ارائه روشی برای ارزیابی دقت و اعتبارسنجی دمای سطح زمین حاصل از دادههای سنجش از دور: مطالعه موردی استان فارس

Transcript

1 ارائه روشی برای ارزیابی دقت و اعتبارسنجی دمای سطح زمین حاصل از دادههای سنجش از دور: مطالعه موردی استان فارس نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 حسن امامی برات مجردی عبدالرضا صفری 3 دانشجوي دکتري نقشهبرداري فتوگرامتري - دانشكده مهندسي نقشهبرداري و اطالعات مكاني - پرديس دانشكدههاي فني - دانشگاه تهران h_emami@ut.ac.ir استاديار گروه نقشهبرداري - دانشكده مهندسي عمران - دانشگاه علم و صنعت ايران mojaradi@iust.ac.ir 9 دانشیار دانشكده مهندسي نقشهبرداري و اطالعات مكاني - پرديس دانشكدههاي فني - دانشگاه تهران asafari@ut.ac.ir )تاريخ دريافت خرداد 93 تاريخ تصويب بهمن 93( چکیده دماي سطح زمین از جمله متغیرهايي است که در دامنه وسیعي از مطالعات علوم زمین و محیط زيست کاربرد دارد. فناوري سنجش از دور امكان پايش مكاني و زماني اين کمیت را در سطوح وسیع فراهم ميآورد. اما ارزيابي دقت اين کمیت از مسائل چالش برانگیز بوده و هست. تغییرات سريع دما در مكان و زمان از يک طرف و عدم تطابق مقیاس مكاني بین سنسورهاي ماهوارهاي و زمیني از طرفي ديگر اعتبار سنجي آن را با دادههاي زمیني دشوار نموده است. عالوه بر اعتبارسنجي اين کمیت با داده هاي زمیني سه روش ديگر اعتبار سنجي مبتني بر راديانس ارزيابي غیرمستقیم و اعتبار سنجي تقاطعي بین محصول دو سنجنده وجود دارد. از بین اين روشها روش اعتبار سنجي تقاطعي با توجه به گسترش روزافزون سنجندههاي حرارتي از معمولترين روش ارزيابي دقت دماي سطح ميباشد. تطبیق زمان اطالعات طیفي مكاني و زاويه ديد سنجنده از نیازهاي اساسي روش اعتبار سنجي تقاطعي است. در مقاله حاضر روشي براي اعتبارسنجي تقاطعي دماي سطح حاصل از لندست 8 با سنجنده هاي ماديس ارائه شده است. بدلیل برداشت دو بار در هر شبانهروز توسط هر يک از سنجندههاي ماديس محصول دماي آن بعنوان مرجع انتخاب گرديد. محصول دماي ماديس در بیش از پنجاه مورد با روشهاي مختلف اعتبارسنجي شده و داراي دقت کمتر يک درجه کلوين ميباشد. نتايج روش پیشنهادي نشان داد که ارزيابي دقت در مناطق با همگني باال با پارامترهاي میانگین اختالفها و ريشه میانگین مربع خطا به ترتیب داراي دقت 6.0 و.09 درجه کلوين در تصوير بررسي اول بوده و همچنین اين مقادير در تصوير بررسي دوم به ترتیب داراي دقت 6.3 و. درجه کلوين بدست آمدند. با توجه به نتايج حاصل روش پیشنهادي نه تنها روش با ثباتي براي ارزيابي دقت دماي سطح ميباشد بلكه اين روش براي هر سنجنده حرارتي و براي هر زمان و مكاني قابل اجرا است. واژگان کلیدی: دماي سطح زمین اعتبار سنجي تقاطعي لندست 8 ماديس تطبیق اطالعات زماني طیفي و مكاني دو تصوير نويسنده رابط

2 - مقدمه ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از دماي سطح زمین از جمله متغیرهايي است که در دامنه وسیعي از مطالعات و تحقیقات علوم زمین و محیط زيست مورد نیاز است و در بسیاري از کاربردهاي مانند مدل سازي تبخیر و تعرق برآورد رطوبت خاک آب و هوايي شهري هیدرولوژيكي پايش پوشش گیاهي و مطالعات زيست محیطي يكي از پارامترهاي کلیدي در مقیاس محلي و جهاني است. دماي سطح زمین تابعي از انرژي خالص در سطح زمین است که به عوامل مختلفي از جمله گسیلمندي سطح رطوبت و جريان اتمسفر بستگي دارد. فناوري سنجش از دور امكان پايش مكاني و زماني همزمان اين کمیت را در سطوح وسیع فراهم ميآورد. اما ارزيابي دقت و اعتبارسنجي اين کمیت از مسائل چالش برانگیز بوده و هست زيرا از يک طرف تغییرات سريع آن در دامنه مكان و زمان طوريكه تغییر بیش از ده درجه کلوين در فاصله بسیار کوتاه و يا بیش از يک درجه کلوين در يک زمان بسیار کوتاه )کمتر از يک دقیقه( اتفاق مي افتد] 9. 9[ از طرف ديگر بدلیل عدم سنسورهاي بین مكاني مقیاس تطابق و زمیني ماهوارهاي اعتبارسنجي آن را با دادههاي زمیني پیچیده و دشوار کرده است. از آنجا که ناهمگني قوي از ويژگيهاي سطح زمین در گیاهي پوشش انواع خاک است و توپوگرافي ]8.[ دماي سطح زمین به سرعت در دامنه مكاني و زماني تغییر ميکند] 9. [. همچنین خصوصیات کافي از توزيع دماي سطح و تكامل زماني آن نیاز به نمونه برداري با روش مكاني و زماني دقیق دارد. لذا اين اندازهگیري را نميتوان با استفاده از سیستمهاي مبتني بر زمین به دلیل پیچیدگي و عدم دقت اندازهگیري معمولي دماي سطح زمین و خطاهاي ناشي از نمونهگیري ناکافي انجام داد. با توسعه روزافزون سنجش از دور حرارتي اندازهگیري ماهوارهاي هاي داده دماي سطح زمین با مكاني باال را فراهم آوردهاند ]9[. رايجترين روش را زماني تفكیک قدرت براي و با اين وجود ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي حاصل از دادههاي ماهوارهاي اغلب چالش برانگیز بوده و هست اگرچه در دهههاي اخیر چندين الگوريتم براي بازيابي دماي سطح از دادههاي حرارتي گسترش داده شده است با اين حال اعتبارسنجي دماي حاصل از اين دادهها بدلیل مشكالت زير چندان توسعه نیافته و نیازمند توسعه الگوريتم هاي جديد است.]6.9..[ اولین مشكل اعتبارسنجي دماي سطح اندازهگیريهاي زمیني دما در مقیاس محلي است و راديانس حرارتي حاصل داراي اثرات ترکیبي با شرايط محیطي و اتمسفر است لذا براي اندازه- گیري دماي سطح جهت ارزيابي دقت بايستي همزمان ضريب گسیل سطح راديانسهاي حرارتي محیط و اتمسفر نیز اندازهگیري شود که يک کار زمانبر بوده و پايش آن سخت و دشوار است. دومین مشكل اندازهگیري دماي سطح با روش زمیني در مقیاس پیكسل است زيرا هر پیكسل تصوير مساحتي حدود چند صدمتر يا کیلومتر را پوشش ميدهد با توجه به تغییرات مكاني ويژگیهاي سطح زمین و تغییرات مكاني-زماني بزرگ در خود دماي سطح ارائه يک ايده جهت بدست آوردن دماي مرجع در مقیاس پیكسل کاري دشوار است. مشكل نمونه- به مربوط سوم برداري زماني دماي سطح است که بايستي با فرکانس زماني بسیار باال مشخص گردد چون درجه حرارت سطح ممكن است چندين درجه به علت باد سايه و ساير عوامل محیطي تغییر کند. به طور کلي راديومترهاي زمیني اغلب درجه حرارت را در بیش از چند دقیقه اندازهگیري ميکنند در حالیكه سنسورهاي حرارتي بر روي ماهوارهها داده ها را در کسري از ثانیه بدست ميآورد. اگرچه مشكالت و دشواريهاي زيادي در اعتبارسنجي دماي سطح حاصل از دادههاي حرارتي ماهوارهاي وجود دارد در سالهاي اخیر تالشها و مطالعات بسیاري براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي اين کمیت انجام گرفته است.] [ روشهايي که دقت مقادير دماي سطح حاصل از دادههاي ماهوارهاي را ارزيابي ميکنند به چهار گروه روش مبتني بر دماي اندازهگیري زمیني 9 و روش مبتني بر راديانس روش ارزيابي غیر مستقیم روش اعتبارسنجي تقاطعي تقسیمبندي ميشوند. مشكالت روش مبتني بر دماي حاصل از اندازهگیري زمیني ذکر شد در کل در اين روش فقط ميتوان به چند نوع از عوارض سطح نظیر مناطق داراي پوشش آب برف يخ و نواحي با پوشش گیاهي متراکم و همگن بعنوان نقاط اعتبارسنج در مقیاس پیكسل اتكا کرد. اين روش همچنین براي اعتبارسنجي دماي سطح در مقیاس جهاني مناسب Temperature-based Radiance-based 3 Indirect 4 Cross-validation...

