Medida de la temperatura y la emisividad con datos multiespectrales del sensor DAIS

V. Caselles, 50., C. Coll, E. Rubio, E. Valor, F. Sospedra

Description

Resumen
En este trabajo hemos aplicado una técnica de inversión a imágenes térmicas del sensor DAIS para determinar la temperatura y la emisividad de la superficie terrestre. Los datos suministrados por el DAIS han sido corregidos del efecto atmosférico mediante el uso de un radiosondeo cercano y el modelo MODTRAN. Utilizando como referencia medidas de emisividad realizadas en el campo, se ha aplicado el Método de la Emisividad Normali-zada a las radiancias corregidas con el fin de obte-ner una estimación de la temperatura y la emisivi-dad en los 6 canales térmicos del DAIS. Como resultado hemos observado diferencias considera-bles entre los valores de emisividad obtenidos y los esperados en función de las medidas de campo. En particular, los canales 74 y 79 subestiman significa-tivamente las temperaturas. Hemos analizado las posibles causas que explican estas desviaciones, y proponemos un procedimiento simple para corre-girlas.
Abstract
Field measurements of emissivity are used for inverting Land Surface Temperature (LST) and emissivity from DAIS thermal infrared images. DAIS data have been corrected for atmospheric effects by means of a nearby radiosounding and fue MODTRAN modelo The Normalised Emissivity Method has been applied to the corrected channel radiances using the field emissivity measurements as a reference value to derive the LST and the 6 DAIS thermal channel emissivities. Large differ-ences are found between the derived emissivities and the expected values. Especially channels 74 and 79 appear to underestimate surface tempera-tures. Possible reasons for such differences have been discussed and a simple correction procedure has been proposed.

Sujets

• Temperatura
• Emisividad
• Température

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• Publié le: 01 janvier 1999
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Extrait

Revista de Teledetección. 1999
Medida de la temperatura y la emisividad con
datos multiespectrales del sensor DAIS
V. Caselles, C. Coll, E. Rubio, E. Valor y F. Sospedra
[e-mail]
Departament de Termodinamica, Facultat de Física, Universitat de Valencia
c/ Dr Moliner; 50. 46100 Burjassot (Valencia)


RESUMEN ABSTRACT
En este trabajo hemos aplicado una técnica de Field measurements of emissivity are used for
inversión a imágenes térmicas del sensor DAIS inverting Land Surface Temperature (LST) and
para determinar la temperatura y la emisividad de emissivity from DAIS thermal infrared images.
la superficie terrestre. Los datos suministrados por DAIS data have been corrected for atmospheric
el DAIS han sido corregidos del efecto atmosférico effects by means of a nearby radiosounding and fue
mediante el uso de un radiosondeo cercano y el MODTRAN modelo The Normalised Emissivity
modelo MODTRAN. Utilizando como referencia Method has been applied to the corrected channel
medidas de emisividad realizadas en el campo, se radiances using the field emissivity measurements
ha aplicado el Método de la Emisividad Normali- as a reference value to derive the LST and the 6
zada a las radiancias corregidas con el fin de obte- DAIS thermal channel emissivities. Large differ-
ner una estimación de la temperatura y la emisivi- ences are found between the derived emissivities
dad en los 6 canales térmicos del DAIS. Como and the expected values. Especially channels 74
resultado hemos observado diferencias considera- and 79 appear to underestimate surface tempera-
bles entre los valores de emisividad obtenidos y los tures. Possible reasons for such differences have
esperados en función de las medidas de campo. En been discussed and a simple correction procedure
particular, los canales 74 y 79 subestiman significa- has been proposed.
tivamente las temperaturas. Hemos analizado las
posibles causas que explican estas desviaciones, y
proponemos un procedimiento simple para corre-
girlas.

PALABRAS CLAVE: Temperatura, emisividad, KEY WORDS: Spectral emissivity, temperature,
corrección atmosférica, método de inversión. DAIS sensor.



