ارائه یک الگوریتم پنجره مجزا نوین به منظورتخمین دمای سطح زمین از دادههای ماهواره لندست- 8 یاسر جویباری مقدم 1 مهدی آخوندزاده 2 محمد رضا سراجیان 3 نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره پنجم شماره 1 مرداد ماه 1394 1 کارشناس ارشد سنجش از دور- دانشکده مهندسي نقشه برداري و اطالعات مکاني- پرديس دانشکدههاي فني- دانشگاه تهران y.joibari@ut.ac.ir 2 استاديار دانشکده مهندسي نقشه برداري و اطالعات مکاني - پرديس دانشکدههاي فني- دانشگاه تهران makhonz@ut.ac.ir 3 دانشیار دانشکده مهندسي نقشه برداري و اطالعات مکاني - پرديس دانشکدههاي فني- دانشگاه تهران sarajian@ut.ac.ir )تاريخ دريافت دي 1393 تاريخ تصويب خرداد 1394( چکیده دماي سطح زمین و ضريب گسیل سطح دو شاخص مهم در مطالعات مربوط به سطح زمین هستند. اين شاخصها از شاخصهاي مهم در زمینههاي تخمین بودجه انرژي ارزيابي پوششهاي زمیني و مطالعه انتقال گرمايي ميباشند. هدف اصلي اين تحقیق ارائه الگوريتمي جهت تخمین ضريب گسیل سطح و دماي سطح زمین از تصاوير ماهواره لندست- 8 است. الگوريتم پیشنهادي جهت تعیین دماي سطح زمین روش پنجره مجزا بر پايهي باندهاي 10 و 11 سنسور حرارتي ماهواره لندست- 8 ميباشد و همچنین جهت تعیین ضريب گسیل روشي بر مبناي استفاده از شاخص گیاهي تفاضلي نرمال شده )( ارائهشده است. اين تحقیق از دو مرحله اصلي تشکیلشده است: در مرحله اول با استفاده از دادههاي شبیهسازيشده که بر اساس کتابخانه طیفي استر طراحي شدند رگرسیون خطي بین ضريب گسیل سطح براي باندهاي 10 و 11 ماهواره لندست- 8 با شاخص استفاده از MODTRAN ايجاد شد. در مرحله دوم با استفاده از دادههاي شبیهسازيشده که با طراحي شدند الگوريتمي پنجره مجزا براي محاسبه دماي سطح از دادههاي ماهواره لندست- 8 طراحي و ارائه شد. در پايان جهت ارزيابي روش پیشنهادي از سه مجموعه داده مستقل شبیهسازيشده زمیني و ماهوارهاي استفاده شد. نتايج ارزيابي با استفاده از اين سه مجموعه به ترتیب خطاي ريشه کمترين مربعات (RMSE) برابر با 1/91 1/21 و 1/03 درجه را نشان دادند. بنابراين روش پیشنهادي روشي مناسب و قابلقبول جهت تعیین دماي سطح زمین از تصاوير ماهوارهاي لندست- 8 ميباشد. واژگان کلیدی: ضريب گسیل سطح دماي سطح زمین پنجره مجزا MODTRAN لندست- 8 نويسنده رابط 215
1- مقدمه ارائه يک الگوريتم پنجره مجزا نوين به منظورتخمین دماي سطح زمین از... ماهواره لندست- 8 هشتمین ماهواره در سري ماهوارههاي آمريکايي لندست است که در 11 فوريه سال 2013 به فضا پرتاب شد. اين ماهواره هفتمین ماهواره از اين سري است که به طور موفقیت آمیز در مدار قرار گرفته است. اين ماهواره پروژه مشترک سازمان زمین- شناسي آمريکا و سازمان فضايي اين کشور است. لندست- 8 متشکل از دو سنسور OLI TIRS و OLI است که سنسور اين ماهواره داراي 9 باند در محدودههاي مرئي مادون قرمز نزديک و مادون قرمز با طول موج کوتاه ميباشد. سنسور TIRS آن مجهز به دو باند با طول موجهاي مرکزي 10/895 و 12/05 میکرومتر در محدوده مادون قرمز حرارتي است ]1[. تمايز عمده سنسور حرارتي اين ماهواره با ساير ماهوارههاي مجموعه لندست مجهز بودن آن به دو باند حرارتي است. همین ويژگي سبب شده 1 براي لندست- 8 کارآمد که الگوريتمهاي پنجره مجزا باشند و بر همین مبنا هدف اصلي اين تحقیق ارائه الگوريتمي پنجره مجزا براي لندست- 8 تعريف شد. دماي سطح زمین و ضريب گسیل سطح شاخصهاي مهمي در مطالعه مدلهاي تعادل انرژي در سطح زمین و بررسي فعل و انفعاالت سطح زمین در مقیاس منطقهاي و جهاني هستند ]2[. ضريب گسیل سطح پارامتري است که توصیف کننده ويژگيهاي حرارتي يک جسم بوده و از ويژگيهاي ذاتي جسم بشمار ميرود. دقت تعیین دماي سطح زمین وابسته به دقت تعیین اين پارمتر ميباشد. اطالعات بدست آمده از دماي سطح زمین ميتواند اطالعات مفیدي در زمینه مطالعه پديدههاي مختلف از جمله تجزيه و تحلیل جزاير حرارتي شهر تشخیص آنوماليهاي حرارتي مربوط به زلزله شناسايي منابع زمین گرمايي پايش خشکسالي و آتشسوزي ارائه دهد] 2 [. تا کنون روشهاي مختلفي جهت تعیین دماي سطح زمین ارائه شدهاند که دو روش تک باندي و پنجره مجزا از ساير روشها متداولتر ميباشند. در روش تک کاناله دماي سطح زمین با به کارگیري يک باند حرارتي تخمین زده ميشود. اين روش بر مبنا معادله انتقال تشعشعي و تقريب خطي از بسط سري تیلور معادله معلوم پالنک بودن استوار ضريب است. گسیل درروش و تک پروفیلهاي با باندي اتمسفري فرض دما تخمین زده ميشود. از مزاياي مدلهاي تک باندي