3 نیست]. 98[. روش مبتني بر راديانس يک روش شبیه سازي و بازيابي دماي بین مقايسه حاصل از دادههاي ماهوارهاي با نتايج حاصل از مدل انتقال تابشي است که نیاز به دانش دقیق از ضريب گسیل سطح شرايط سطح و پروفیلهاي اتمسفري در زمان عبور سنجنده دارد ]8. [. موفقیت اين روش وابسته به دقت پارامترهاي ذکر شده دارد همچنین صحت اين روش در شرايط مختلف سطح بايستي با ديگر روشهاي ارزيابي دقت اعتبارسنجي گردد. جزئیات بیشتر اين روش در ][ توضیح داده شده است. در مقابل اعتبارسنجي روش مستقیم زمیني روش ارزيابي غیر مستقیم دماي سطح با استفاده از مدلسازي فعل و انفعاالت سطح و اتمسفر مانند زمین ارتباطات مدل نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 مدل ]96[ زمین ]6[ و يا مدل هاي آب و هوايي مانند پیش زمین مشترک 9 و مدل جوي بیني مرکز ملي تحقیقات جوي مدل آب و هوا گردش بر عالوه ]9[ عمومي اينكه در اين روشها شبیهسازي يا پیشبیني ميکنند. مدلسازي فعل انفعاالت و سطح زمین و اتمسفر بصورت کامل دشوار و غیرممكن است همچنین اين روشها قدرت مكاني بسیار تفكیک پايین )بزرگتر از 6 کیلومتر( صحت اعتبارسنجي دماهاي حاصل از ها را ماهواره دربر ميگیرد] 9 [. در روش اعتبار سنجي تقاطعي بدلیل تغییرات مكاني-زماني سريع دماي سطح تطبیق زمان تطبیق بر عالوه اطالعات طیفي- مكاني و تطبیق زاويه ديد بین دو سنجنده از نیازهاي اساسي اين روش است ]9. [. با پیدايش سنجندهاي حرارتي مختلف اين روش يكي از رايجترين روش در ارزيابي دقت دماي سطح ميباشد. مزيت استفاده از اين روش عدم نیاز به هر نوع اندازهگیريهاي زمیني را دارد و دقت آن وابسته به تطبیق اطالعات طیفي- مكاني و زماني بین دو سنجنده است. در مقاله حاضر روشي سه مرحلهاي براي اعتبارسنجي تقاطعي دماي سطح زمین حاصل از سنجنده لندست 8 با تولیدات دماي سنجندههاي ماديس در اراضي استان فارس ارائه شده است. بدلیل پوشش وسیع و برداشت دوبار در هر شبانهروز توسط هر يک از سنجندههاي ماديس محصول دماي آن بعنوان مرجع در شرايط جوي عاري از ابر انتخاب گرديد. دادهها و محصوالت سنجندههاي ماديس بصورت مجاني و همیشه در دسترس ميباشند و از 0 قابل طريق وبسايت سیستم توزيع و آرشیو ماديس دسترسي است. محصول دماي ماديس در بیش از 6 مورد با دادههاي محلي در رنج دماي 6 تا 6 درجه سانتيگراد و بخارآب 6. تا سانتيمتر در مقیاس يک کیلومتر اعتبارسنجي شده و داراي دقت بهتر از يک درجه کلوين براي هر دو سنجنده ماديس است ].. 9. [. با اينكه دماي حاصل از ماديس داراي دقت بهتر از يک درجه کلوين براي هر دو سنجنده ترا و آکوا است ولي اين دما متوسط دما براي منطقه يک کیلومتر در يک کیلومتر است بنابر اين هر دماي ماديس معادل 66 مقدار دماي لندست 8 در سطح يک پیكسل ماديس است )با توجه به اختالف قدرت تفكیک مكاني بین دو سنجنده( لذا دماي حاصل از لندست 8 به مراتب دقیقتر از دماي ماديس در مقیاس محلي خواهد بود. اين روش پیشنهادي با توجه به عدم وجود پايگاه داده صحت سنجي دما در کشورمان از داده هاي ماديس فقط در مناطق همگن حرارتي بعنوان رفرنس استفاده کرده است. بنا براين اين روش پیشنهادي براي هر زمان -مكان و براي هر سنجنده حرارتي قابل استفاده است. بخشهاي مختلف اين مقاله بصورت زير سازماندهي گرديده است: بعد از يک مقدمه مشكالت ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح حاصل از دادههاي حرارتي ماهوارهاي بیان شده است که نیازمند توسعه روشها و الگوريتمهاي جديد در اين خصوص است. در بخش بعدي روش سه مرحلهاي پیشنهادي براي اعتبارسنجي تقاطعي دماي سطح به تفصیل توضیح داده شده است. در بخش سوم اجراي روش پیشنهادي بر روي دو تصوير لندست 8 در دو تاريخ مختلف ارائه شده است. در نهايت در بخش چهارم نتیجهگیري از اين تحقیق آنالیز و بررسي گرديده است. - روش پیشنهادی ارزیابی دقت دمای سطح بدلیل عدم وجود شبكه هاي دائمي سنجش دماي سطح و پايگاه داده مناسب بعنوان دماي مرجع در کشورمان روش پیشنهادي در اين خصوص کمک شاياني در ارزيابي دقت دماي سطح در اغلب مطالعات و تحقیقات علوم زمین و محیط زيست خواهد داشت. طرح کلي از 7 Terra & Aqua Community Land Model Common Land Model 3 Atmospheric General Circulation Model 4 ational Center for Atmospheric Research 5 MOD/MYD_L V5 6 Atmospheric Archive and Distribution System 3

4 ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از روش پیشنهادي در شكل )( نشان داده شده است. اين روش پیشنهادي داراي مرحل زير است: در مرحله اول دادههاي تحقیق پیش پردازش شده و تصحیح توپوگرافي و اتمسفري بر روي آنها انجام گرفت. در مرحله دوم ابتدا ضريب گسیل کالسهاي مختلف متناسب با روش محاسبه گسیلمندي سطح با استفاده از کتابخانه طیفي ASTER قانون کیرشف و مطابق با توابع پاسخ طیفي باندهاي حرارتي سنجنده لندست 8 محاسبه شد و سپس میزان گسیلمندي سطح محاسبه و درجه حرارت سطح زمین بازيابي گرديد. در مرحله سوم بعد از تهیه محصول دماي سنجندههاي ماديس ترا و آکوا 7 پردازشهاي الزم بر روي آنها انجام گرفت و دادهها براي اجراي روش پیشنهادي آماده گرديد. در مرحله چهارم روش پیشنهادي در سه مرحله جهت تطبیق زماني-طیفي و مكاني محصول دماي سنجنده لندست 8 و سنجنده ماديس اجرا و نتايج آنالیز و بررسي گرديده است.... شكل - طرح کلي از روش پیشنهادي اعتبارسنجي دقت دماي سطح -- منطقه مورد مطالعه و دادههای تحقیق منطقه مورد مطالعه قسمتي از استان فارس بوده که با دو تصوير لندست 8 پوشش داده ميشود اين منطقه در بین طول جغرافیاي جغرافیاي 6 5' 3 44' 50 3' 55 54' شمالي و عرض شرقي قرار دارد. نقشه کاربري لندست 8 اين دادهها براي تصحیح و پردازش دوباره از درخواست گرديد و سازمان زمین شناسي اياالت متحده در تاريخ مي 6 دوباره پردازش و تاثیر پارامترهاي بهبود کالیبراسیون بر روي آنها انجام گرفت و در تحقیق حاضر از دادههاي جديد پردازش شده استفاده گرديد. شكل )( منطقه مورد مطالعه را با کالسهاي کاربري مختلف و موقعیت تصاوير لندست 8 نشان ميدهد. United States Geological Survey اين منطقه شامل هفده نوع کالس )کالسهاي متنوع( ميباشد و تصاوير لندست 8 متناظر اين منطقه در تاريخ و ژوئن 69 جمع آوري شده است. الزم به ذکر است که بدلیل وجود خطاهاي کالیبراسیون در دادههاي 4

