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