perimental del proyecto ReSeDa el 8 de julio de INTRODUCCION
1997. La mencionada zona es un área agrícola
Para poder obtener medidas precisas de la emisi- bastante llana situada en la región de Alpilles cer-
vidad y la temperatura de la superficie terrestre a cana a Avignon (Francia), siendo los principales
partir de datos de teledetección, debemos enfren- cultivos el trigo, el maíz, el girasol y la alfalfa. En
tamos a la solución de dos problemas. En primer abril y julio de 1997 se llevaron a cabo dos campa-
lugar hay que corregir el efecto de absorción y ñas de campo intensivas, en las que medimos la
emisión por parte de la atmósfera, para poder re- emisividad en diferentes puntos de la zona de
cuperar la radiancia realmente emitida por la su- estudio. Para determinar la temperatura y la emisi-
perficie observada. En segundo término, debemos vidad a partir de los datos DAIS aplicamos el Mé-
romper la indeterminación inherente a la medida todo de la Emisividad Normalizada (NEM, Gilles-
en el infrarrojo térmico, donde temperatura y emi- pie, 1986) tomando como referencia las medidas
sividad son dos variables independientes pero de emisividad realizadas en el campo. Previamente
acopladas. Hemos analizado ambos problemas en llevamos a cabo la corrección atmosférica de los
el marco del proyecto ReSeDa, cuyo objetivo es la datos DAIS calculando los parámetros atmosféri-
asimilación de datos de teledetección con el fin de cos necesarios con el modelo de transferencia
analizar los procesos de interacción entre suelo y radiativa MODTRAN (Berk et al., 1989) y un
vegetación. En particular, la emisividad y la tem- radiosondeo efectuado en una estación cercana. El
peratura de la superficie terrestre son magnitudes objeto de este trabajo es presentar y discutir los
esenciales en la determinación de los balances resultados obtenidos en nuestra investigación.
hídrico y energético en la superficie. Para realizar
el estudio hemos utilizado imágenes térmicas to-
madas por el instrumento Digital Airborne Ima-
ging Spectrometer (DAIS 7915) sobre el área ex-
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signatura espectral. Los espectros de emisividad MEDIDAS DEL INSTRUMENTO
fueron medidos por el Dr. S. Hook (comunicación DAIS
personal) en el Jet Propulsion Laboratory (Pasa-
El sensor DAIS es un espectrómetro de alta reso- dena, California, USA). Con estos espectros hemos
lución provisto de 79 canales que cubren la región calculado las emisividades integradas en los cana-
espectral entre 0,5 y 13 mm, desarrollado y opera- les DAIS (Tabla 2).
do por DLR (Centro Aerospacial Alemán). El 8 de
julio de 1997 registró tres líneas de vuelo (líneas 4,
101 (trigo) planta + suelo suelo + rastrojo 5 y 7) sobrevolando el área experimental ReSeDa a
0,987 ± 0,008 0,961 ±0,011 unos 3000 m de altitud. La línea 5 cubrió la mayor
120 (trigo) suelo + rastroj parte de la zona, mientras que la línea 7 incluía
0,987 ± 0,005 0,957 ± 0,015
algunos de los puntos de estudio en la parte occi- 214 (trigo) suelo desnudo
dental de la misma. Cada escena contiene alrede- 0,955 ± 0,018
Le Mas Neuf planta suelo (húmedo) dor de 2000 líneas de barrido con 512 píxeles cada
(maíz) 0,984 ±0,007 0,979 ± 0,006 una de ellas (el ángulo de barrido nominal es de ±
500 (maíz) planta suelo desnudo 32°), con una resolución espacial aproximada de 5
0,986 ± 0,009 0,958 ± 0,013
m. En este estudio sólo hemos usado los canales 102 (girasol) planta suelo desnudo
74 al 79, los cuales cubren el infrarrojo térmico 0,979 ± 0,011 0,969 ± 0,009
veg. natural (Figura 1). 0,980 ± 0,003 Los datos DAIS vienen proporcionados por DLR
121 (girasol) suelo desnudo
en cuentas digitales (CD) calibradas en términos 0,953 ± 0,012
de radiancia (Strobl et al., 1996). En los canales 304 (girasol) suelo desnudo
-4 2
0,958 ±0,013 térmicos, 1 CD equivale a 10 m W /( cm sr mm).
203 (alfalfa) Planta + suelo La imagen que hemos usado contiene 736 líneas de
0,987 ± 0,004
barrido (~3,3 km) de 512 píxeles (~2,8 km) extraí-
das de la línea 5, exhibiendo la mayor parte de la Tabla 1. Emisividad en el nadir en la región espectral 8-14
mm medida en el área ReSeDa. Se muestran los valores zona experimental. Dicha imagen corresponde a
medios y las desviaciones estándar de emisividad, e ± s(e),
las radiancias térmicas medidas en el canal 76 a la para cada muestra.
altura del avión (por tanto, sin la corrección atmos-
férica), las cuales se encuentran entre 0,91 y 1,47
2
Canal mW/(cm sr mm) (de 22 a 55°C aproximadamen-
Campo 74 75 76 77 78 79 te).
101 0,949 0,968 0,9730,9700,9730,977
102 0,949 0,967 0,9730,9700,973 0,977
MEDIDAS DE EMISIVIDAD 120 0,947 0,966 0,9720,9680,971 0,976
121 0,953 0,970 0,974 0,972 0,975 0,979
304 0,951 0,968 0,974 0,972 0,975 0,979 Se realizaron medidas sobre alfalfa y trigo en
abril, y girasol y maíz en julio. Para ello se utilizó
Tabla 2. Valores de emisividad integrada en los canales DAIS el método de la caja en sus dos variantes de una y a partir de medidas espectrales, para varias muestras de
dos tapas (Rubio et al., 1997). Las medidas de suelo tomadas en los campos indicados.
emisividad fueron corregidas de los efectos rela-
cionados con la naturaleza no ideal de la caja. En Los resultados obtenidos indican una alta homo-
función del tipo de cultivo se tomaron medidas en geneidad en la emisividad del suelo en toda la zona
suelo y vegetación separadamente, o bien en plan- ReSeDa. Simultáneamente al vuelo del DAIS, se
tas sobre el suelo como fondo conjuntamente. Para realizaron medidas de temperatura radiativa en un
cada muestra se realizaron unas 30 medidas indi- transecto llevado a cabo en el campo 120 (rastrojo
viduales que posteriormente fueron promediadas de trigo sobre suelo) mediante un radiómetro de
(Tabla 1). mano. Después de corregir los valores medidos de
Se recogieron muestras de suelo en distintos los efectos de emisividad, y de reflexión de la
puntos de medida para medir en el laboratorio su radiación atmosférica descendente sobre la super-
Figura 1. Funciones filtro de los canales DAIS 74 a 79 en trazo continuo (P. Strobl, comunicación personal). Se incluyen espec-
tros típicos de emisividad del suelo (línea de trazo grueso) y de la transmisividad atmosférica (línea de puntos)
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surf atmficie observada, se obtuvo una temperatura media L j −I j (5) ε = ; j =1,...6de 45,3°C. Podemos considerar este valor como la