5 نشريه علمي- شكل - منطقه مورد مطالعه همراه با نقشهکاربري )نقشه کاربري توسط جهاد کشاورزي استان فارس تهیه گرديده است( بديهي است قبل از محاسبه و استخراج پارامترهاي فیزيكي سطح زمین نظیر دما گسیلمندي راديانس انعكاسي-حرارتي سطح آلبدو سطح و نظاير آن انجام تصحیح راديومتريكي تصاوير الزامي است. براي رسیدن به اين هدف بايستي اثر اتمسفر هندسه ديد سنجنده روشنايي خورشید و اثر توپوگرافي و ويژگیهاي سطح روي تصاوير درنظر گرفته شود و تاثیر اين عوامل در تخمین پارامترهاي سطح حذف يا به حداقل برسد. در اين تحقیق براي انجام تصحیح توپوگرافي از مدل رقومي ارتفاعي سنجنده ASTER استفاده گرديد و مشتقات الزم نظیر شیب تغییر شیب 9 پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 محدود به بخشي از آسمان و پارامتر برجستگي سطح سايه که دربرگیرنده تصوير است استخراج گرديد. در شكل )a9 c b وd ( مدل رقومي ارتفاعي و مشتقات آن در تصوير اول لندست 8 و شكل )e g f وh ( مدل رقومي ارتفاعي و مشتقات آن در تصوير دوم نشان داده شده است. شكل 9 - مدل رقومي ارتفاعي و مشتقات آن در تصوير اول لندست 8: )a( مدل رقومي ارتفاعي )b( شیب )c( تغییر شیب skyview)d( شكل - مدل رقومي ارتفاعي و مشتقات آن در تصوير دوم لندست 8: )e( مدل رقومي ارتفاعي )f( شیب )g( تغییر شیب skyview)h( ASTDEM Slope 3 Aspect 4 Shadow 5 Skyview 5

6 ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از سپس با استفاده از نرم افزار تصحیح اتمسفري و توپوگرافي ATCOR/3 که بصورت مستقل بر پايه استوار بوده و از محیط برنامه نويسي زبان تعاملي داده پايگاه داده مدلهاي انتقال تابش 9 MODTRA-4 استفاده ميکند] 90 [ تصحیح اتمسفري و توپوگرافي بر روي تصاوير انجام گرفت. اتمسفري دارد و ATCOR ATCOR3 اشاره به فقط تصحیح بیانگر تصحیح اتمسفري توأم با تصحیح توپوگرافي را دارد که با پذيرش مدل رقومي ارتفاعي و مشتقات آن اين کار را انجام مي دهد. پايگاه داده MODTRA شامل طیف گستردهاي از انتقال تابشي از قبل محاسبه شده براي شرايط مختلف آب و هوايي زاوياي مختلف خورشید و سنجنده تهیه شده است. در نرم افزار تصحیح اتمسفري و توپوگرافي (ATCOR) اطالعات مربوط به سنجنده و تصوير ( نظیر زاويه زنیت خورشید و سنجنده در زمان اخذ داده زاويه سنجنده و خورشید تاريخ و زمان اخذ داده اندازه سمت هر تصوير معرفي ميگردد. پیكسلها و غیره( از متافايل عالوه بر آن از الگوريتم پوشش گیاهي متراکم تیره 0 )DDV( جهت برآورد ضخامت اپتیكي اتمسفري يا پارامتر قابلیت ديد استفاده مي کند] 90 [ و نوع مدل اتمسفري و آيروسل نیز از روي طول جغرافیايي منطقه مورد مطالعه و تاريخ اخذ تصاوير تعیین گرديد] 3. 9[ و به نرمافزار ATCOR معرفي شد. همچنین جهت انجام تصحیح توپوگرافي ارتفاع متوسط منطقه از مدل رقومي و قدرت تفكیک مكاني آن به همراه مشتقات حاصل از آن به نرم افزار معرفي گرديد و نهايتا تصحیح توپوگرافي و اتمسفري بر روي تصاوير انجام گرفت. شكل )a c b وd ( نمونهاي از اين تصحیحات را در قسمتي از تصاوير نشان ميدهد.... شكل - تصحیح توپوگرافي و اتمسفري در قسمتي از تصاوير: )a و b( به ترتیب تصوير اولیه و تصوير تصحیح شده در تصوير اول لندست 8 )c و d( به ترتیب تصوير اولیه و تصوير تصحیح شده در تصوير دوم لندست تعیین گسیلمندی اولیه کالسها و سطح زمین براي تخمین دماي سطح نیاز به ضريب گسیل اولیه عوارض سطح )بسته به روش تخمین گسیلمندي و نقشه کاربري منطقه مورد مطالعه( و میزان گسیلمندي سطح زمین ميباشد. با توجه به توابع پاسخ طیفي سنجنده حرارتي لندست 8 مطابق شكل )0( ضريب گسیل اولیه عوارض سطح در منطقه مورد مطالعه محاسبه گرديد. شكل 0 - توابع پاسخ طیفي نرمال شده باندهاي حرارتي سنجنده لندست ( 8 مرجع دادهها سايت سازمان زمین شناسي اياالت متحده( از آنجايیكه تغییرات ضريب گسیل سطح تقريبا مستقل از دماي سطح است ( 4-0=ε ) لذا ضريب گسیل Atmospheric/topographic correction Interactive Data Language 3 MODerate resolution atmospheric TRAsmission 4 Azimuth angle 5 Metafile of image 6 Dense dark vegetation (DDV) 6

7 اولیه سطح با در نظر گرفتن تابع پاسخ طیفي سنجنده حرارتي لندست 8 از معادله )( محاسبه ميگردد ][. نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 i R ( ) d i R ( ) d i )( در اين معادله i ) دارد λ λ و باندهاي حرارتي دارد گسیل طیفي اشاره به باندهاي حرارتي )باند 6 و به واحد میكرومتر و اشاره به محدوده ε λ بدون واحد بوده و اشاره به ضريب عوارض سطح زمین دارد R i() به درصد و بیانگر تابع پاسخ طیفي باندهاي حرارتي است که تابعي از طول موج است d نمادي براي متغیر انتگرالگیري است و يک کمیت خیلي کوچک را نشان ميدهد و بدون واحد ε i بوده و اشاره به ضريب گسیل باندهاي حرارتي دارد. براي ε λ محاسبه کتابخانه طیفي ضريب گسیل طیفي عوارض سطح زمین از ASTER در رنج طول موج تا 6. میكرومتراستفاده شد ]9. 9[. سپس ضريب گسیل طیفي در محدوده عوارض الزم از هر طیف توسط قانون کیرشهف باندهاي حرارتي سنجنده لندست 8 محاسبه گرديد. انتخاب يک مقدار معمول براي برخي از عوارض سطح نظیر خاک بدلیل تغییرات زياد ضريب گسیل انواع خاک کار دشواري نسبت به پوشش گیاهي و ساير عوارض سطح ميباشد ]6[. لذا براي انتخاب ضريب گسیل طیفي کالسها متوسط ضريب گسیل مجموعهاي از کالسهاي مشابه )بعنوان مثال از 9 نوع ضريب گسیل خاک براي محاسبه ضريب گسیل طیفي آن کالس( استفاده گرديد. نتايج محاسبات ضريب گسیل طیفي براي کالسهاي الزم متناسب با روش تخمین گسیلمندي سطح بصورت جدول )( محاسبه شدند. جدول - ضريب گسیل کالسها در باندهاي حرارتي لندست 8 کالس سپس بمنظور تخمین میزان گسیلمندي در اين تحقیق از روش مبتني بر اختالف شاخص گیاهي نرمال شده استفاده شد. روشهاي مختلفي با استفاده از روش اختالف شاخص گیاهي نرمال شده میزان گسیلمندي سطح زمین را تخمین زده اند] 6. 8[ بار اولین گسیلمندي شاخص ]0[ اختالف يک سطح در پوشش باند همبستگي پوششي گیاهي نرمال بسیار -8 شده استفاده از تجزيه و تحلیل رگرسیون گزارش تئوري روش يک ][ آن بر اساس شاخص بااليي بین میكرومتر لگاريتمي کردند. پس و با از اختالف پوشش گیاهي نرمال شده پیشنهاد دادند که اثر ساختار هندسي پوشش 9 گیاهي در تخمین ضريب گسیل را در نظر گرفتند. با اين حال اين روش نیاز به دانش قبلي از برخي پارامترهاي هندسي از پوشش گیاهي مانند ارتفاع عرض و جدايي بین رديف درختها را داشت که استفاده از اين روش را محدود ميکرد ]6[. با توجه به پیچیدگي روش پیشنهاد شده توسط ][ يک روش حد آستانه بر اساس شاخص اختالف پوشش گیاهي ]93[ دادند پیشنهاد شد. آنها پیچیدگي و برآورد گسیلمندي سطح را روش پیشنهادي ]93[ ر يو نرمال شده توسط مدل قبلي را کردند. فرموله کاهش در ضريب گسیل هر باند حرارتي ميتواند با استفاده از سه تابع خطي با شرايطي که در يک پیكسل است از جمله اينكه از پوشش گیاهي کامل يا از خاک کامل و يا از مخلوط خاک / پوشش گیاهي تشكیل شده است برآورد شود. اخیرا [] نیز بهبود يافته روش مبتني بر شاخص اختالف پوشش گیاهي نرمال شده را بر داده هاي يک کیلومتري سنجنده ماديس با استفاده از بازتاب انعكاسي باندهاي مرئي- مادون قرمز بكار برد. بر اين اساس با در نظر گرفتن اختالف در قدرت تفكیک مكاني تابع پاسخ طیفي باندهاي حرارتي محدوده طول موج باندهاي حرارتي و طول موج موثر بین سنجنده ماديس و لندست 8 وجود دارد که گسیلمندي سطح با تغییر اين پارامترها تغییر مي يابند و امكان استفاده از روش پیشنهادي [] در سنجنده لندست 8 وجود ندارد. چون تغییرات گسیلمندي وابسته به پارامترهاي سطح )نظیر بافت توپوگرافي رطوبت( و سنجنده ( نظیر قدرت σ ε b σ0 aε0 پوششگیاهي خاک باير ترکیب خاک و گیاه مناطق آبي , a ضريب گسیل کالسها در باند 6 و :b, انحراف معیار نمونه هاي طیفي DVI Based Emissivity Method 3 Cavity effect Kirchhoff s law 7