ميتوان بهسادگي آن و کاربردي بودن روش براي دادههايي با تنها يک باند حرارتي اشاره کرد اما نیاز به داشتن دانش اولیه از ضريب گسیل و پروفیلهاي اتمسفري دقیق از معايب اين روش است. اين روش اولین بار توسط در سال Price 1983 به کار گرفته شد ]3[. شکلهاي متفاوتي از اين روش ارائه شدند که دو روش Qin ]4[ 2001 و روش JM&S و که توسط و همکاران در سال Jimenez-Munoz Sobrino کاربرد درسال 2003 ارائه شد ]5[ داراي اهمیت و بیشتري تصاوير ماهوارهاي لندست ميباشد. روش استوار هست پنجره در تخمین دماي سطح با استفاده از بر مبناي مجزا تلفیق دو باند حرارتي در واقع اين روش با استفاده از تلفیق باندهاي حرارتي مجاور سعي در کاهش تأثیرات اتمسفري دارد. از مزايا اين روش ميتوان به عدم نیاز اين روش به پروفیل اتمسفري دقیق و همچنین کارآمدي روش براي تمامي سنسورها با حداقل دو باند حراتي اشاره کرد. وابستگي اين روش به اطالع از ضريب گسیل و وابستگي ضرايب هر مدل به نوع دانست. از ميتوان را منطقه محدوديتهاي اين روش اولین بار در سال اين 1970 Anding و Kauth روش ارائه شده است که ميتوان ]7[ رجوع کرد. روش توسط ارائه شد ]6[. شکلهاي مختلفي از اين براي مطالعه بیشتر به در دو روش فوق ضريب گسیل به عنوان پارامتر معلوم فرض ميشود. که تعیین اين پارامتر با توجه به اينکه معادله انتقال تشعشعي سنجندهاي با معادله و باند حراتي داراي N N N+1 مجهول )دما و ضريب گسیل هر باند( ميباشد مشکل است. تخمین ضريب گسیل از تصاوير ماهوارهاي به عنوان يک مساله فرومعین ميباشد براي حل اين مساله روشهايي ارائه شده است که برخي از آنها مبتني بر حل همزمان ضريب گسیل و دما ميباشد مانند روش جداسازي ضريب گسیل و دما )TES( ]8[ و روش روز/ شب ] 9 [ گروه ديگري از روشها مبتني بر تخمین ضريب گسیل و سپس استفاده از اين پارامتر بعنوان پارامتر معلوم در ساير روشهاست که عبارتند از روش طبقهبندي] 10 [ روش ]11[ روش تقريب شده نرمال تفاضلي گیاهي شاخص ۱ Split-Window راديانس باندها] 12 [ روش جسم خاکستري ]13[ روش 216
شاخص طیفي مستقل از دما ]14[ روش نرمالسازي ضريب گسیل ]15[ روش گسیلمندي آلفا] 16 [ و روش گسیل- مندي مدل ]17[ براي مطالعه جزئیات بیشتر اين روشها ميتوان به ]18[ مراجعه کرد. الگوريتم جداسازي ضريب گسیل و دما در سال 1998 در تیم سنجنده استر طراحي و توسعه يافت و با اعمال تغییراتي براي ساير سنجندهها استفاده گرديد اين الگوريتم درواقع تلفیق سه الگوريتم ضريب گسیل نرمال شده روش نسبت طیفي و روش گسیلمندي حداقل و حداکثر است. اين روش بر پايه ايجاد يک رگرسیون تجربي بین اختالف ضريب گسیل با ضريب گسیل میانگین پنج باند حرارتي استوار است و با استفاده از تکرار بهطور همزمان پارامترهاي ضريب گسیل سطح و دماي سطح را تعیین ميکند ]8[. در گسیل اساس روش شب و روز بر ثابت فرض کردن ضريب نکردن تغییر بهشرط زمان طول پارامترهاي محیطي استوار است. در اين روش با فرض ثابت ماندن پارامترهاي اخذ حرارتي تصوير دو منطقه از محیطي ميشود و درنتیجه يک معادله جديد براي ضريب گسیل ايجاد شده حال براي هرباند حرارتي هر تصوير يک معادله بر اساس تابع انتقال تشعشعي ميتوان نوشت. هر معادله 2 مجهول ضريب گسیل و دما را دارد که با فرض ثابت ماندن ضريب گسیل ميتوان يک معادله به معادالت اضافه کرد. با حل همزمان معادالت به تعداد مجهوالت يک عدد اضافه ميشود درحاليکه برابر دو معادالت تعداد ميگردد و درنتیجه معادله قابلحل ميشود. ضعف عمده اين روش نیاز بهدقت باال در ثبت هندسي مکاني و راديومتريکي دو نسبت به تصوير حاصله تأثیر يکديگر است. زياد ميگذارد ]9[. نتايج دقت بر روي که مطالعه در زمینه تعیین دماي سطح از دادههاي ماهواره لندست- 8 توسط نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره پنجم شماره 1 مرداد ماه 1394 Rozenstein Jimenez-Munoz Rozenstein و همکاران و همچنین و همکاران انجام گرفته است. و همکاران در سال الگوريتم پنجره 2014 مجزايي با فرض وجود رابطه خطي بین دماي سطح زمین و دماي درخشندگي باندهاي 11 و 10 Jimenez-Munoz ارائه کردند ]19[. و همکاران در سال 2014 الگوريتم تک کاناله و پنجره مجزايي برپايه الگوريتم توسط JM&S Sobrino شده بود ارائه کردند ]20[ به که پیشتر و همکاران براي ماهواره لندست- 5 ارائه عبارت ديگر آنها الگوريتم پیشنهادي براي لندست- 5 را براي لندست- 8 تعمیم دادند. با توجه به اين که در مطالعات انجام شده تنها از دادههاي شبیهسازي شده براي محاسبه و ارزيابي استفاده شده است و همچنین با توجه