Caracterización de emisiones térmicas en áreas suburbanas mediante imágenes Thematic Mapper

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Resumen
Se ha analizado la información térmica que propor-ciona la banda 6 del sensor Thematic Mapper del satélite LANDSA T-5, para localizar posibles "vertidos" térmicos en entonos industriales. La dinámi-ca de las principales zonas de estudio, está fuertemente condicionada por una importante actividad urbana e industrial. Las imágenes ponen de manifiesto la presencia de focos de elevada temperatura, pudiendo ser alguno de ellos susceptible de producir afecciones al medio natural. El análisis de este tipo de imágenes, muestra su utilidad para la detección, control y seguimiento de determinados focos problemáticos y estudiar su posible influencia en el entorno.
Abstract
Thermal data of the Landsat TM-6 channel have been analyzed to locate potential "thermal" dumping in industrial areas. The dynamic of the main studied areas is strongly conditioned by a signifi-cant urban .and industrial activity. Some spots of high temperature, susceptible to produce environmental damage. can be detected on the satellite images. Thus analyses of thermal satellite images are useful to detect, control and monitor some problematic focus and to study its possible influence on the surrounding areas.

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Publié le 01 janvier 1995
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Revista de Teledetección. 1995
Caracterización de emisiones térmicas en áreas
suburbanas mediante imágenes Thematic
Mapper
V. Ferrer-Vidal y U. Solé-Sugrañes
Instituto de Ciencias de la Tierra "Jaume Almera", C.S.I.C.
c/ Lluis Solé Sabarís, s/n. 08028 BARCELONA


RESUMEN ABSTRACT
Se ha analizado la información térmica que propor- Thermal data of the Landsat TM-6 channel have
ciona la banda 6 del sensor Thematic Mapper del been analyzed to locate potential "thermal" dump-
satélite LANDSA T-5, para localizar posibles "ver- ing in industrial areas. The dynamic of the main
tidos" térmicos en entonos industriales. La dinámi- studied areas is strongly conditioned by a signifi-
ca de las principales zonas de estudio, está fuerte- cant urban .and industrial activity. Some spots of
mente condicionada por una importante actividad high temperature, susceptible to produce environ-
urbana e industrial. Las imágenes ponen de mani- mental damage. can be detected on the satellite
fiesto la presencia de focos de elevada temperatura, images. Thus analyses of thermal satellite images
pudiendo ser alguno de ellos susceptible de produ- are useful to detect, control and monitor some
cir afecciones al medio natural. El análisis de este problematic focus and to study its possible influ-
tipo de imágenes, muestra su utilidad para la detec- ence on the surrounding areas.
ción, control y seguimiento de determinados focos
problemáticos y estudiar su posible influencia en el
entorno.

PALABRAS CLAVE: Vertidos térmicos, detec- KEY WORD: Thermal dumping, detect, control,
ción, control, seguimiento. monitoring.



