139ZASTOSOWANIE ALGORYTMU �POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA MAP TEMPERATURY ...POLSKIE TOWARZYSTWO INFORMACJI PRZESTRZENNEJROCZNIKI GEOMATYKI 2011 m TOM IX m ZESZYT 4(48)

ZASTOSOWANIE ALGORYTMU�POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA

MAP TEMPERATURY POWIERZCHNI ZIEMINA PODSTAWIE DANYCH SATELITARNYCH LANDSAT

APPLICATION OF SINGLE-CHANNEL ALGORITHMFOR MAPPING LAND SURFACE TEMPERATURE

BASED ON LANDSAT SATELLITE DATA

Jakub Walawender 1,2, Monika Hajto 3, Piotr Iwaniuk 4

1 O�rodek Teledetekcji Satelitarnej,Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Pañstwowy Instytut Badawczy, Oddzia³ w Krakowie

2 Zak³ad Klimatologii, Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, Wydzia³ Biologii i Nauk o Ziemi,Uniwersytet Jagielloñski, Kraków

3 Zak³ad Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeñ Powietrza,Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Pañstwowy Instytut Badawczy, Oddzia³ w Krakowie

4 Dzia³ Wsparcia Technicznego, ESRI Polska Sp. z o.o., Warszawa

S³owa kluczowe: satelitarna teledetekcja termalna, satelity serii LANDSAT, algorytm �poje-dynczego okna�, temperatura powierzchni czynnej, GIS, zró¿nicowanie przestrzenne warun-ków termicznych miastaKeywords: thermal satellite remote sensing, LANDSAT series satellites, single-channel algori-thm, land surface temperature maps, GIS, spatial variability of thermal conditions in urban areas

Wstêp

Satelitarne obrazy termalne wykorzystywane s¹ do opracowania map temperatury po-wierzchni czynnej Ziemi (LST � Land Surface Temperature), które maj¹ zastosowanie m.in.do badañ zaburzeñ warunków termicznych w obrêbie obszarów zurbanizowanych, spowo-dowanych zmianami w³a�ciwo�ci pod³o¿a oraz emisji sztucznego ciep³a. Dane satelitarneumo¿liwiaj¹ pozyskanie informacji o charakterze ci¹g³ym w przestrzeni, co jest ich podsta-wow¹ zalet¹ w konfrontacji z danymi pochodz¹cymi z tradycyjnych pomiarów punkto-wych, prowadzonych przy powierzchni gruntu. Zastosowanie danych zarejestrowanychprzez satelity serii LANDSAT o rozdzielczo�ci przestrzennej obrazów termalnych wynosz¹-cej: 120 x 120 m (radiometr TM) i 60 x 60 m (radiometr ETM+) umo¿liwia przeprowadzeniebardzo szczegó³owych badañ z³o¿onej struktury termicznej powierzchni miasta.

140 JAKUB WALAWENDER, MONIKA HAJTO, PIOTR IWANIUK

Jednym ze sposobów tworzenia dok³adnych map temperatury powierzchni Ziemi na pod-stawie danych LANDSAT jest zastosowanie algorytmu �pojedynczego okna� (Single-Chan-nel Algorithm), opracowanego przez J.C. Jiménez-Munoz i J.A. Sobrino (2003) z Uniwer-sytetu w Walencji. Za wyborem tego algorytmu przemawia jego nieustanny rozwój i korzyst-ne wyniki testów w porównaniu z innymi metodami obliczania LST (Sobrino i in., 2004;Jiménez-Munoz i in., 2009; Cristóbal i in., 2009). Algorytm autorstwa Jiménez-Munoz iSobrino jest skomplikowany i wymaga sporej liczby przetworzeñ. Dlatego niezbêdnym roz-wi¹zaniem by³o opracowanie zestawu narzêdzi, umo¿liwiaj¹cego zautomatyzowanie proce-dury. Opracowany zestaw narzêdzi TRS (Thermal Remote Sensing) Tools jest implementacj¹algorytmu �pojedynczego okna� w programie ESRI ArcGIS Desktop. Zintegrowanie algo-rytmu z innymi narzêdziami edycji, przetwarzania i wizualizacji danych przestrzennych, do-stêpnymi w �rodowisku GIS, umo¿liwia prowadzenie dalszych analiz w powi¹zaniu z dany-mi z ró¿nych �róde³ oraz sprawn¹ wizualizacjê w postaci map wynikowych.