به حساسیت دماي سطح زمین و ضرايب روش پنجره مجزا به نوع منطقه از يک سو و از سوي ديگر انجام و آنالیز اين مطالعات در محدودهاي خارج از ايران و همچنین وابستگي اين روشها به اطالعاتي نظیر بخار آب که از دادههاي خام لندست- 8 قابل اندازهگیري نميباشد. در اين مقاله سعي شده است که روشي مستقل از اطالعات جانبي و در محدوده ايران براي تخمین دماي سطح از ماهواره لندست- 8 ارائه شود. الزم به ذکر است در روشهاي ارائه شده براي ماهواره لندست- 8 تاکنون ضريب گسیل بعنوان پارمتر معلوم فرض شده است اما در اين پژوهش روشي جهت تخمین ضريب گسیل سطح ارائه شده است. تمايز پژوهش انجام شده نسبت به ساير پژوهشهاي مشابه را ميتوان در نوع الگوريتم پنجره مجزا ضرايب الگوريتم عدم نیاز به اطالعات جانبي تخمین ضريب گسیل و ارزيابي روش با استفاده از دادههاي ماهوارهاي و زمیني دانست عالوه بر اين پژوهشي در اين زمینه در محدوده کشور ايران تاکنون براي ماهواره لندست- 8 در تعیین دماي سطح انجام نشده است. در اين تحقیق الگوريتمي نوين جهت تخمین ضريب گسیل و دماي سطح زمین با استفاده از دادههاي ماهواره لندست- 8 ارائه شده است. الگوريتم ارائه شده نیاز به دادههاي جانبي ندارد. در ابتدا با استفاده از دادههاي شبیهسازيشده از کتابخانه طیفي استر رابطهاي بین ضريب گسیل سطح و شاخص ارائه شد و در مرحله دوم الگوريتم پنجره مجزايي به همراه ضرايب جهاني با استفاده از دادههاي شبیهسازيشده از نرم افزار MODTRAN جهت تخمین دماي سطح زمین از دادههاي لندست- 8 ارائه گرديد. در نهايت الگوريتم پیشنهادي با استفاده از سه مجموعه داده زمیني شبیهسازيشده و ماهوارهاي مورد ارزيابي قرار گرفت. 2- دادههای مورد مطالعه 1-2- دادههای شبیه سازی شده طیفی استر در اين بخش با استفاده از دادههاي کتابخانه طیفي (ASL, http://speclib.jpl.nasa.gov) و دانشگاه 217
-2-2 ارائه يک الگوريتم پنجره مجزا نوين به منظورتخمین دماي سطح زمین از... تگزاس VSL, http://spectrallibrary.utep.edu( مربوط به پاسخ طیفي باندهاي لندست- 8 (دادههاي با به کار گیري معادله 1 مقادير راديانس براي باندهاي لندست- 8 شبیه سازي شد. L sim = a a max min a ( amin, amax ) max a L R d λ min λ λ Rdλ λ )1( در اين رابطه طیفي و L a max a min راديانس شبیهسازيشده R تابع پاسخ به ترتیب طول موج ابتدايي و انتهايي مربوط به باند مورد نظر هستند. الزم به ذکر است براي تبديل بازتابش دو باند 10 و 11 به ضريب گسیل از قانون کیرشهف جدول ميدهد. (ε=1-r) 1 استفاده شد. برخي از ويژگي هاي اين دادهها را نشان جدول 1- برخي از ويژگيهاي دادههاي شبیه سازي شده طیفي نوع پوشش خاک سنگ گیاه آب برف و يخ داده تست تعداد 35 کالس Alfisol (8 samples), Aridisol (8 samples), Entisol (3 samples), Inceptisol (7 samples), Mollisiol (9 samples) Metamorphic, Igneous, sedimentary (10 samples) Grass (2 samples), Leaf (5 samples), bark (3 samples), Tree کتابخانه طیفی ASL ASL ASL- VSL ASL Water, Ice, Frost, Snow (3 samples) 30 11 6 50 به صورت تصادفي دادههای شبیه سازی شده دمایی با استفاده از نرم افزار MODTRAN در اين بخش سه مجموعه داده مستقل شبیهسازي شده شامل دماي درخشندگي دماي سطح زمین ضريب گسیل سطح و پارامترهاي اتمسفري )راديانس رو به باال راديانس رو به پايین و ضريب شفافیت( باندهاي حرارتي ساخته شدند. يک مجموعه داده جهت کالیبراسیون الگوريتم پنجره مجزا استفاده شد و دو مجموعه داده ديگر جهت ارزيابي روش استفاده شدند. براي طراحي اين مجموعه دادهها دماي درخشندگي براساس معادله انتقال تشعشعي با استفاده از عکس قانون پالنک تعیین گرديد. دماي سطح زمین براساس مقدار دماي اليه اول اتمسفر )T 0( با در نظر گرفتن چهار حالت T 0- T 0+10 T 0+5 T 0( )5 تعیین شد. مقادير ضريب گسیل براساس دادههاي طراحي شده در مرحله 1-2 تعیین شدند و در نهايت جهت تعیین مقادير پارامترهاي اتمسفري از نرم افزار MODTRAN 4 استاندارد شامل: استفاده شد. و به کارگیري پروفايلهاي اتمسفري Tropical (TRO) Mid-latitude summer (MLS) Mid-latitude winter (MLW) Sub-arctic summer (SAS) U.S standard (USS) Sub-arctic winter (SAW) جدول 2 برخي از ويژگيهاي اين دادهها را نشان ميدهد. ASL- VSL نام SD 1 SD 2 SD 3 روش Plank s law MODTRAN MODTRAN محدوده دمایی جدول 2 - برخي از ويژگيهاي داده شبیه سازي شده براساس MODTRAN 330-265 محدوده ضریب گسیل 0/998-0/912 تعداد 500 زاویه دید 0 پروفایل اتمسفری -------- 15 