En el sensor Thematic Mapper la información INTRODUCCION
térmica la proporciona principalmente el canal
Las técnicas de Teledetección, constituyen una TM-6, centrado en la banda de 10.4 m a 12.5 m. en
herramienta muy útil para controlar los cambios en la que la radiancia emitida por la superficie terres-
las áreas suburbanas así como los límites urbano- tre alcanza sus máximos valores. La irradiancia
rural. Además, permiten el control de algunos de recibida por el sensor puede ser transformada al
los efectos de las actividades urbana e industrial, equivalente de temperatura, de modo que pueda
en lo referente, por ejemplo, a contaminación de obtenerse la temperatura aparente de radiación o
suelos y en general, a posibles afecciones a los brillo de la superficie, que difiere de la temperatura
procesos medioambientales. El uso de imágenes de real debido al efecto de la emisión-absorción at-
satélite, puede ayudar a localizar e identificar focos mosférica y de la emisividad superficial (Schott,
en áreas industriales que puedan alterar los vecto- 1989). En este estudio, estos valores no han sido
res medioambientales. corregidos atmosféricamente, debido a un conoci-
Concretamente en este estudio, se ha tratado de miento insuficiente del estado de la atmósfera en el
identificar una serie de focos con respuesta térmica momento de toma de la imagen. Sin embargo,
elevada, que en algunos casos podrían ser suscep- puede considerarse que las imágenes corresponden
tibles de producir afecciones al medio natural. La a un día claro, según los valores extraídos del
zonas de estudio seleccionadas, se en marcan en histograma de cada una de las bandas visibles e
las comarcas del Alt Llobregat, Baix Llobregat y infrarrojas próximas (Chavez, 1988).
Valles Occidental, en la provincia de Barcelona. El análisis visual de las imágenes permite apre-
Desde un punto de vista urbano e industrial, las ciar una serie de focos que muestran aparentemen-
dos últimas son regiones muy dinámicas, que te una respuesta elevada, algunos casos incluso en
comprenden varios usos del suelo, urbano (resi- el infrarrojo medio, claramente apreciable en el
dencial/comercial/industrial) y agrícola. Para este infrarrojo térmico (fig. 1). Sobre estos focos se ha
estudio, se ha utilizado la información de una ima- centrado el estudio, en cuanto a su caracterización
gen Thematic Mapper IANDSAT 5, de fecha de 22 y a su posible afección al entorno directo.
de Mayo de 1991.