W artykule scharakteryzowano dane LANDSAT pod k¹tem mo¿liwo�ci ich wykorzysta-nia w badaniach warunków termicznych w obrêbie obszarów zurbanizowanych. Opisano wsposób szczegó³owy procedurê tworzenia map temperatury powierzchni na podstawie da-nych LANDSAT z zastosowaniem algorytmu �pojedynczego okna� i zaprezentowano autor-ski zestaw narzêdzi TRS Tools dla programu ArcGIS Desktop. Ponadto, przedstawiono ischarakteryzowano przyk³adow¹ mapê temperatury powierzchni obejmuj¹c¹ zasiêgiem ob-szar Krakowa i okolice miasta. Omówiono równie¿ mo¿liwo�ci dalszego przetwarzania warstwLST z wykorzystaniem narzêdzi GIS.

Satelity LANDSAT i mo¿liwo�ci ich wykorzystaniaw badaniach struktury termicznej powierzchni miast

Historia realizowanego przez NASA (National Aeronautics and Space Administration) iUSGS (U.S. Geological Survey) programu satelitarnego LANDSAT siêga 23 lipca 1972roku, kiedy wystrzelony zosta³ pierwszy z serii satelitów, których pierwotnym celem by³opozyskiwanie obrazów powierzchni l¹dów do badañ przemian �rodowiska przyrodniczego.Pierwsze satelity tej serii (LANDSAT 1-4) wyposa¿one by³y w system kamer telewizyjnychoraz radiometr MSS (MultiSpectral Scanner) rejestruj¹cy obraz w czterech zakresach spek-tralnych o rozdzielczo�ci przestrzennej 79x56 m. Pierwsza generacja satelitów LANDSATnie mia³a jednak mo¿liwo�ci rejestrowania obrazu w zakresie podczerwieni termalnej. Dopie-ro nowy radiometr TM (Thematic Mapper), zainstalowany na pok³adzie umieszczonegona orbicie 1 marca 1984 roku satelity LANDSAT-5, umo¿liwi³ pozyskiwanie obrazówtermalnych o rozdzielczo�ci przestrzennej 120x120 m1. Poza kana³em termalnym (za-kres: 10,4-12,5 µm), radiometr TM rejestruje obrazy w sze�ciu innych zakresach spektral-nych w rozdzielczo�ci przestrzennej 30x30 m: 3 kana³y w zakresie widzialnym: 0,45-0,52 µm(VIS Blue), 0,52-0,6 µm (VIS Green), 0,63-0,69 (VIS Red), kana³ w bliskiej podczerwieni(NIR) w zakresie: 0,76-0,9 µm oraz 2 kana³y w podczerwieni �redniej (MIR) w przedzia³ach

1 Rozdzielczo�æ obrazów w kanale termalnym jest ni¿sza ni¿ w pozosta³ych kana³ach, poniewa¿ odbie-rany w zakresie podczerwieni termalnej sygna³ jest znacznie s³abszy ni¿ w zakresie promieniowania widzial-nego oraz bliskiej i �redniej podczerwieni. Aby moc sygna³u by³a wystarczaj¹ca do wywo³ania reakcji wdetektorze, pole widzenia musi byæ wiêksze (Osiñska-Skotak, Madany, 1998).

141ZASTOSOWANIE ALGORYTMU �POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA MAP TEMPERATURY ...

d³ugo�ci fali: 1,55-1,75 µm i 2,08-2,35 µm. Satelita LANDSAT-5 dzia³a nieprzerwanie po dzi�dzieñ, co oznacza ¿e seria danych zarejestrowanych przez radiometr TM ma przesz³o 27 lat.

Wystrzelony 5 pa�dziernika 1993 roku LANDSAT-6 wskutek problemów technicznychnie osi¹gn¹³ orbity.

Aktualnie na orbicie znajduje siê jeszcze jeden (ostatni z dotychczas wystrzelonych) sate-lita serii LANDSAT oznaczony numerem 7. Eksploatowany od 15 kwietnia 1999 roku satelitaposiada na swoim pok³adzie unowocze�niony radiometr ETM+ (Enhanced Thematic Map-per Plus). Wykonuje on obrazy powierzchni Ziemi w tych samych zakresach spektralnychco radiometr TM, przy czym zosta³ dodatkowo wzbogacony o kana³ panchromatyczny opodwy¿szonej rozdzielczo�ci przestrzennej 15x15 m (zakres widzialny poszerzony o blisk¹podczerwieñ: 0,5-0,9 µm). Zwiêkszona zosta³a równie¿ rozdzielczo�æ przestrzenna kana³utermalnego do 60x60 m. Niestety w maju 2003 awarii uleg³ jeden z elementów instrumentuETM+ i od tamtej pory dane dostarczane przez satelitê nie s¹ pe³nowarto�ciowe.