atmospheric profiles for each model (TRO, MLS, MLW, SAS, USS, SAW ) 10 atmospheric profiles for each model (TRO, MLS, MLW, SAS, USS, SAW ) 0 0 36450 24300 0/998-0/912 0/998-0/912 310-260 310-260 3-2- دادههای زمینی دمای سطح در تاريخ اول تیر 1393 مجموعه داده زمیني از منطقهاي در جنوب تهران تهیه گرديد که براي ارزيابي هرچه بهتر روش پیشنهادي بکار گرفته شد. منطقه اندازهگیري به پنج ناحیه ي مشخص تقسیم بندي شد و در هر ناحیه دادههاي دمايي زمیني در تعدادي نقطه اندازهگیري شدند. ناحیه با فاصله حداقل 5 کیلومتر از همديگر قرار داشتند و اولین سايت حدود 10 کیلومتري شهر ورامین قرار داشت. 218
و. مرداد ماه 1394 نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره شکل 1 - تصوير منطقه اخذ داده زمیني پنجم شماره 1 شکل 2 پوشش زمیني منطقه اخذ داده زمیني نحوه اندازهگیري به اين صورت بود که در چهار سايت با استفاده از دماسنج جیوهاي اندازهگیريها انجام شدند و در يک سايت عالوه بر دماسنج جیوهاي يک دستگاه ترمومتر از قبل که است بهذکر الزم شد. گرفته بکار هم اندازهگیريهاي زمیني دماسنجهاي مورد استفاده نسبت به با و هم بکارگیري شدند. کالیبره يخ و آب ظرف از استفاده دماسنج جهت قرائت دما به شرح زير بود. نحوه در مناطق با خاک لخت دماسنج در عمق يک میلي- متري خاک قرار میگرفت و در تماس با سطح خاک قرار داشت بعد از حدود 3 تا 4 دقیقه دماي آن قرائت ميگرديد. در مناطق گیاهي دماسنج در تماس با سطح برگ و ساقه قرار ميگرفت و سپس قرائت انجام ميگرديد. زمانبندي قرائت به اين صورت بود که از يک ساعت قبل از زمان عبور ماهواره تا يک ساعت بعد از آن جمع آوري داده ادامه داشت مهمترين داده داده مربوط به زمان عبور ماهواره بود که براي ارزيابي از اين داده استفاده شد. جهت بررسي سنج رطوبت و بادسنج دستگاه يک از هوايي شرايط استفاده شد.که سرعت باد حدود 1 متر بر ثانیه و رطوبت هوا در حدود 7 درصد بود. 4-2- مجموعه داده ماهوارهای با توجه به اهمیت موضوع مقايسه دادههاي سنجندههاي مختلف با يکديگر و همچنین توانايي محصوالت بهدست آمده از دادههاي ماهوارهاي در اعتبار سنجي يکديگر مجموعه داده ماهوارهاي ايجاد گرديد. اين مجموعه شامل دادههاي استر لندست- 7 و لندست- 8 مي باشد. اين دادهها با اختالف زماني 15 دقیقه از منطقهاي در ارگان آمريکا تهیه گرديدهاند. الزم بهذکر است اين منطقه تنها منطقهاي بود که تصاوير اين ماهوارهها باهم همپوشاني زماني داشتند. اين دادهها با استفاده از نرم افزار Envi 4.8 رجیستر شدند و با استفاده از همین نرم افزار تصحیح اتمسفري شدند. شکل 3 نشان دهنده تصاوير اين مجموعه داده از منطقه مذکور ميباشد. 219
ارائه يک الگوريتم پنجره مجزا نوين به منظورتخمین دماي سطح زمین از... توان تفکیک راديومتري طیفي و مکاني باال پوشش داده و خود دارايسه سنجنده به نامهاي SWIR NIR با و TIR توان تفکیکهاي به ترتیب 30 15 و 90 متر است هر تصوير استر منطقهاي بهوسعت 60 60 کیلومتر را ميپوشاند. نقشه دمايي بدست آمده از اين سنجنده يکي از محصوالت دمايي معتبر در سنجش از دور بهحساب ميآيد. - 3 تعیین ضریب گسیل برای لندست- 8 1-3- تعیین حد آستانه Li و همکاران در سال 2014 با استفاده از هشت مجموعه دادهي نمونه در پوششهاي زمیني مختلف نشان دادند همبستگي بااليي بین شاخص بدست آمده از لندست- 7 و لندست- 8 وجود دارد و اين همبستگي در حدود %96 است و بر همین اساس رگرسیون خطي به شکل معادله 1 ارائه کردند ]21[: OLI = A ETM+ + B )1( در رابطه فوق هستند. A برابر 0/97998 و B برابر 0/07592 با توجه به حد آستانههاي ارائه شده براي تفکیک دادههاي ماهوارهاي لندست- 7 به سه کالس خاک )<0.2( گیاه )<0.5( و تقريبا گیاهي که توسط Sobrino و همکاران ارائه شد ميتوان حد آستانههاي 0/27 براي حد باالي کالس خاک و حد آستانه 0/56 را براي حد پايین کالس گیاه با توجه به رابطه 1 براي تفکیک دادههاي ماهواره لندست- 8 درنظر گرفت. شکل 3- به ترتیب از باال به پايین الف( تصوير استر ب( تصوير لندست- 7 ج( تصوير لندست- 8 سنجنده استر يک تصويربردار پیشرفته چند طیفي روي سکو Terra 1999 متعلق به ناسا است که در دسامبر سال به فضا پرتاب شد. اين سنجنده حاصل تالش مشترک بین ناسا و ژاپن بوده و يک ناحیه طیفي وسیع شامل 14 باند از محدوده مرئي تا مادون قرمز حرارتي با 2-3- تعیین ضریب گسیل برای کالسهای مختلف در اين بخش با استفاده از دادههاي شبیهسازي شده رگرسیون خطي بین ضريب گسیل باند 10 و 11 با مقدار انجام گرفت. براي سه کالس خاک گیاه و مخلوط خاک و گیاه 220
نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره پنجم شماره 1 مرداد ماه 1394 1-2-3- تعیین ضریب گسیل برای کالس خاک در اين مرحله رگرسیون بین شاخص و ضريب گسیل براي کالس خاک انجام شد. نتايج اين رگرسیون در جدول 1 آمده است. الزم به ذکر است در فرآيند رگرسیون برخي از نمونهها که داراي همبستگي غیر قابل قبولي با شاخص بودند حذف شدند. جدول 1 نشان ميدهد رگرسیون انجام شده داراي خطاي انحراف معیار در حدود 0/002 است که مقدار مناسبي براي ضريب گسیل ميباشد. 2-2-3- تعیین ضریب گسیل برای کالس مخلوط خاک وگیاه در اين قسمت از مدل ارائه شده توسط در Sobrino سال ]22[ 1990 براي مناطق مخلوط خاک و گیاه استفاده گرديد. در واقع در اين کالس بین دو کالس خاک و گیاه براساس وزني منحصربفرد درونیابي انجام شد. اين مدل به شکل معادله 3 است. شکل 4- الگوريتم پیشنهادي جهت تخمین ضريب گسیل از ماهواره لندست- 8 الگوريتم پیشنهادي با استفاده از دادههاي تست که در بخش 1-2 توضیح داده شدند مورد ارزيابي قرار گرفت که میزان RMSE برابر مقدار 0/009 ميباشد. براي باند 10 برابر 0/007 و براي باند 11 Th soil 2 ε i = ( ε v, i ε s, i ) [ ] + ε s, i Th vegetation Th soil )3( در رابطه فوق Th vegetation کالس گیاه يعني 0/56 و حد آستانه حد آستانه Th soil براي براي کالس خاک و برابر 0/27 ميباشد. ε s ضريب گسیل کالس خاک است که مقدار آن را برابر با میانگین تمامي نمونه- هاي شبیهسازيشده در کالس خاک يعني برابر 0/9706 و 0/9759 براي باند 10 و 11 در نظر گرفته شد. ε v ضريب گسیل براي کالس گیاه برابر میانگین اين کالس يعني 0/981 و 0/983 براي باند 10 و 11 در نظر گرفته شد. 3-2-3- تعیین ضریب گسیل برای کالس گیاه براي مواد گیاهي با توجه به تغییرات ناچیز ضريب گسیل براي دادههاي شبیهسازي شده مقداري ثابت انتخاب گرديده است. اين مقادير ثابت بر اساس میانگین ضريب گسیل اين باندها انتخاب شدند که به ترتیب برابر 0/985 و 0/988 براي باند 10 و 11 ميباشند. شکل 4 الگوريتم روش پیشنهادي براي تعیین ضريب گسیل از تصاوير ماهواره لندست- 8 را نشان ميدهد. 4- تعیین دمای سطح برای لندست- 8 1-4- الگوریتم پنجره مجزا روشهاي پنجره مجزا با استفاده از تلفیق باندهاي حرارتي مجاور سعي در کاهش تاثیرات اتمسفري دارند و بر همین مبنا طراحي شدهاند ]23[. بعبارت ديگر روشهاي پنجره مجزا براساس اختالف جذب بین دو باند حرارتي مجاور در محدوده 10 تا 12/5 میکرومتر بر مبناي خطيسازي معادله انتقال تشعشعي برحسب دما يا طول موج عمل ميکنند. اين الگوريتمها مقدار دماي سطح زمین را از طريق تلفیق خطي دماي درخشندگي در دو باند حرارتي تخمین ميزنند. شکل عمومي اين الگوريتمها به شکل رابطه 4 است. LST = a 0 + a 1 T i + a 2 ( T i T j ) )4( a k ضرايب اين روش هستند که به تابع پاسخ طیفي باندها ضريب گسیل باندها بخار آب اتمسفر و زاويه زنیتي بستگي دارد. بهعبارت ديگر ]24[: 221
a k = f k ( g i, g j, ε i, ε j, WV, VZA ) )5( g ارائه يک الگوريتم پنجره مجزا نوين به منظورتخمین دماي سطح زمین از... اتمسفر و تابع پاسخ طیفي ε ضريب گسیل WV VZA بخار آب زاويه زنیتي ميباشند. دقت روشهاي پنجره مجزا در تعیین دماي سطح زمین به دقت تعیین ضرايب بستگي دارد. تعیین اين ضرايب از طريق اندازه- گیريهاي میداني و مقايسه آن با مقادير سنجنده و يا از طريق شبیهسازي دادههاي ماهوارهاي و پارامترهاي اتمسفري تعیین ميشوند. از مزايا اين روش ميتوان به عدم نیاز اين روش به پروفیل اتمسفري دقیق و همچنین کارآمدي روش براي تمامي سنسورها با حداقل دو باند حرارتي اشاره کرد. وابستگي اين روش به اطالع از ضريب گسیل و همچنین تعیین ضرايب هر مدل براي هر منطقه را ميتوان از محدوديتهاي اين روش دانست. در دهههاي اخیر الگوريتمهاي پنجره مجزا متفاوتي ارائه شده است که تفاوت آنها در تعیین پارامترها و تابع رابطه 5 ميباشند. الگوريتم پیشنهادي در اين تحقیق براساس الگوريتم ارائه شده توسط بکر و لي به شکل رابطه 4 با ضرايب رابطه 6 طراحي شد ]4[: )0 a ضريب ثابت است.