Nº 5 – Diciembre 1995 1 de 5 V. Ferrer-Vidal y U. Solé-Sugrañes
considerando también, que con estos incrementos,
las bacterias necesitan una mayor cantidad de O 2
(Estevan, 1984).
Otro de los focos de interés, se identifica con
explotaciones tipo canteras e industrias asociadas
(cementeras), así como la deposición y/o almace-
namiento del combustible: utilizado en el proceso
productivo. Aparte del claro efecto térmico que
suponen estas plantas de producción, claramente
identificables en las imágenes de satélite, el efecto
principal se asocia a la emisión de gases (802 y
Fig.1. Composición falso color de una imagen Thematic Map-
NOx) y partículas sólidas en suspensión. El efecto
per del 22/5/91 de la zona del Baix Llobregat entre Martorell y
directo de este tipo de actividad sobre la vegeta-Molins de Rei. En azul la banda TM3. en verde la TM 4 y en
rojo la TM 6. ción del entorno inmediato, supone la posible
oclusión de los estomas de las plantas, que entre
otros efectos puede llevar consigo una disminución
PROBLEMATICA DE LA de la actividad fotosintética de las mismas. La
CONTAMINACION TERMICA pérdida de vapor de agua en la planta, tiene lugar a
través de los estomas, que se abren y cierran en
El análisis de la temperatura aparente de esos fo- respuesta a estímulos internos y externos como son
cos de posible respuesta térmica elevada, en rela- entre otros, el nivel de iluminación, la temperatura,
ción a otros (datos, como usos del suelo, puede la presencia de agentes patológicos, la distribución
orientar sobre el efecto que puedan tener sobre el de la humedad del suelo o déficit de agua del mis-
entorno. A partir de un cierto umbral, el incremen- mo. Con incrementos de temperatura, se produce
to de los niveles óptimos de temperatura en el una disminución de la transpiración del vegetal,
entorno directo de la vegetación, suelos o en el que puede generar fenómenos de stress con impor-
medio acuático, puede generar problemas locales tantes implicaciones en la fisiología del mismo
de diferente envergadura (Van der Ploeg, 1982). (Byrne, 1979).
Se conocen « algunos sectores productivos que Adicionalmente, es básico considerar el impacto
pueden desarrollar procesos de contaminación que estos focos de temperatura elevada pueden
térmica en el medio natural. Los focos de calor de tener sobre el suelo. Uno de los efectos, es que los
mayor envergadura que pueden dar origen a esta suelos que soportan ciertas deposiciones de mate-
contaminación, se identifican claramente en las riales susceptibles de generar recalentamientos
imágenes TM. locales, sufren una pérdida prácticamente total de
Un ejemplo claro y conocido de contaminación la cobertera vegetal. Además, estas deposiciones
térmica, lo constituyen las centrales térmicas constituyen una aportación directa de contaminan-
(Bond, 1974). En casos como el de estas centrales, tes al suelo, pudiendo modificar sus características
se sabe, que el uso masivo de energía contenida en físico-químicas y biológicas, y en último término,
los combustibles fósiles para la producción de la capacidad de uso del mismo. La textura y la
energía eléctrica, requiere que una parte de la porosidad del suelo, son muy importantes para
energía liberada por el combustible pase de alguna tener unas condiciones de aireación y contenido de
manera al medio ambiente, bien directamente a la aguas correctas, y consecuentemente una disponi-
atmósfera, o bien directamente a las masas de bilidad de nutrientes para las plantas y organismos.
agua, produciendo un calentamiento de las mis- La falta de O y la acumulación de sustancias tóxi-2mas, y originando un factor sensible para la vida cas, pueden llegar a ser factores límite, que super-
acuática. Principalmente, el aumento de temperatu- en los límites de tolerancia de ciertos organismos
ra en las masas de agua debido a contaminación (Paul y Huang, 1980).
térmica, puede afectar a los microorganismos,
modificando las propiedades biológicas de los
MAPAS TERMICOS mismos, que pueden llevar a la variación del ritmo
de crecimiento y en algunos casos a su muerte. Las imágenes térmicas, permiten la discrimina-
Incrementos del nivel óptimo de temperatura en ción de clases más o menos homogéneas o de
el agua, llevan consigo variaciones en sus propie- distintas cubiertas. Mediante una multisegmenta-
dades físicas y químicas. La variación de la tempe- ción ("density slicing") de la imagen térmica, se
ratura del agua afecta a, su densidad, viscosidad, puede configurar un "mapa térmico", que muestra
tensión superficial y de vapor, a la solubilidad y una serie de niveles de temperatura de irradiación
difusión de gases. Un aspecto muy importante, lo aparente. Este tipo de "mapas térmicos" permiten
constituye el hecho de que al aumentar la tempera- una buena correlación con las áreas naturales (fig.
tura del agua, disminuye la capacidad de la misma: 2). Así, se pone perfectamente de manifiesto la
para disolver el O que necesitan las bacterias para 2 discriminación de los focos de emisión térmicos de
asimilar los residuos orgánicos y depurar las corrientes, distinta envergadura, las zonas de actuación indus-
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trial, zonas urbanas, zonas de cultivo y con presen- K = Constante de calibración 1260.56 K 2
-2 -cia de vegetación y áreas forestales. K= Constante calibración 60.776 mW·cm sterl
l -1 Parámetros responsables de la variabilidad de la ·µm
-2 -l -1temperatura de superficie, son la disponibilidad de L = Radiancia espectral en mW·cm . ster ·µm λ
humedad y la capacidad calorífica diurna, a su vez
factores altamente relacionados con la naturaleza La radiancia espectral puede calcularse a partir
de los materiales superficiales (Wheeler, 1986). de:
Concretamente, las superficies con asentamientos
urbanos e industriales, se caracterizan por tener, LMAX - LMINλ λ L = LMIN + ( ) QCALgeneralmente, temperaturas más elevadas que las λ λ QCALMAX
cubiertas vegetales. La radiación solar absorbida
por los materiales de construcción de cubiertas,
donde,
fachadas y calles en su práctica totalidad es trans-
formada en calor, mientras que la radiación solar QCAL = radiancia en DN (valores digitales leídoo
absorbida por las superficies vegetales, en su ma- por el sensor)
yor parte es utilizada en los procesos fotosintéti- LMIN = radiancia espectral a QCAL = O λcos. En las plantas verdes, los posibles incremen-
LMAX= radiancia espectral a QCAL = λtos de temperatura producidos por la disipación de
QCALMAX
la energía absorbida y no utilizada fotoquímica-
QCALMAX = rango de radiancia en DN mente son compensados por la evapotranspiración.
L = radiancia espectral λ Los aumentos de temperatura en las áreas urba-