Satelity LANDSAT-5 i LANDSAT-7 poruszaj¹ siê po orbitach ko³owych, prawie bieguno-wych, heliosynchronicznych znajduj¹cych siê na wysoko�ci 705 km. K¹t nachylenia osiorbity do p³aszczyzny równika wynosi 98,2°, czas obiegu satelity wokó³ Ziemi � 99 minut, aokres rewizyty 16 dni. Szeroko�æ pasa obrazowania wynosi 185 km (Irish, 2003, LandsatProgram webpage).

Najd³u¿szy program satelitarnych obserwacji powierzchni Ziemi bêdzie kontynuowany wprzysz³o�ci. Na grudzieñ 2012 roku zaplanowano wystrzelenie satelity LDCM (Landsat DataContinuity Mission) � nastêpcy LANDSAT-7.

Na podstawie analizy porównawczej map temperatury powierzchni opracowanych na pod-stawie obrazów termalnych LANDSAT-5/TM i analogicznych obrazów pozyskanych przezsatelity Terra/MODIS, Meteosat-9/SEVIRI i NOAA-17/AVHRR w tym samym czasie, okre�lo-no s³abe i mocne strony danych LANDSAT w kontek�cie ich wykorzystania do badañ warun-ków termicznych w obszarach zurbanizowanych (Walawender, Hajto, 2009). W�ród zaletnale¿y wymieniæ du¿¹ rozdzielczo�æ przestrzenn¹ obrazów termalnych (TM � 120x120 m,ETM+ � 60x60 m), która daje mo¿liwo�æ okre�lenia szczegó³owych zale¿no�ci w rozk³adzietemperatury powierzchni miasta oraz badania zró¿nicowania warunków termicznych w obrê-bie miasta w zale¿no�ci od rodzaju u¿ytkowania powierzchni miejskiej (w skali pojedynczychbudynków, ulic, parków, cieków wodnych itd.), jak równie¿ identyfikacjê pojedynczych �róde³emisji ciep³a antropogenicznego. Inn¹ zalet¹ jest d³uga, 27-letnia seria dostêpnych danych dlaradiometru TM. Z drugiej strony, powa¿nym mankamentem danych LANDSAT jest ma³a roz-dzielczo�æ czasowa. Satelita rejestruje obraz tego samego obszaru co 16 dni, o sta³ej porzednia, co ogranicza mo¿liwo�æ wykorzystania tych danych do badañ zmienno�ci temperaturypowierzchni w skali dobowej, miesiêcznej i rocznej, bior¹c pod uwagê, ¿e znaczna liczbadostêpnych scen jest zachmurzona. Z tego wzglêdu dane LANDSAT znajd¹ przede wszystkimzastosowanie w analizach typu case study (studium przypadku) w celu detekcji emitorówciep³a i obszarów ch³odu w przestrzeni miejskiej. Ograniczeniem danych LANDSAT z punktuwidzenia metodyki przeliczenia warto�ci pikseli obrazu termalnego do warto�ci temperaturypowierzchni jest tylko jeden kana³ termalny radiometrów TM i ETM+, co wymusza stosowa-nie algorytmów �pojedynczego okna� (mono-window/single-channel).

Za odbiór, przetwarzanie i archiwizacjê danych LANDSAT oraz za opracowanie i dystrybucjêproduktów satelitarnych opracowanych na bazie tych danych odpowiada USGS. W styczniu2009 roku archiwum danych LANDSAT zgromadzonych przez USGS zosta³o otwarte. Tymsamym, praktycznie wszystkie dane zarejestrowane przez satelity LANDSAT-5/TM i LANDSAT-

142 JAKUB WALAWENDER, MONIKA HAJTO, PIOTR IWANIUK

7/ETM+ zosta³y udostêpnione bezp³atnie. Dostêp do danych u³atwiaj¹ specjalnie utworzone inter-netowe przegl¹darki: GLOVIS (The USGS Global Visualisation Viewer) pod adresem http://glovis.usgs.gov oraz EarthExplorer http://edcsns17.cr.usgs.gov/NewEarthExplorer/.

Procedura obliczania temperatury powierzchni Ziemina podstawie danych LANDSAT

W artykule prezentowana jest metoda obliczania temperatury powierzchni Ziemi na pod-stawie danych LANDSAT z wykorzystaniem algorytmu �pojedynczego okna� (Single-Chan-nel Algorithm) opracowanego przez Jiménez-Munoz i Sobrino (2003). Procedura sk³ada siêz 5 etapów.