( 1 ε ε a k = A 0, k + A 1, k + A 2, k 2 ε ε ε )6( در رابطه 6 ضريب گسیل میانگین باند 10 و 11 و ε اختالف ضريب گسیل در اين دو باند است. 2-4- تعیین ضرایب الگوریتم پنجره مجزا در اين قسمت دادههاي شبیهسازي شده براساس نرم- افزار MODTRAN با استفاده از تابع پاسخ طیفي باندهاي لندست- 8 طیف مواد گوناگون و دادههاي پروفايلهاي اتمسفري گوناگون به عنوان ورودي نرمافزار طراحي شدند. دادههاي شبیهسازي شده در تمامي حالت اتمسفري شبیهسازي شدند. سپس از طريق روش کمترين مربعات با استفاده از اين دادههاي شبیهسازي طراحي شده ضرايب تعیین گرديد )مقادير A(. به طور کلي ميتوان مراحل تعیین مقادير را به صورت زير بیان کرد: الف( طراحي دادههاي شبیهسازي شده ب( طراحي ماتريس مشاهدات سطح زمین ميباشد: که مقادير دماي (Y) Y = LST derived from simulate datasets )7( ج( طراحي ماتريس مجهوالت در رابطه 6 ميباشند: (X) )8( که مقادير مجهول X T = [ a A A A A A A ] 0 01 11 12 02 12 22 د( طراحي ماتريس ضرايب رابطه 6 هستند: (A) )9( که مقادير معلوم در Q = [ ] A = P Q P = 1 1 ε ε T T T 10 2 ε ε 1 ε ε ( ) ( ) ( ) T T T T T T 10 11 10 11 2 10 11 ε ε ه( تعیین ضرايب از طريق سرشکني کمترين مربعات: ( ) 1 t t X = A A A Y )10( نتايج اين قسمت در جدول 2 آورده شده است و الگوريتم پیشنهادي در اين تحقیق در رابطه 11 ارائه شده است. )11( 1 ε ε = 6.874 + 0.974 + 0.193 + 0.301 T ( 2 ) ε ε 1 ε ε 2.384 13.192 + 25.113 ( ) ( T ) 2 10 T 11 LST + ε ε 10 جدول 2- ضرايب پیشنهادي A22 A12 A02 A12 A11 A01 ضرایب مدل a0 25/113-13/192 2/348-0/307 0/193 0/974 مقدار 6/874 222
نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره پنجم شماره 1 مرداد ماه 1394 3-4- آنالیز حساسیت جهت بررسي توزيع تاثیر و نقش پارامترهاي موجود در روش پیشنهادي در تعیین دماي سطح آنالیز حساسیت در اين قسمت انجام گرفت. با توجه به رابطه پیشنهادي در اين تحقیق )رابطه 11( و قانون انتشار خطاها ميتوان رابطه زير را براي خطاي دماي سطح نوشت: E = δ + δ + δ 2 2 2 LST alg LSE NE T )12( در اين رابطه δ alg خطاي ناشي از برازش الگوريتم پیشنهادي بر دادههاي شبیه سازي شده مربوط به باند حرارتي و δ NEΔT δ LSE خطاي خطاي مربوط به ضريب گسیل ميباشد که از روابط زير قابل محاسبه هستند. LST LST δ ( E(T )) ( E(T )) NE = + T 10 11 T T δ LSE 10 11 10 11 2 2 = LST ( E(LSE )) LST + ( E(LSE )) ε 10 ε 11 2 2 )13( )14( برابر در روابط باال مقدار E(T i) برابر 0/4 کلوين و 0/1 در نظر گرفته شد. با استفاده از E(LSE) SD 3 مجموعه داده در شرايط مختلف آنالیز حساسیت انجام شد و میانگین اين خطاها محاسبه شد که نتايج آن در جدول 3 آمده است. جدول 3- نتايج آنالیز حساسیت الگوريتم پیشنهادي تابع کلي جمالت (Terms) δalg= 0/64 δ NEΔT = 1/55 δlse= 2/13 ΔLST= 2/73 5- پیاده سازی و ارزیابی نتایج در اين بخش الگوريتم پنجره مجزا پیشنهادي براي سه مجموعه داده شبیه سازي شده زمیني )میداني( و ماهوارهاي پیاده سازي و مورد ارزيابي قرار گرفت. الزم به ذکر است در مورد دادههاي حقیقي )زمیني و ماهوارهاي( از الگوريتم پیشنهادي در بخش سوم اين پژوهش جهت تعیین ضريب گسیل استفاده شد. همچنین با توجه به مشکالتي که در بحث کالیبراسیون حرارتي باند ماهواره لندست- 8 توسط سازمان زمینشناسي آمريکا اعالم شده قسمتي از خطاي تعیین دما که از طريق دادههاي حقیقي بهدست آمده ناشي از خطالي مربوط به ضريب گسیل و کالیبراسیون ميباشد. عموما استفاده از دادههاي شبیهسازيشده اولین مرحله در بررسي و آنالیز الگوريتمهاي جديد بهحساب ميآيد و به همین منظور روش پیشنهادي با استفاده از اين دادهها ارزيابي شد. دو مجموعه داده براي SD 3 و SD 1 ارزايبي الگوريتم استفاده شدند نتايج اين ارزيابي نشان- ميدهد که خطاي RMSE براي داده شبیهسازي شده براساس قانون پالنک برابر 1/13 و براي داده شبیه سازي شده با استفاده از نرم افزار MODTRAN در حدود 1/21 ميباشد. اين نتايج مشابه ساير پژوهشهاي انجام شده ميباشد با اين تفاوت که الگوريتم پیشنهادي اين پژوهش وابستگي به دادههاي جانبي ندارد. و درنتیجه مقداري قابل قبول و مناسب ميباشد. بخش مهمي از آنالیزهاي سنجش از دوري مربوط به دادههاي حقیقي ميباشد که در اين پژوهش سعي شده است به طور کامل اين موضوع با به کارگیري دو مجموعه داده میداني و ماهوارهاي پوشش داده شود. مجموعه ديگري که براي ارزيابي و آنالیز الگوريتمهاي پیشنهادي انتخاب شد مجموعه داده زمیني بود که اين مجموعه شامل پنج سايت و در برگیرنده پوششهاي گیاهي خاکي و مخلوط گیاه و خاک بود که نتايج اين ارزيابي نشان ميدهد که خطاي RMSE براي اين داده برابر 1/91 ميباشد. انحراف معیار و میانگین خطا به ترتیب برابر 1/89 و 0/27 درجه ميباشند. مقدار خطاي بدست آمده در اين قسمت با توجه به اينکه در برگیرنده خطاي کاربر و خطاي ناشي از کالیبراسیون حرارتي ميباشد مقدار قابل قبولي است و همچنین با توجه موارد فوق و اينکه مقدار میانگین خطا پايین است ميتوان گفت اين روش تقريبا بدون باياس است. مجموعه داده ماهوارهاي مجموعه ديگري بود که براي ارزيابي روش پیشنهادي استفاده شد. در بسیاري از تحقیقات سنجش از دوري ارزايبي و آنالیز براساس مقايسه بین دو محصول ماهوارهاي انجام ميشود. عالوه بر اين مقايسه دماي بدست آمده بین دو ماهوارهاي تواناييهاي اين ماهوارهها در تعیین اين پارامتر را نیز مشخص ميکند. 11 در اين مرحله تصوير دمايي استر با استفاده از الگوريتم 223