8 ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از تفكیک مكاني-طیفي تابع پاسخ طیفي طول موج موثر باندهاي حرارتي و زاويه ديد سنجنده( ميباشد] [. در اين تحقیق بعد از تصحیح توپوگرافي و اتمسفري تصاوير ][ از روش جهت تخمین گسیلمندي سطح استفاده شد زيرا اين روش تكمیل شده روشهاي قبلي در تخمین میزان گسیلمندي براساس اختالف شاخص گیاهي نرمال است و بر روي انواع سنجندهها با داده هاي مختلف ارزيابي و تايید شده است. برخي مطالعات نیز ][ اين روش را با محصوالت سنجندهاي ديگر ارزيابي و تايید کرده اند. همچنین مناطق آبي در فیلترکرده هر تصوير جداگانه و مقادير ضريب گسیل محاسباتي از جدول )( به آنها اختصاص داده شد تا داده هاي مورد نیاز براي بازيابي درجه حرارت سطح تكمیل گردد. 3-- بازیابی دمای سطح با داشتن گسیلمندي سطح دماي سطح با استفاده از الگوريتم هاي تک باندي 9 قابل محاسبه و و دوباندي بازيابي است. با اينكه در الگوريتم دو باندي استفاده از دو باند حرارتي مجاورهم باعث به حداقل رسیدن خطا در بازيابي دماي سطح مي گردد] 9 [. ولي بدلیل اينكه باند حرارتي لندست محاسبه دماست 8 ][ باشد و به پیشنهاد داراي باياس و خطاي بزرگ در و هنوز هم تحت کالیبراسیون مي متحده اياالت شناسي زمین سازمان امكان استفاده از الگوريتم دو باندي حرارتي در محاسبه دماي سطح نیست. از اين رو ناچار به استفاده از الگوريتم هاي تک باندي يعني فقط باند حرارتي لندست 6 8 هستیم. الزم به توضیح است که برخي مولفین]. 3[ با استفاده از دادههاي زمیني سنجنده 8 و مدل انتقال حرارتي مشخصات باندهاي حرارتي MODTRA و پايگاه الگوريتم دو باندي براي اين سنجنده توسعه داده TIGR دادند. ولي در عمل مطالعاتي مختلف نشان دادند که باند حرارتي لندست محاسبه دماست 8.[ شناسي اياالت متحده داده هاي لندست 8 داراي باياس و خطاي بزرگ در [. بر اين اساس زمین سازمان استفاده از الگوريتم دو باندي در را توصیه نكرده است. اخیرا نیز سازمان زمین شناسي اياالت متحده )اول نوامبر 6( اعالن کرد که خطاي هم رجستر کردن همچنان در سنجنده حرارتي لندست باقیست 8.( بديهي است در صورت استفاده از الگوريتم دو باندي نه تنها بر کلیت روش پیشنهادي ايرادي نخواهد داشت بلكه دماي حاصل از داده لندست 8 با دقت بهتري از حالت الگوريتم تک باندي محاسبه خواهد شد و انتظار مي رود نتايج بهبود يافته و داراي دقت بهتر از نتايج ارائه شده در اين تحقیق باشد. لذا در اين تحقیق از روش تک باندي] [ )( در اين معادله مطابق معادله )( استفاده گرديد. Ts [ ( L sen + )+ 3]+ Ts ε دماي سطح زمین به درجه کلوين گسیلمندي سطح و بدون واحد ميباشد دو δ و γ پارامتر وابسته به تابع پالنک هستند که از معادله )9( قابل محاسبه هستند ψ و ψ ψ 3 و از معادله )( قابل محاسبه هستند و دريافتي سنجنده در واحد است. متر مربع وات به توابع اتمسفري معروفند در هر L sen )9( در معادله )9( استراديان تابش طیفي در 4 KL sen e e Tsen K T sen L sen هر و K به ترتیب در واحدهاي درجه کلوين مي باشند سنجنده به درجه کلوين به میكرومتر ميباشد. و K وات ضرايب ثابت باندهاي حرارتي T sen e )( مربع متر بر _میكرومتر و دماي ظاهري رسیده به طول موج موثر باند حرارتي L =, = -L -, 3=L در معادله )( ضريب عبور اتمسفري به درصد L L به ترتیب تابش اتمسفري رو به باال و رو به پايین که هر دو در واحد وات در هر استراديان در هر متر مربع ميباشند. در اين تحقیق توابع اتمسفري مستقیما از وب- 5 watt per steradian per square metre Mask Single channel algorithm 3 Split windows algorithm 4 Thermodynamic Initial Guess Retrieval (TIGR)... 8

