ΘΕΡΜΙΚΟ ΚΑΝΑΛΙ LANADSAT 8: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΣΕ ΤΙΜΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ στο έδαφος με το SCP plugin στο Qgis Με Semi-Automatic Classification Plugin for QGIS θα υπολογιστεί η Θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους (LST Land Surface Temperature) από εικόνες Landsat 8. Δείτε στη διεύθυνση: http://fromgistors.blogspot.com/2014/01/estimation-of-land-surface-temperature.html Για τον υπολογισμό θα χρησιμοποιηθεί το κανάλι 10 (TIRS band 10) του Landsat 8. To κανάλι 11 που είναι επίσης θερμικό πρέπει να αποφεύγεται γιατί παρουσιάζει δυσλειτουργία (http://landsat.usgs.gov/calibration_notices.php). Τα βήματα που απαιτούνται για τον υπολογισμό της Θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους (LST), είναι: - «Κατέβασμα» των καναλιών Β2-Β7 & Β10. - Μετατροπή των καναλιών από τιμές φωτεινότητας σε τιμές ανάκλασης (reflectance) και σε (At Satellite Temperature) για το θερμικό κανάλι (band 10) - Εφαρμογή επιβλεπόμενης ταξινόμησης των καλύψεων γης. - Επαναταξινόμηση (Reclassification) των καλύψεων γης με τις τιμές εκπομπής ανά κάλυψη (emissivity values). - Μετατροπή από θερμοκρασία στο δορυφόρο (at Satellite Temperature) σε θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους (LST). Βήμα 1: «Κατέβασμα» των καναλιών Β2-Β7 & Β10 Τα κανάλια του Landsat 8 Που κατέβηκαν είναι: 2 - Blue; 3 - Green; 4 - Red; 5 - Near-Infrared; 6 - Short Wavelength Infrared 1; 7 - Short Wavelength Infrared 2; 10 - Thermal Infrared (TIRS) 1. Βήμα 2: Μετατροπή σε τιμές ανάκλασης (ΤΟΑ) και τιμές θερμοκρασίας στο δορυφόρο (at satellite temperature) των αρχικών καναλιών Επιλογή μενού: Preprocessing - Landsat Επιλογή τον κατάλληλο φάκελο που περιέχει τα κανάλια και «Apply DOS1 atmospheric correction 1
Επιλογή Perform conversion : Δημιουργία φακέλου όπου θα αποθηκευτούν οι μετατρεπόμενες εικόνες. Κόψιμο των καναλιών: Μενού Preprocessing Clip Multiple Rasters Επιλογή των καναλιών Β2-Β7 & Β10 2
Επιλογή των ορίων της εικόνας: Συντεταγμένες πάνω αριστερά κάτω δεξιά Επιλογή: Clip Selected rasters. Δημιουργία φακέλου για αποθήκευση των νέων εικόνων. Δημιουργία Virtual raster of band set : Μενού Band Set 3
- Βήμα 3: Εφαρμογή επιβλεπόμενης ταξινόμησης των καλύψεων γης. Δειγματοληψία των θεματικών ομάδων και δημιουργία φασματικών υπογραφών. Οι Θεματικές ομάδες είναι: Εδαφος Βλάστηση Δόμηση Νερό. Δημιουργία αρχείου: training shapefile - New Shp Στο signature list : Save Επιλογή δειγμάτων: ROI creation - Βήμα 4: Επαναταξινόμηση της ταξινομημένης εικόνας Μετατροπή των θεματικών ομάδων σε τιμές εκπομπής Land surface Emissivity e Soil 0.93 Vegetation 0.98 Built-up 0.94 Water 0.98 - Βήμα 5: Μετατροπή των τιμών θερμοκρασίας του δορυφόρου σε Θερμοκρασία εδάφους (LST) Δείτε βιβλιογραφία.. T = TB / [ 1 + (λ * TB / p) ln(e) ] 4
ΘΕΩΡΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΑΠΟ ΤΙΜΕΣ ΦΩΤΕΙΝΟΤΗΤΑΣ ΣΕ ΤΙΜΕΣ ΘΕΜΡΟΚΡΑΣΙΑΣ 1.1 Conversion to At-Satellite Brightness Temperature For Landsat thermal bands, the conversion of DN to At-Satellite Brightness Temperature is given by (from https://landsat.usgs.gov/landsat8_using_product.php): where: TB = K2 / ln( (K1/Lλ)+ 1) K1 = Band-specific thermal conversion constant (in watts/meter squared * ster * µm) K2 = Band-specific thermal conversion constant (in kelvin) and Lλ is the Spectral Radiance at the sensor's aperture, measured in watts/(meter squared * ster * µm); for Landsat images it is given by (from https://landsat.usgs.gov/landsat8_using_product.php) Lλ = ML * Qcal + AL where: ML = Band-specific multiplicative rescaling factor from Landsat metadata (RADIANCE_MULT_BAND_x, where x is the band number) AL = Band-specific additive rescaling factor from Landsat metadata (RADIANCE_ADD_BAND_x, where x is the band number) Qcal = Quantized and calibrated standard product pixel values (DN) The K1 and K2 constant for Landsat sensors are provided in the following table: Constant Landsat 4* Landsat 5* Landsat 7** K1 (watts/meter squared * ster * µm) 671.62 607.76 666.09 K2 (Kelvin) 1284.30 1260.56 1282.71 * from Chander & Markham (2003) ** from NASA (2011) For Landsat 8, the K1 and K2 values are provided in the image metafile. 1.2 Estimation of Land Surface Temperature There are several studies about the calculation of land surface temperature. For instance, using NDVI for the estimation of land surface emissivity (Sobrino, et al., 2004), or using a land cover classification for the definition of the land surface emissivity of each class (Weng, et al. 2004). For instance, the emissivity (e) values of various land cover types are provided in the following table (from Mallick, et al. 2012). 5
Land surface Emissivity e Soil 0.928 Grass 0.982 Asphalt 0.942 Concrete 0.937 Therefore, the land surface temperature can be calculated as (Weng, et al. 2004): where: T = TB / [ 1 + (λ * TB / p) ln(e) ] λ = wavelength of emitted radiance p = h * c / s (1.438 * 10^-2 m K) h = Planck s constant (6.626 * 10^-34 Js) s = Boltzmann constant (1.38 * 10^-23 J/K) c = velocity of light (2.998 * 10^8 m/s) The values of λ for the thermal bands of Landsat setellites are listed in the following table: Satellite Band Center wavelength (µm) Landsat 4, 5, and 7 6 11.45 Landsat 8 10 10.8 Landsat 8 11 12 References -Chander, G. & Markham, B. 2003. Revised Landsat-5 TM radiometric calibration procedures and postcalibration dynamic ranges Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 41, 2674 2677 -Mallick, J.; Singh, C. K.; Shashtri, S.; Rahman, A. & Mukherjee, S. 2012. Land surface emissivity retrieval based on moisture index from LANDSAT TM satellite data over heterogeneous surfaces of Delhi city International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,, 19, 348-358 -NASA (Ed.) 2011. Landsat 7 Science Data Users Handbook Landsat Project Science Office at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, 186 -Sobrino, J.; Jiménez-Muñoz, J. C. & Paolini, L. 2004. Land surface temperature retrieval from LANDSAT TM 5 Remote Sensing of Environment, Elsevier, 90, 434-440 -Weng, Q.; Lu, D. & Schubring, J. 2004. Estimation of land surface temperature vegetation abundance relationship for urban heat island studies. Remote Sensing of Environment, Elsevier Science Inc., Box 882 New York NY 10159 USA, 89, 467-483 6