nas, se les denomina "islas de calor", y son detec-
La Tabla 1, muestra los valores de temperatura
tables, no sólo en grandes ciudades, sino también aparente obtenidos para cada uno de los puntos de
en pequeños asentamientos (Carnahan y Larson,
interés. Estos puntos, se han extraído sobre super-
1990; Triebnig-Löffier, 1993). La diferenciación ficies prácticamente homogéneas dentro de dife-
rentes usos de suelo. Algunos de estos usos se han
definido en la Tabla de forma genérica, siendo la
relación entre estos y una actividad industrial u
otro uso, la siguiente:

- Recinto Industrial 1: corresponde a la deposi-
ción y almacenamiento de desechos metálicos
aparentemente caótica, en un recinto industrial
cerrado, asociado a una actividad industrial de
transformación y fabricación de productos metá-
licos.
Fig.2. Mapa térmico de la zona del Baix Llobregat obtenido a - Recinto Industrial 2: deposición de desechos
partir de la imagen Thematic Mapper de 22-5-91. Misma escala
metálicos similar a la anterior, en recinto indus-y zona que la fig. 1. La escala representa temperaturas de
emisión aparentes a nivel del satélite, en ºC. trial cerrado.
- Recinto Industrial 3: acumulación de depósitos
térmica interna de estos núcleos, está relacionada metálicos en recinto industrial cerrado.
con la fisonomía del asentamiento, la actividad - Recinto Industrial 4: cubierta de edificación
desarrollada en cada área (residencial / comercial / industrial asociado a una industria de fundición
industrial) y la densidad de edificación. de metales.
- Recinto Industrial 5: instalación industrial aso-
CARACTERIZACION DE LOS ciada a una industria cementera.
- Recinto Industrial 6: instalación industrial aso-FOCOS TERMICOS
ciada a una industria cementera.
Sobre distintas áreas de interés, se han extraído - Parque Carbón 1: parque de carbón asociado a
una serie de valores, que han sido transformados a industria cementera, en recinto industria! cerrado
temperatura de irradiación aparente de la superfi- 5.
cie, de acuerdo con las ecuaciones de Markham y - Parque Carbón 2:ado a
Barker (1986): industria. cementera en recinto industrial cerrado
K 2 6. T=
K - Escombreras: asociadas a actividad extractiva 1ln( +1)
L (lignito). λ
- Vertedero: recinto de vertedero controlado. donde,

T = Temperatura efectiva medida en el satélite, o
temperatura de brillo aparente en K
Nº 5 – Diciembre 1995 3 de 5 V. Ferrer-Vidal y U. Solé-Sugrañes
USOS DE SUELO Tmedia (C) Desviación S propio material y en general presenta valores rela-
Suelo desnudo 29.35 0.80 tivamente bajos, Sin embargo, en los suelos este
Forestal 23.33 0.66 coeficiente depende del contenido en agua y del
Cultivos (vegetación herbácea) 24.93 0.25
nivel y estado de la cobertera vegetal. Las coberte-
Zona urbana 31.51 1.52
ras vegetales se caracterizan por valores del coefi-Zona industrial 36.32 2.52
Recinto Industrial 1 36.90 1,67 ciente de emisividad relativamente muy altos, que ial 2 36.24 2.26 pueden deberse al contenido en agua de las hojas
Recinto Industrial 3 35.11 0.22 verdes. En los suelos naturales el coeficiente de ial 4 35.51 0.24
emisividad aumenta con el incremento de la
Parque Carbón 1 38.29 0.11
humedad del suelo y con el incremento de densi-Parque Carbón 2 35.91 0.11
dad de la cobertera vegetal. Recinto Industrial 5 44.85 0.23 ial 6 55.09 0.25 Van de Griend y Owe (1993), encontraron que la
Parque Central Térmica 35.20. 1.81 emisividad de los suelos puede relacionarse con el
Escombreras 30.18. 0.93 índice de vegetación normalizado ( NDVI) defini-
Vertedero31.942.20
do como la diferencia normalizada entre la reflec-Vegetación Parque Natural 20.66 0.63
tancia en las longitudes de ondas infrarroja próxi-Lagunas Paral 22.55 1.31
Aguas costeras 15.02 0.22 ma R y roja R : NIR R