9 سايت محاسبه م يل سازمان که توسط پارامترهاي تصحیح اتمسفري و هوانوردي فضايي آمريكا نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 دماي حاصل از ماديس داراي دقت بهتر از يک درجه کلوين براي هر دو سنجنده ترا و آکوا است ولي اين دما متوسط دما براي منطقه يک کیلومتر در يک کیلومتر است بنابر اين هر دماي ماديس معادل 66 مقدار دماي لندست 8 در سطح يک پیكسل ماديس است )با توجه به اختالف قدرت تفكیک مكاني بین دو سنجنده( لذا دماي حاصل از لندست 8 به مراتب دقیقتر از دماي ماديس در مقیاس محلي خواهد بود. چون همانطوريكه در مقدمه ذکر گرديد تغییرات سريع دما در دامنه مكاني بیش از ده درجه کلوين در فاصله بسیار کوتاه اتفاق مي افتد] 9. 9[ در اين مطالعه لندست 8 با قدرت تفكیک مكاني 66 متر در باندهاي حرارتي در نظر گرفته شده است و دماي حاصل از آن در مناطق همگن حرارتي مطابق روش پیشنهادي با سنجنده ماديس ارزيابي و پیشنهاد گرديده است. اعتبارسنجي يک فرايندي است که بطور مستقل عدم قطعیت داده هاي به دست آمده از خروجي يک سیستم يا مدل را ارزيابي ميکند. بدون اعتبار سنجي هیچ روش الگوريتم و يا پارامترهاي حاصل از دادههاي سنجش از دور را نميتوان با اعتماد و قطعیت استفاده کرد] 9 [. براي اعتبارسنجي تقاطعي بین دماي سطح حاصل از لندست 8 و محصول دماي سنجنده هاي ماديس تطبیق زمان دادهها قدرت تفكیک طیفي قدرت تفكیک مكاني و زاويه ديد دو سنجنده الزامي و از مشكالت ارزيابي دقت است ]8. 9[. براي حل اين مشكالت روش ارائه شده در تحقیق حاضر بصورت مراحل زير ارزيابي دقت بین اين دو سنجنده را پیشنهاد داده و فقط براي تطبیق قدرت تفكیک مكاني از روش ]8. 9[ استفاده کرده است. -3- تطبیق قدرت تفکیک مکانی براي تطبیق اختالف قدرت تفكیک مكاني باندهاي براي ناسا سنجندههاي حرارتي لندست توسعه داده شده است محاسبه گرديد که در جدول )( نشان داده شده است. جدول - پارامترهاي تصحیح اتمسفري منطقه مورد مطالعه تصوير L L بخار آب حال با استفاده از الگوريتم تک باندي دماي سطح مطابق معادله )( در دو فريم از تصوير لندست 8 بازيابي و محاسبه گرديد. -3 اجرای روش پیشنهادی همانطوريكه ذکر شد بدلیل عدم وجود شبكههاي دائمي سنجش دماي سطح و پايگاه داده مناسب بعنوان دماي مرجع در کشورمان در زمان عبور اغلب سنجندها از جمله سنجنده لندست 8 يكي از مشكالت اساسي دماي حاصل از دادههاي حرارتي سنجش از دور ارزيابي دقت و اعتبارسنجي آن ميباشد. بديهي است که مناسب ترين داده مرجع براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي تقاطعي دماي سطح حاصل از لندست ASTER 8 استفاده از محصول دماي سنجنده ميباشد بدلیل اينكه تقريبا باندهاي حرارتي متناظر دو سنجنده داراي قدرت تفكیک مكاني و طیفي همسان و نزديک به هم هستند ولي عدم همزماني اخذ داده بین اين دو سنجنده استفاده از محصول دماي ASTER بعنوان دماي مرجع را غیرممكن ساخته است. از اينرو از محصول دماي سنجنده هاي ماديس بعنوان داده مرجع در روش پیشنهادي استفاده گرديد. چرا که دادهها و محصوالت سنجندههاي ماديس داراي دقت بهتر از يک درجه کلوين براي هر دو سنجنده ترا و آکوا است و اين محصوالت بصورت مجاني و همیشه در دسترس بوده و از طريق وبسايت سیستم توزيع و آرشیو ماديس قابل دسترسي هستند. الزم به ذکر است که هدف اين تحقیق ارائه روشي جديد براي ارزيابي دقت دماي حاصل از سنجندهايي با قدرت تفكیک متوسط و باال است. با اينكه حرارتي متناظر بین دو سنجنده لندست )66 8 متر( و ماديس ) 666 متر( آنها بايستي به اندازه يكسان تبديل شوند تا امكان مقايسه دماي حاصل از دو سنجنده فراهم گردد. براي اين منظور از روش پیشنهادي [8, 9] مطابق معادله )( استفاده گرديد. R R / ; S / S i ji j ji ji ji j j j )( Atmospheric Correction Parameter Calculator ational Aeronautics and Space Administration 9

10 ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از در اين معادله پیكسل مرکزي R i راديانس محاسبه شده براي i ما پیكسل مرکزي iام مجاور نسبت به تعدادکل پیكسلهاي ω ji همپوشاني بین پیكسلهاي دربرگیرنده پیكسل jام و jام درمجاورت وزن پیكسل jام در بین پیكسلهاي iام پیكسل مرکزي iام و S j S ji jام مساحت ناحیه کل مساحت R j راديانس پیكسل jام مي باشند. اين روش به الگوريتم تجمعي وزندار محلي گروهي از پیكسلها معروف است و براي تبديل قدرت تفكیک مكاني پیكسل هاي لندست 8 به يک کیلومتر از يک پنجره پردازش استفاده گرديد. شكل )( فرآيند انجام اين الگوريتم را بصورت گرافیكي نمايش ميدهد. شكل - روش تجمعي پیكسلها ]8[ در اين شكل نقاط آبي رنگ مختصات گوشههاي پیكسل jام با قدرت تفكیک مكاني کوچک را نشان ميدهند در حالیكه نقاط قرمز رنگ بیانگر مختصات گوشههاي پیكسل iام را با قدرت تفكیک مكاني بزرگتر ميباشند. براساس رابطه مكاني بین پیكسل iام وj ام وزن ω ji پیكسل jام با استفاده از الگوريتم تقاطع چندضلعي محاسبه ميشود و در نهايت مقدار تجمعي پیكسل iام با استفاده از معادله )( محاسبه ميگردد. -3- تطبیق قدرت تفکیک طیفی و زاویه دید بعد از اينكه قدرت تفكیک مكاني بین دو سنجنده همسان گرديد بطور يقین نميتوان گفت که از نظر طیفي نیز پیكسل هاي نظیر طیف همسان دارند زيرا اطالعات طیفي رسیده به سنجنده وابسته به عوامل مختلفي نظیر میزان گسیلمندي سطح توپوگرافي سطح زاوايه ديد و سنجنده خطاي تصحیح هندسي بین دادههاي دو سنجنده و غیره ميباشد. با اينكه در تصحیح توپوگرافي و اتمسفري تصاوير برخي عوامل دخیل حذف يا به حداقل مي رسد ولي اثر برخي از عوامل مذکور همچنان باقي است. براي اين منظور در روش پیشنهادي قبل از استخراج دماي نقاط همسان بین دادههاي دو سنجنده مناطق همگن حرارتي تعیین شدند. انتخاب مناطق همگن حرارتي خطاي تصحیح هندسي بین دادههاي دو سنجنده و اثر زاويه ديد سنجنده را ناچیز و قابل اغماض ميکند] 3 [. همگن حرارتي از آنالیز ماتريس سازگار خاکستري که شامل مقدار براي انتخاب مناطق درجات يا همرخداد زيادي اطالعات در خصوص اطالعات مكاني محلي در يک تصوير است استفاده گرديد. اين ماتريس يک تابعي از زاويه و فاصله بین دو پیكسل مجاور است که تعداد رخداد همسان از روابط بین هر پیكسل با همسايگانش را نشان ميدهد و در چهار جهت 0, 45, 90, 35 محاسبات الزم را انجام ميدهد ][. الزم به ذکر است که اين ماتريس در تحقیقات مختلف به نامهاي متفاوت نظیر ماتريس وابستگي مكاني درجات خاکستري 9 ماتريس همرخداد درجات خاکستري ماتريس سازگار و ماتريس 0 نیز شناخته ميشوند ].. وابستگي درجات خاکستري.0 99[. در استفاده از ماتريس سازگاري درجات خاکستري مشكل اصلي نحوه استخراج اطالعات همگن است. براي اين منظور مجموعهاي از ويژگیهاي بافت تصويري از طريق ماتريس سازگار درجات خاکستري استخراج ميشود که اين ويژگیها بافت توسط ][ پیشنهاد گرديده است. اين ويژگیها خصوصیات مختلفي از تصوير را با استفاده از ماتريس سازگار اندازهگیري ميکنند که همه آنها مستقل از هم نیستند. از بین اين ويژگیهاي مختلف بافت تصويري به طور خاص دو ويژگي بافت يعني ممان اختالف 3 8 و ممان دوم زاويهاي معكوس در يک تصوير توصیفي از همگني محلي در يک تصوير است]. 0[. معادالت )6( و )7( نحوه محاسبات دو المان اختالف زاويهاي را به ترتیب نشان ميدهد. معكوس دوم و ممان Co-occurrence matrix 3 Grey-Tone Spatial-Dependence Matrix 4 Grey-Level Co-occurrence Matrix 5 Concurrence Matrix 6 Grey Level Dependency Matrix 7 Texture features 8 Inverse difference moment 9 Angular second moment Aggregation algorithm area-weighted pixel... 0