6- نتیجه گیری ارائه يک الگوريتم پنجره مجزا نوين به منظورتخمین دماي سطح زمین از... TES تصوير دمايي لندست- 8 با استفاده از الگوريتم پیشنهادي و تصوير دمايي لندست- 7 با روش تک کاناله JM&S بدست آمدند و باهم مقايسه شدند. دلیل استفاده از اين روشها مطالعات پیشین مولفین اين مقاله است که با بررسيهاي انجام داده دقت اين روشها را نسبت به ساير روشها بهتر ارزيابي کردهاند. در گام اول تصوير دماي استر به عنوان داده مرجع در نظر گرفته شد و اختالف بین دماي بدست آمده از روش پیشنهادي با داده مرجع )داده دمايي استر( براي محاسبه شد که خطاي 10000 )گريد پیکسل )100*100 RMSE آن برابر 0/91 درجه بود. با فرض اينکه خطاي محصول دمايي استر ميتوان 0/5 1/03 برابر RMSE در نظر گرفت. باشد در گام بعد تصوير دمايي لندست- 7 بهعنوان داده مرجع در نظر گرفته شد و دماها با هم مقايسه شدند که خطايي در حدود 1/25 به دست امد که با توجه به اينکه اين سنجنده داراي يک باند حرارتي ميباشد اين مقدار قابل قبول است. جدول 5 نتايج ارزيابيهاي انجام شده در اين قسمت را نشان ميدهد. جدول 5- نتايج ارزيابي الگوريتم پیشنهادي با مجموعه داده داده مرجع داده شبیه سازي شده میانگین خطا انحراف معیار دماي سطح زمین و ضريب گسیل سطح از پارامترهاي مهم در مطالعه مدلهاي تعادل انرژي در مقیاس منطقهاي جهاني ميباشند. تصاوير سنجش از دور به دلیل پوشش وسیع و به هنگام بودن ابزار مناسبي جهت تهیه نقشههاي ضريب گسیل سطح و دماي سطح ميباشند. با توجه به پرتاب ماهواره لندست - 8 در سال 2013 و مجهز بودن اين سنجنده به دو باند حرارتي از يک سو و از سوي ديگر قدرت تفکیک مکاني مناسب اين ماهواره ميتوان گفت دادههاي اين ماهواره براي تهیه نقشههاي ضريب گسیل سطح و دماي سطح مناسب ميباشند. در اين تحقیق روشي بر مبناي شاخص گیاهي براي تعیین ضريب گسیل سطح و الگوريتمي پنجره مجزا جهت تعیین دماي سطح از داده هاي ماهواره لندست- 8 ارائه شد. روش ارائه شده با استفاده از سه مجموعه داده شبیهسازي شده زمیني و ماهوارهاي مورد ارزيابي قرار گرفت نتايج ارزيابي با استفاده از اين سه مجموعه به ترتیب خطاي RMSE برابر با 1/91 1/21 و 1/03 درجه را نشان دادند. بنابراين روش پیشنهادي روشي مناسب و در عین حال ساده )عدم نیاز به داده جانبي( جهت تعیین دماي سطح زمین از تصاوير ماهوارهاي لندست- 8 ميباشد. و ميتواند با توجه به کمبود پژوهش در زمینهي تهیه نقشه دماي سطح و ضريب گسیل سطح براي ماهواره لندست- 8 در اين زمینه راه گشا باشد. RMSE 1/21 1/ 20-0/ 05 داده زمیني 1 /91 1 / 89 0 / 27 0/91 0/ 90-0/ 09 1/25 1/ 24 0/ 21 نقشه حرارتي استر نقشه حرارتي لندست- 7 مراجع [1] J. R. Irons, J. L. Dwyer, and J. A. Barsi, (2012) The next Landsat satellite: The Landsat Data Continuity ission, Remote Sens. Environ., vol. 122, pp. 11 21. [2] Wan, Z. (1999). MODIS Land Surface Temperature Algorithm Theoretical Basis Documentation, Version 3.3, URL: http:// www.icess.ucsb.edu/modis/atbd-mod-11.pdf. [3] Price J. C. (1983). Estimating Surface Temperatures from Satellite Thermal Infrared Data--A Simple Formulation for the Atmospheric Effect, Remote Sens. Environ, 13, pp. 353-361. 224
