06 – Odvození teploty povrchu z dat Landsat

Program Landsat

Program Landsat je nejdéle probíhající projekt získávání kompletních fotografií Země z vesmíru. Uvedením družicových technologií, jako je program Landsat a jemu podobné, na oběžnou dráhu Země, vedlo k jednomu z nejproduktivnějších období v historii kartografie. Toto nové objevování je srovnatelné pouze se zlatou érou mapování v šestnáctém a sedmnáctém století. Obrazová data uchovávají archívy Landsat již od počátku, tedy od roku 1972. Máme tak k dispozici přes 40 let nepřerušenou řadu snímků. Všechny tyto snímky byly a jsou neustále využívány ve výzkumu ekosystémů, současné změny klimatu, koloběhu vody či dopady lidské činnosti. Program Landsat se tímto zapsal do novodobé historie objevování.

Landsat 8

11. února roku 2013 byla družice úspěšně vynesena na oběžnou dráhu ve výšce 705 kilometrů raketou Atlas 5. Bylo tak učiněno v zájmu zachování kontinuity snímání pevniny. Vše probíhalo ve spolupráci agentury NASA a USGS. Landsat 8 na své palubě nese přístroje OLI (Operational Land Imager) a TIRS (Thermal InfraRed Sensor). OLI pracuje v devíti pásmech viditelného a infračerveného spektra, přičemž zabírá pás široký 185 kilometrů. Přístroj pořizuje černobílá (panchromatická) data v rozlišení 15 metrů a barevná (multispektrální) data v rozlišení 30 metrů. TIRS pracuje v infračerveném spektru (zajišťuje tepelná data) a z vesmíru rozlišuje stometrové detaily.

Odvození teploty povrchu z dat Landsat 8

• konverze digitálních hodnot na hodnoty záření na vrcholu atmosféry (TOA)
• přepočet na zjevnou teplotu (BT = brightness temperature)
• výpočet NDVI
• podíl vegetace
• výpočet emisivity povrchu
• výpočet teploty povrchu

Krok 1 – konverze digitálních hodnot na hodnoty záření na vrcholu atmosféry (TOA)

Jedná se o fázi zpracování obrazových dat z družice, kdy jsou data korigována a převedena na hodnoty, které odpovídají stavu na hranici atmosféry a kosmu. Tato korekce je důležitá pro správné interpretace obrazů a analýzu povrchu Země, jelikož odstraňuje vliv atmosférických jevů a umožňuje získání spolehlivých informací o pozorovaném území.

Převod na hodnoty záření na vrcholu atmosféry je nunté provést pomocí vzorce:

kde jednotlivé parametry znamenají:

ML = Radiance multiplicative Band no. 10 (lze zjistit ze souboru MTL, který je součástí balíčku Landsat, hodnota Radiance_Mult_Band_10)

Qcal = Quantized and calibrated standard product pixel values (DN), Band 10

Oi = Correction value for Band 10 is 2.1K (lze zjistit na Google)

AL = Radiance add band no. 10 (hodnota Radiance_Add_Band_10)

Do prostředí ArcGIS Pro si přidejte pásmo 10 z družicového snímku Landsat 8 a pro přepočet hodnot použijte Raster Calculator. Je nutné použít zjištěné hodnoty z textového souboru MTL.

Krok 2 – přepočet na zjevnou teplotu (BT)

Údaje o spektrálním záření lze převést na teplotu jasu vrcholu atmosféry (BT) pomocí hodnot tepelné konstanty v souboru metadat.

BT = Top Of Atmosphere Brightness  Temperature (°C)

TOA = Top Of Atmosphere Spectral Radiance

k1 = k1 constant band no.10

k2 = k2 constant Band no.10

Opět k výpočtu využijeme Raster Calculator.

Krok 3 – výpočet NDVI

K výpočtu NDVI je nutné mít k dispozici další pásma – červené (band 4) a blízké infračervené (band 5).

Krok 4 – zjištění podílu vegetace

K tomuto kroku je nutné si zjistit statistické hodnoty NDVI – minimum a maximum, které nám následně budou vstupovat do výpočtu.

Krok 5 – výpočet emisivity povrchu (LSE – Land Surface Emissivity)

LSE je průměrná emisivita prvku zemského povrchu vypočtená z hodnot NDVI.

ε = Land surface Emissivity

Pv = Proportion of vegetation

Krok 6 – výpočet teploty povrchu (LST – Land Surface Temperature)

LST = Land Surface Temperature

BT = Brightness Temperature

λ = Wave length of emitted radiance

e = Land Surface Emissivity

C2 = h * c / s = 1.4388 * 10^-2 mk = 14388 µmk

H = Plank’s constant = 6.626 * 10^-34 js

S = Boltzman constant = 1.38 * 10^-13 Jk

C = Velocity of light = 2.998 * 10⁸ m/s