11 در اين معادالت اندازه پنجره پردازش پردازش است. وزن همگني است /[+(i-j) نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره P (i,j) f مقدار هر پیكسل در پنجره مقدار همگني محاسبه شده براي سلول مرکزي در پنجره پردازش است. مقادير اين المانها بین صفر و يک است. f f i j ( i j) p( i, j) i j p( i, j) )0( )( 93 ماه شهريور شكل 8 - مثالي از مناطق همگن حرارتي استخراج شده از طريق المان ASM در قسمتي از تصوير جهت مناطق تست و نقاط اعتبارسنجي براي استخراج مناطق همگن از يک پنجره پردازش به اندازه انتخاب گرديد. انتخاب اندازه پنجره پردازش در اين تحقیق با توجه به اختالف قدرت تفكیک مكاني بین سنجنده حرارتي لندست 8 و سنجنده حرارتي ماديس بود. شكل )8( مثالي از مناطق همگن حرارتي استخراج شده از طريق المان ASM در قسمتي از تصوير جهت مناطق تست و نقاط اعتبارسنجي نشان ميدهد. مناطق قرمز رنگ در شكل )8( داراي همگني باال بود و مناطق آبي رنگ عدم همگني حرارتي مناطق را نمايش مي دهند. در هر دو المان مناطقي که داراي مقدار همگني بین 6.3 تا.6 بود بعنوان مناطق با همگني باال و مقدار بین 6.8 تا 6.3 بعنوان مناطق نسبتا همگن بعنوان مناطق تست و نقاط اعتبارسنجي در اين تحقیق استفاده گرديد. با انتخاب مناطق همگن در ارزيابي دقت تاثیر زاويه ديد سنجنده در راديانس حرارتي رو به باالي سطح ناچیز و قابل اغماض ميباشد ]3[. زمانهاي عبور سنجندههاي ماديس ترا و آکوا ( که تقريب ا شروع برداشت از زمان 6:96 تا :66 به زمان استاندارد است( در طول يک شبانهروز در نظر گرفته شدند و جهاني سیستم تصوير و اندازه پیكسلها بین تولیدات ماديس يكسان گرديد. در ابتدا حداقل پنج زمان عبوري براي هر پیكسل يا نقطه اعتبارسنجي همراه با محصوالت دماي سنجندههاي استخراج گرديد. سپس براي هر نقطه اعتبارسنجي ماديس انتخابي تغییرات دماي سطح در طول يک شبانه روز که يک تابع سینوسي است مدل گرديد. اين تابع سینوسي در شكل )3( نشان داده شده است شرايط ][. الزم به ذکر است که در آفتابي و عاري از ابر عامل اصلي کنترل درجه حرارت سطح زمین انرژي خورشید است که معموال تغییرات تابش خورشیدي در طول روز تقريب ا يک تابع سینوسي است] [ تطبیق زمانی بین دو سنجنده در سومین مرحله که از اهمیت زيادي برخوردار است تطبیق زماني بین محصول دماي دو سنجنده لندست 8 و ماديس ميباشد. چرا که تغییرات سريع دما در مكان و زمان طوريكه تغییر بیش از ده درجه کلوين در فاصله بسیار کوتاه و يا بیش از يک درجه کلوين در يک زمان بسیار کوتاه )کمتر از دقیقه( يک اتفاق مي افتد[ 9,9]. براي اين منظور شكل 3 - تغییرات دماي سطح در طول يک شبانه روز در محصول سنجنده هاي ماديس در يک نقطه اعتبارسنجي Coordinated Universal /Greenwich Mean Time MOD/ MYD _L and MOD/MYD A products

12 ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از در اين تحقیق تابع سینوسي تغییرات دما بصورت معادله )8( مدل ميگردد. Modis Modis LST a b cos( c T d ) ij i i i ij i )8( در اين معادله MODIS LST ij دماي سطح iام نقطه همگن اعتبارسنجي در jام زمان عبور محاسبه شده براي سنجنده ماديس MODIS jام T ij زمان عبور سنجنده هاي ترا و آکواي ماديس در iام نقطه همگن اعتبارسنجي و ضرايب ثابت براي براي هر نقطه همگن i ما d وi a i, b i, c i, iام نقطه همگن ميباشند. اين ضرايب بوسیله حداقل پنج دماي زمانهاي عبور سنجندههاي ماديس محاسبه ميشوند. دقت تابع سینوسي بدست آمده براي هر نقطه اعتبارسنجي کمتر از يک درجه کلوين و در رنج دقت محصول دماي ماديس مي- باشد. نهايتا دماي ماديس در زمان عبور سنجنده لندست 8 براي iام نقطه همگن با استفاده گرديد و بعنوان دماي مرجع در نظرگرفته شد. از معادله )8( محاسبه براي ارزيابي روش پیشنهادي دو تصوير لندست 8 در دو زمان مختلف انتخاب شدند و به ترتیب 98 و 0 نقطه اعتبارسنجي در مناطق همگني باال )6.36.6( در تا تصوير اول و دوم لندست 8 استخراج گرديد همچنین اين تعداد نقاط اعتبارسنجي در مناطق نسبتا همگن )6.86 تا 6.36( به ترتیب 3 و 96 نقطه در تصوير اول و دوم لندست 8 در نظر گرفته شدند. در ادامه ارزيابي نتايج به تفصیل آورده شده است. 4- نتایج و بحث هدف اين تحقیق ارائه روشي جديد براي ارزيابي دقت دماي حاصل از سنجندهايي با قدرت تفكیک متوسط و باال است. با اينكه دماي حاصل از ماديس داراي دقت بهتر از يک درجه کلوين براي هر دو سنجنده ترا و آکوا است ولي اين دما متوسط دما براي منطقه يک کیلومتر در يک کیلومتر است بنابر اين هر دماي ماديس معادل 66 مقدار دماي لندست 8 در سطح يک پیكسل ماديس است )با توجه به اختالف قدرت تفكیک مكاني بین دو سنجنده( لذا دماي حاصل از لندست 8 به مراتب دقیقتر از دماي ماديس در مقیاس محلي خواهد بود. چون همانطوريكه توضیح داده شد تغییرات سريع دما در دامنه مكاني بیش از ده درجه کلوين در فاصله بسیار کوتاه اتفاق ميافتد] 9. 9[ در اين مطالعه با قدرت تفكیک مكاني 8 لندست متر در باندهاي 66 حرارتي در نظر گرفته شده است و دماي حاصل از آن در مناطق همگن حرارتي مطابق روش پیشنهادي با سنجنده ماديس ارزيابي و پیشنهاد گرديده است. براي ارزيابي دقت روش پیشنهادي در تعیین اختالف بین محصوالت دماي حاصل از سنجنده لندست 8 و ماديس میانگین اختالفها 9 میانگین قدرمطلق اختالفها انحراف معیار اختالفها و مطابق معادالت )3( )6( و )( ريشه میانگین مربع خطا بعنوان معیارهاي کمي ارزيابي در نظر گرفته شدند] [. MD LST LST opt. Ldcm LST ( i, LDCM i, MODIS ) i opt. Ldcm LST i, LDCM i, MODIS i MAD LST LST SD LST LST MD LST opt. Ldcm ( i, LDCM i, MODIS ) i LST opt. Ldcm LST ( i, LDCM i, MODIS ) i RMSE LST LST )3( )6( )( )( در اين معادالت opt. Ldcm LST MODIS LST MODIS و هر دو در واحد درجه کلوين و به ترتیب دماي سطح حاصل از سنجنده ماديس در زمان عبور لندست 8 و دماي سطح حاصل از سنجنده در هر نقطه اعتبارسنجي متناظر تعداد نقاط يا پیكسلهاي اعتبارسنجي انتخاب شده ميباشد. ارزيابي دقت بین دو سنجنده با توجه مقادير همگني مناطق در دو گروه با همگني باال و نسبتا همگن به ترتیب در محدودههاي 6.86 تا 6.36 و 6.36 تا.66 در نظر گرفته شدند. نتايج حاصل از اين ارزيابي در جدول )( نشان داده شده است. مطابق نتايج حاصل در جدول )( مثبت بودن اختالف میانگین دماهاي محاسباتي در هر دو تصوير بررسي شده نشان ميدهد که دماي حاصل از سنجنده لندست 8 نسبت به دماي ماديس بیشتر برآورد شده است. دلیل آن از يک طرف مي تواند بر خالف محصول دماي ماديس عدم استفاده از الگوريتم دوباندي محاسبه دماي سطح در لندست 8 باشد چرا که استفاده از الگوريتم دوباند حرارتي باعث به حداقل رسیدن خطا در بازيابي دماي سطح مي گردد] 9 [. از طرف Mean differences (MDs) Mean absolute differences (MADs) 3 Standard deviations of differences (SDs) 4 Root-mean-square error 5 Overstimate...

