Sin embar-
(representa la temperatura corregida de la atenua- go, para atmósferas muy secas, el efecto de otros
ción atmosférica, pero con los efectos de la emisi- gases atmosféricos con un espectro de absorción
vidad todavía presentes), es decir distinto al del vapor de agua puede ser muy impor-
tante, como veremos en el próximo apartado. Por
otra parte los coeficientes A y B dependen única-* 1- ε gi (2) B (T ) = ε B (T) + R ↓(hem)i i i ii mente de la atmósfera y son independientes de la π
emisividad de la superficie (así, pueden obtenerse
de las temperaturas de la superficie del mar). Si-También definimos la temperatura radiativa de
guiendo con los coeficientes de la ecuación (6), la atmósfera en la dirección ascendente, T , como i