Tabla I. Valores de Temperatura aparente para diferentes focos R - RNIR R de Interés, para varios usos del suelo. NDVI =
R + RNIR R
La relación encontrada entre el NDVI y el coefi-
ciente de emisividad es del tipo: RELACION ENTRE EL

COEFICIENTE DE EMISIVIDAD Y EL ε = a + b·ln (NDVI)
INDICE DE VEGETACION
2con un coeficiente de correlación de 0.941 (r = Como se ha citado anteriormente, la diferencia
0.886), y para a = 1.0094 y b = 0.047, con un nivel entre los valores de temperatura real y aparente,
de error de estimación de 0.01. está condicionada básicamente por la atenuación
atmosférica y el coeficiente de emisividad de la
El NDVI, está relacionado con parámetros de la cubierta. Sin embargo, por las condiciones atmos-
vegetación, como cantidad de biomasa y superficie féricas "claras" del día de toma de la imagen, se
verde de las hojas (LAI). Las hojas verdes, tienen podría hacer una estimación de la posible diferen-
altoo valores de NDVI, mientras que hojas secas y cia entre ambas temperaturas, conociendo, por
amarillentas presentan valores más bajos. Respecto ejemplo, los valores de la temperatura superficial
a los suelos desnudos, los valores medios del NdVI en aguas costeras para una zona determinada a la
son mucho más bajos que para la vegetación. hora de toma de la imagen, y comparando los
Para algunos de los focoo de interés de la zona mismos con los valores proporcionados por el
de estudio, se ha calculado el NdVI y se ha aplica-satélite en la misma zona. Estas correcciones, en
do la relación anterior, encontrándose valores de condiciones de atmósfera clara y en primavera,
emisividad que se ajustan a los valores citados en suelen ser inferiores a unos 2K.
la bibliografía para estos tipos de superficies (BaI-El coeficiente de emisividad en una superficie
le, 1982). Esta relación se ajusta en zonas perfec-puede variar debido a diferencias en la estructura
tamente definidas, como por ejemplo, superficies del suelo, la composición, materia orgánica, conte-
de cultivo, vegetación herbácea, zonas forestales, nido en humedad, así como diferencias en las ca-
sueloo desnudos o con niveles de vegetación bajos, racterísticas de la cobertera vegetal. A la escala de
cubiertas de edificaciones en zonas urbanas, super-un pixel (120x120 m en el caso de TM-6), las
ficies de hormigón o asfaltadas o superficies metá-superficies naturales son generalmente inhomogé-
licas aproximadamente homogéneas. Sin embargo, neas, tanto en términos de distribución espacial de
esta relación nose ajusta a superficies muy oscuras, la temperatura superficial dentro de los límites del
caso de las deposiciones de carbón en algunos pixel, como en términos de la variabilidad de la
parques industriales, y en superficies acuáticas, ya emisividad dentro del pixel. La emisividad de las
que este tipo de superficies tienen un coeficiente superficies naturales puede ser medida, en puntos
de emisividad muy próximo a la unidad y por el concretos, por diversos métodos, tales como la caja
contrario presentan valores de NDVI muy bajos o de emisividad y los sensores de infrarrojos. Sin
negativos. embargo, la variabilidad dentro del pixel hace
No cabe duda, que la relación entre el NDVI y la prácticamente imposible o muy difícil, estimar la
emisivi dad térmica parece muy interesante, y que emisividad efectiva del mismo (Van de Griend,
debería profundizarse más en ello. Van de Griend 1993).
y Owe (1993), ofrecen mediante la relación empí-En los materiales de construcción el coeficiente
rica descrita entre la emisividad térmica y la reflec-de emisividad térmica es una característica del
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