13 ديگر علیرغم اينكه سازمان زمینشناسي اياالت متحده استفاده از باند حرارتي 6 را فقط توصیه کرده است ولي بدلیل عدم کالیبراسیون مطلق سنجنده حرارتي لندست 8 بايس و خطاهاي آنها همچنان باقي است و پارامترهاي کالیبراسیون آن بطور کامل بهبود نیافته است. بديهي است در صورت استفاده از الگوريتم دو باندي نه تنها بر کلیت روش پیشنهادي ايرادي نخواهد داشت بلكه دماي حاصل از داده لندست نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره 8 با دقت بهتري از حالت الگوريتم تک باندي محاسبه خواهد شد و انتظار مي رود نتايج بهبود يافته و داراي دقت بهتر از نتايج ارائه شده در اين تحقیق باشد. جدول - مقايسه دماي سطح بین لندست 8 و دماي حاصل تولیدات ماديس در زمان عبوري لندست 8 در نقاط اعتبارسنجي مشخصه تصوير میزان همگني تعداد نقاط () MD LST(K) LSTLDCM- MAD LST(K) opt. Ldcm LST MODIS SDLST(K) RMSE(K) ماه شهريور شكل 6 - مقايسه دماي سطح بین لندست 8 و دماي حاصل تولیدات ماديس در زمان عبوري لندست 8 در نقاط اعتبارسنجي در تصوير بررسي اول همچنین ارزيابي دقت دماي محاسباتي در مناطق با همگني باال )6.36 تا.66( با پارامتر میانگین اختالفها به ترتیب داراي دقت 6.0 و 6.3 درجه کلوين در تصوير بررسي اول و دوم لندست 8 گرديده است که در رنج خطاي زير يک درجه کلوين دماي سنجندههاي ماديس ميباشد که در بیشتر از 6 مورد با روشهاي مختلف اعتبارسنجي صحت و دقت آنها به تائید رسیده است]. [.. 9. عالوه بر آن ارزيابي دقت دماي محاسباتي در مناطق با همگني باال با پارامتر ريشه میانگین مربع خطا به ترتیب داراي دقت.09 و. درجه کلوين در تصوير بررسي اول و دوم لندست 8 گرديد. با اين وجود جهت بررسي ارزيابي دقت اعتبارسنجي در تکتک نقاط انتخابي براي مناطق با همگني باال در تصاوير بررسي اول و دوم به ترتیب در شكل )6( و )( نشان داده شده هر نقطه نیز ترسیم گرديده است. همچنین نوار خطاي است. Error bar 3

14 ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از... شكل - مقايسه دماي سطح بین لندست 8 و دماي حاصل تولیدات ماديس در زمان عبوري لندست 8 در نقاط اعتبارسنجي در تصوير بررسي دوم گیاهي و مناطق آبي در اکثر تصاوير وجود دارد و ميتوان از اين مناطق بعنوان نواحي همگن حرارتي براي ارزيابي و اعتبارسنجي دماي سطح در اين روش پیشنهادي استفاده که نمود. همچنین براي کاربردهايي در مقیاس جهاني دقت کمتري در محاسبه دماي سطح نقاط اعتبارسنجي مورد نیاز است مي توان مناطق با همگني در رنج )6.86 تا.66( انتخاب و استفاده کرد. همچنین مطابق شكل )6( و )( بررسي نوار خطاها در تکتک نقاط اعتبارسنجي نشان مي دهد که در نقاطي که همگني نزديک به.66 دارند داراي نوار خطايي حداقل بوده و اين بیانگر دقت قابل قبول در روش پیشنهادي است. چنین مناطقي معموال مناطق آبي و نواحي پوشش گیاهي با تراکم باالي 6. در معیار اختالف شاخص گیاهي نرمال شده در تصاوير بررسي شده داشتند. در کل مزيت استفاده روش پیشنهادي عدم نیاز به هر نوع اندازهگیريهاي زمیني دما مي باشد. همچنین اين روش عالوه بر اينكه روش با ثباتي در ارزيابي دقت دماي سطح ميباشد بلكه با توجه به عدم وجود پايگاه داده صحت سنجي دما در کشورمان براي هر زمان و مكان و براي هر سنجنده حرارتي قابل اجرا است. ارزيابي پارامترهاي میانگین اختالفها و ريشه میانگین مربع خطا نظیر باال در مناطق نسبتا همگن )6.86 تا 6.36( نیز صورت گرفت و نشان داد که دقت نسبتا خوبي دارند ولي نسبت به مناطق با همگني باال داراي دقت پايین ميباشند. انتخاب چنین مناطقي بعنوان نقاط اعتبارسنجي در ارزيابي دقت دماي سطح در کاربرهايي با مقیاس محلي توصیه نميشود ولي براي برخي کاربردها در مقیاس جهاني )پیكسل سايزهاي چندين کیلومتر( که به دقت بااليي در محاسبه دما نیاز نیست و يا براي سنجندههاي با قدرت تفكیک مكاني پايین ميتواند مورد استفاده قرار گیرد. لذا با توجه به نتايج حاصل در اين تحقیق براي نظیر مدل سازي کاربردهاي مختلف در مقیاس محلي تبخیر و تعرق برآورد رطوبت خاک آب و هوايي شهري هیدرولوژيكي پايش پوشش گیاهي و مطالعات زيست محیطي نقاط اعتبارسنجي بايستي از مناطق با همگني باال )6.36 تا.66( در تصوير انتخاب گردد. چنین مناطقي شامل نواحي با پوشش گیاهي متراکم مناطق آبي نظیر سدها يا درياچهها نمكزارها و نواحي نظاير آنها که داراي همگن حرارتي هستند مي باشند که پوشش Global Local 4

15 سپاسگزاری نويسندگان مايل به ابزار قدرداني از تمامي نهادها و سازمانهايي که دادههاي تحقیق حاضر را در اختیار مولفین قرار دادند از جمله جهاد کشاورزي استان فارس بدلیل نقشهکاربري سازمان زمین شناسي اياالت متحده و مرکز مشاهدات منابع زمین بخاطر اخذ تصاوير لندست و نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 8 مراجع پردازش مجدد آنها در اثر تغییر پارامترهاي کالیبراسیون سیستم توزيع و آرشیو ماديس ماديس هاپكینز جانز دانشگاه جهت اخذ محصوالت بدلیل عرضه کتابخانه طیفي ASTER قدرداني و سپاسگزاري مينمايند. [] Alavi Panah, S., (006). "Thermal remote sensing and its application in the earth sciences". Universaity of Tehran Press, 53. [] Anys, H., Bannari, A., He, D. and Morin, D., (994). "Texture analysis for the mapping of urban areas using airborne MEIS-II images, Proceedings of the first international airborne remote sensing conference and exhibition, pp [3] Baldridge, A., Hook, S., Grove, C. and Rivera, G., (009). "The ASTER spectral library version.0." Remote Sensing of Environment, 3(4) [4] Barsi, J.A., Schott, J.R., Hook, S.J., Raqueno,.G., Markham, B.L. and Radocinski, R.G., (04). "Landsat-8 Thermal Infrared Sensor (TIRS) Vicarious Radiometric Calibration." Remote Sensing, 6(): [5] Becker, F. and Li, Z.-L(,.990".)Towards a local split window method over land surfaces." Remote Sensing, (3): [6] Clausi, D.A. and Jernigan, M.E., (998). "A fast method to determine co-occurrence texture features." IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,360( :) [7] Coll, C., Caselles, V., Galve, J.M., Valor, E., iclos, R., Sánchez, J.M. and Rivas, R., (005). "Ground measurements for the validation of land surface temperatures derived from AATSR and MODIS data." Remote Sensing of Environment, 97(3:) [8] Coll, C., Valor, E., Galve, J.M., Mira, M., Bisquert, M., García-Santos, V., Caselles, E. and Caselles, V., (0). "Long-term accuracy assessment of land surface temperatures derived from the Advanced Along-Track Scanning Radiometer." Remote Sensing of Environment, 6: -5. [9] Cooley, T., Anderson, G., Felde, G., Hoke, M., Ratkowski, A., Chetwynd, J., Gardner, J., Adler-Golden, S., Matthew, M. and Berk, A., (00). "FLAASH, a MODTRA4-based atmospheric correction algorithm, its application and validation, Geoscience and Remote Sensing Symposium, 00. IGARSS'0. 00 IEEE International. IEEE, pp [0] Dai, Y., Zeng, X., Dickinson, R.E., Baker, I., Bonan, G.B., Bosilovich, M.G., Denning, A.S., Dirmeyer, P.A., Houser, P.R. and iu, G., (003). "The common land model." Bulletin of the American Meteorological Society, 84(8): [] Du, C., Ren, H., Qin, Q., Meng, J. and Li, J., (04). "Split-window algorithm for estimating land surface temperature from Landsat 8 TIRS data, Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 04 IEEE International. IEEE, pp [] Du, C., Ren, H., Qin, Q., Meng, J. and Zhao, S., (05). "A practical split-window algorithm for estimating land surface temperature from Landsat 8 data." Remote Sensing, 7(): [3] Guide, F.U.s., (004). "EVI FLAASH Version 4., September, 004 Edition, Research Systems. Inc. [4] Guillevic, P.C., Privette, J.L., Coudert, B., Palecki, M.A., Demarty, J., Ottlé, C. and Augustine, J.A., (0".)Land Surface Temperature product validation using OAA's surface climate observation networks Scaling methodology for the Visible Infrared Imager Radiometer Suite (VIIRS)." Remote Sensing of Environment, 4: [5] Haralick, R.M., Shanmugam, K. and Dinstein, I.H., (973). "Textural features for image classification." Systems, Man and Cybernetics, IEEE Transactions on(6): [6] Hulley, G.C. and Hook, S.J., (009). "Intercomparison of versions 4, 4. and 5 of the MODIS Land Surface Temperature and Emissivity products and validation with laboratory measurements of sand samples from the amib desert, amibia." Remote Sensing of Environment, 3(6): [7] Jain, A.K. and Farrokhnia, F., (990). "Unsupervised texture segmentation using Gabor filters, Systems, Man and Cybernetics, 990. Conference Proceedings., IEEE International Conference on. IEEE, pp