نشريه علمي- پژوهشي علوم و فنون نقشه برداري دوره پنجم شماره 1 مرداد ماه 1394 [4] Qin, Z., Karnieli, A., Berliner, P., (2001). A mono-algorithm for retrieving land surface temperature from Landsat TM data and its application to the Israel Egypt border region. International Journal of Remote Sensing 22 (18), 583 594 [5] Jimenez-Munoz, J.C., Sobrino, J.A., (2003). A generalized single channel method for retrieving land surface temperature from remote sensing data. Journal of Geophysical Research 108, 1. [6] Anding D., Kauth R. (1970). Estimation of Sea Surface Temperature from Space. Remote Sens. Environ. 1, pp. 217-220. [7] Z.-L. Li, B.-H. Tang, H. Wu, H. Ren, G. Yan, Z. Wan, I. F. Trigo, and J. A. Sobrino, Satellite-derived land surface temperature: Current status and perspectives, Remote Sens. Environ., vol. 131, pp. 14 37, Apr. 2013. [8] Gillespie, A. R.; Rokugawa, S.; Matsunaga, T.;Cothern, J. S.; Hook, S. ; Kahle, A. B(1998). A temperature and emissivity separation algorithm for Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) images. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 36, 1113 1126. [9] Wan, Z.; Li, Z. L (1997). A physics-based algorithm for retrieving land surface emissivity and temperature from EOS/MODIS data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 35, 980 996. [10] Snyder, W. C.; Wan, Z.; Zhang, Y.; Feng, Y. Z (1998). Classification based emissivity for land surface temperature measurement from space, International Journal of Remote Sensing, 19, 2753 2774. [11] Van de Griend, A. A., Owe M. (1993). On the relationship between thermal emissivity and 21 the normalized difference vegetation index for natural surfaces, International Journal of 22 Remote Sensing, 14:1119 1131. [12] Barducci, A., and I. Pippi. 1996. Temperature and Emissivity Retrieval from Remotely Sensed Images Using the Grey Body Emissivity Method. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 34: 681 95. [13] Kahle, A. B., D. P. Madura, and J. M. Soha. 1980. Middle Infrared Multispectral Aircraft Scanner Data: Analysis for Geological Applications. Applied Optics 19: 2279 90. [14] Becker, F.; Li, Z. L (1990). Temperature-independent spectral indices in TIR bands, Remote Sensing of Environment, 32, 17 33. [15] Kealy, P. S.; Hook, S. J (1993). Separating temperature and emissivity in thermal infrared multispectral scanner data: Implications for recovering land surface temperatures. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 31, 1155 1164. [16] Kealy, P. S.; Hook, S. J (1993). Separating temperature and emissivity in thermal infrared multispectral scanner data: Implications for recovering land surface temperatures. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 31, 1155 1164. [17] Liang, S., (2000). Quantitative Remote Sensing of Land Surfaces. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 534 p. [18] Z.-L. Li, H. Wu, N. Wang, S. Qiu, J. A. Sobrino, Z. Wan, B.-H. Tang, and G. Yan, Land surface emissivity retrieval from satellite data, Int. J. Remote Sens., vol. 34, no. 9/10, pp. 3084 3127, 2013. [19] Li P, Jiang L, Feng Z (2014). Cross-Comparison of Vegetation Indices Derived from Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper plus (ETM+) and Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) Sensors, Remote Sensing, 6(1), 310-329. [20] Sobrino, J. A.; Jiménez-Muñoz, J. C.; Paolini, L (2004). Land surface temperature retrieval from Landsat TM 5. Remote Sensing of Environment, 90, 434 440. [21] McMillin, L. M. (1975). Estimation of sea surface temperature from two infrared window measurements with different absorptions, Journal of Geophysical Research, 80, 5113 5117. [22] Li, Z. -L., Tang, B. -H., Wu, H., Ren, H., Yan, G., Wan, Z., et al. (2013). Satellite-derived land surface temperature: Current status and perspectives, Remote Sensing of Environment, 131, 14 37. 225
[23] Jiménez-Muñoz, J. C.; Sobrino, J. A (2010). Split-Window Coefficients for Land Surface Temperature retrieval from Low-Resolution Thermal Infrared Sensors, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 5, 806 809. [24] Baldridge, A. M.; Hook, S.J.; Grove, C.I.; Rivera, G (2009). The ASTER Spectral Library Version 2.0, Remote Sensing of Environment, 113, 711-715. ارائه يک الگوريتم پنجره مجزا نوين به منظورتخمین دماي سطح زمین از... 226