16 [8] Jiang, G.-M., (007). "Retrievals of land surface emissivity and land surface temperature from MSG- SEVIRI data, PhD diss., Université Louis-Pasteur Strasbourg. [9] Jimenez-Munoz, J.C., Sobrino, J., Skokovic, D., Mattar, C. and Cristobal, J., (04). "Land surface temperature retrieval methods from Landsat-8 thermal infrared sensor data." Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, (0): [0] Jiménez-Muñoz, J.C., Sobrino, J.A., Gillespie, A., Sabol, D. and Gustafson, W.T., (006). "Improved land surface emissivities over agricultural areas using ASTER DVI." Remote Sensing of Environment, 03(4): [] Jiménez Muñoz, J.C. and Sobrino, J.A., (003). "A generalized single channel method for retrieving land surface temperature from remote sensing data." Journal of Geophysical Research: Atmospheres (984 0), 08(D) [] Kuenzer, C. and Dech, S., (03). "Thermal Infrared Remote Sensing, Sensors, Methods, Applications, 7. Springer, 546 pp. [3] Li, Z.-L., Tang, B.-H., Wu, H., Ren, H., Yan, G., Wan, Z., Trigo, I.F. and Sobrino, J.A., (03). "Satellite-derived land surface temperature: Current status and perspectives." Remote Sensing of Environment, 3: [4] Li, Z.-L., Wu, H., Wang,., Qiu, S., Sobrino, J.A., Wan, Z., Tang, B.-H. and Yan, G., (03). "Land surface emissivity retrieval from satellite data." International Journal of Remote Sensing, 34(9-0 :) [5] Liu, Y., Hiyama, T. and Yamaguchi, Y., (006). "Scaling of land surface temperature using satellite data: A case examination on ASTER and MODIS products over a heterogeneous terrain area." Remote Sensing of Environment, 05(): 5-8. [6] Marceau, D.J., Howarth, P.J., Dubois, J.-M.M. and Gratton, D.J., (990). "Evaluation of the grey-level co-occurrence matrix method for land-cover classification using SPOT imagery." IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 8(4): [7] Momeni, M. and Saradjian, M., (007). "Evaluating DVI-based emissivities of MODIS bands 3 and 3 using emissivities derived by Day/ight LST algorithm." Remote Sensing of Environment, 06(): [8] eteler, M., (00). "Estimating daily land surface temperatures in mountainous environments by reconstructed MODIS LST data." Remote sensing, (): [9] iclòs, R., Galve, J.M., Valiente, J.A., Estrela, M.J. and Coll, C., (0). "Accuracy assessment of land surface temperature retrievals from MSG-SEVIRI data." Remote Sensing of Environment, 5(8): [30] Oleson, K.W., Dai, Y., Bonan, G., Bosilovich, M., Dickinson, R., Dirmeyer, P., Hoffman, F., Houser, P., Levis, S. and iu, G.-Y., (004). "Technical description of the community land model (CLM), CAR Technical ote CAR/T-46+ STR, ational Center for Atmospheric Research, Boulder, CO. [3] Pinker, R.T., Sun, D., Hung, M.-P., Li, C. and Basara, J.B., (009). "Evaluation of satellite estimates of land surface temperature from GOES over the United States." Journal of Applied Meteorology and Climatology, 48(): [3] Prata, A., Caselles, V., Coll, C., Sobrino, J. and Ottle, C., (995). "Thermal remote sensing of land surface temperature from satellites: Current status and future prospects." Remote Sensing Reviews, (3-4): [33] Pratt, W.K., (99). "Image detection and registration." Digital Image Processing: PIKS Scientific Inside, Second Edition: [34] Qian, Y.-G., Li, Z.-L. and erry, F., (03). "Evaluation of land surface temperature and emissivities retrieved from MSG/SEVIRI data with MODIS land surface temperature and emissivity products." International Journal of Remote Sensing, 34(9-0): [35] Quan, W., Chen, H., Han, X., Liu, Y. and Ye, C(,.0".)A modified Becker s split-window approach for retrieving land surface temperature from AVHRR and VIRR." Acta Meteorologica Sinica, 6: [36] Richter, R. and Schläpfer, D., (03). "Atmospheric/Topographic Correction for Satellite Imagery (ATCOR-/3 User Guide, Version 8.3., February 04). [37] Rozenstein, O., Qin, Z., Derimian, Y. and Karnieli, A., (04). "Derivation of land surface temperature for Landsat-8 TIRS using a split window algorithm." Sensors, 4(4): [38] Snyder, W.C., Wan, Z., Zhang, Y. and Feng, Y.-Z., (997). "Requirements for satellite land surface temperature validation using a silt playa." Remote Sensing of Environment, 6(): ارائه روشي براي ارزيابي دقت و اعتبارسنجي دماي سطح زمین حاصل از... 6

17 نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره ششم شماره شهريور ماه 93 [39] Sobrino, J. and Raissouni,., (000). "Toward remote sensing methods for land cover dynamic monitoring: application to Morocco." International Journal of Remote Sensing, (): [40] Sobrino, J.A., Jiménez-Muñoz, J.C. and Paolini, L., (004). "Land surface temperature retrieval from LADSAT TM 5." Remote Sensing of environment, 90(4): [4] Sobrino, J.A., Jiménez-Muñoz, J.C., Sòria, G., Romaguera, M., Guanter, L., Moreno, J., Plaza, A. and Martínez, P., (008). "Land surface emissivity retrieval from different VIR and TIR sensors." IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 46(): [4] Tang, B.-H., Shao, K., Li, Z.-L., Wu, H. and Tang, R., (05). "An improved DVI-based threshold method for estimating land surface emissivity using MODIS satellite data." International Journal of Remote Sensing(ahead-of-print): -5. [43] Tang, H. and Li, Z.-L., (04). "Quantitative Remote Sensing in Thermal Infrared: Theory and Applications. Springer Science & Business Media, 98 pp. [44] Trigo, I.F., Monteiro, I.T., Olesen, F. and Kabsch, E., (008). "An assessment of remotely sensed land surface temperature." Journal of Geophysical Research: Atmospheres (984 0), 3(D7). [45] Valor, E. and Caselles, V., (996). "Mapping land surface emissivity from DVI: Application to European, African, and South American areas." Remote sensing of Environment, 57(3): [46] Van de Griend, A. and Owe, M., (993). "On the relationship between thermal emissivity and the normalized difference vegetation index for natural surfaces." International Journal of remote sensing, 4(6): 9-3. [47] Vauclin, M., Vieira, S., Bernard, R. and Hatfield, J., (98). "Spatial variability of surface temperature along two transects of a bare soil." Water Resources Research, 8(6): [48] Walawender, J.P., Hajto, M.J. and Iwaniuk, P., (0). "A new ArcGIS toolset for automated mapping of land surface temperature with the use of LADSAT satellite data, Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 0 IEEE International. IEEE, pp [49] Wan, Z., (999). "MODIS land-surface temperature algorithm theoretical basis document (LST ATBD)." Institute for Computational Earth System Science, Santa Barbara, 75. [50] Wan, Z., (008). "ew refinements and validation of the MODIS land-surface temperature/emissivity products ".Remote Sensing of Environment, (): [5] Wan, Z. and Li, Z.L., (008). "Radiance based validation of the V5 MODIS land surface temperature product." International Journal of Remote Sensing, 9(7-8): [5] Wan, Z., Zhang, Y., Zhang,Q. and Li, Z.-L., (004). "Quality assessment and validation of the MODIS global land surface temperature." International Journal of Remote Sensing, 5():