Etap 1

Konwersja warto�ci pikseli obrazutermalnego LANDSAT TM i ETM+ (wformacie LPGS) do rejestrowanejprzez czujnik radiancji spektralnejLs (w W�m-2�sr-1�µm-1) zgodnie z rów-naniem:

(1)

gdzie: DN (Digital Number) to war-to�æ piksela; gain (nachylenie) i bias(przesuniêcie) to wspó³czynniki kon-wersji DN do radiancji.

Warto�ci gain i bias dla kana³u ter-malnego radiometru TM i ETM+ zawarto w tabeli.

Etap 2

Transformacja spektralnej radiancji (zarejestrowanej na poziomie czujnika) na tempera-turê radiacyjn¹ z zastosowaniem odwrotno�ci prawa Plancka i przy u¿yciu sta³ych kalibra-cyjnych specyficznych dla kana³u 6 TM/ETM+ LANDSAT (Irish, 2003):

(2)

gdzie: K1 i K2 s¹ sta³ymi kalibracyjnymi kana³u termalnego dla konkretnego radiometru (tabela).

Etap 3

Obliczenie warto�ci temperatury powierzchni czynnej (LST) za pomoc¹ algorytmu �po-jedynczego okna� (Jiménez-Munoz, Sobrino, 2003; Sobrino i in., 2004; Jiménez-Munoz i in.,2009; Cristóbal i in., 2009):

ELDV'1JDLQ/V ��

Tabela. Warto�ci sta³e stosowane w algorytmie �pojedyn-czego okna� dla kana³u termalnego radiometrów

TM i ETM+ (Chander i in., 2009)

]aktsondej[a³atS MT/5-tasdnaL6³anak

+MTE/7-tasdnaL6³anak

niag 673550,0 502730,0

saib 81,1 597261,3

K1 [ m�W 2- rs� 1- � mµ 1- ] 67,706 90,666

K2 [K] 65,0621 17,2821

l [ mµ ] 754,11 72,11

¸̧¹

·¨̈©

§�

�OQ �

�

V

V

/.

.7

143ZASTOSOWANIE ALGORYTMU �POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA MAP TEMPERATURY ...

(3)

gdzie: e jest emisyjno�ci¹ powierzchni czynnej; g i d to parametry zale¿ne od funkcji Planc-ka; a y1, y2 i y3 s¹ funkcjami atmosferycznymi (patrz: wzór 4a). Parametry g i d s¹ wylicza-ne z wzorów:

(4a)

(4b)

gdzie c1 i c2 s¹ radiacyjnymi sta³ymi Plancka (c1 = 1,19104�108 W�µm4�m-2�sr-1;c2 = 1,43877�104 µm�K); l oznacza efektywn¹ d³ugo�æ fali (tabela).

Algorytm �pojedynczego okna� uwzglêdnia wp³yw atmosfery oraz zró¿nicowania w³a-�ciwo�ci emisyjnych ró¿nych powierzchni Ziemi na pomiar.

Korygowanie danych pomiarowych o wp³yw atmosfery

Aby skorygowaæ dane pomiarowe o wp³yw atmosfery obliczono specyficzne dla terenubadañ parametry atmosferyczne (transmisyjno�æ atmosfery � t, oddolne promieniowanieatmosferyczne � L i odgórne promieniowanie atmosferyczne � L¯). Wykorzystano w tymcelu �webowy� interfejs pod nazw¹ Atmospheric Correction Parameter Calculator (ACPC)(Barsi i in., 2003; 2005). ACPC dostêpny jest pod adresem http://atmcorr.gsfc.nasa.gov.Narzêdzie to u¿ywa globalnych profili atmosferycznych modelowanych w National Centersfor Environmental Prediction (NCEP), modelu transferu promieniowania MODTRAN orazalgorytmów ca³kowania. ACPC wymaga podania dok³adnej daty, czasu i po³o¿enia geogra-ficznego. Istnieje równie¿ mo¿liwo�æ okre�lenia lokalnych warunków (wysoko�æ n.p.m.,zmierzone warto�ci ci�nienia atmosferycznego, temperatury i wilgotno�ci wzglêdnej powie-trza), które determinuj¹ interpolacjê modelowanego profilu atmosferycznego. Dla prezento-wanego w dalszej czê�ci artyku³u przyk³adu (rys. 2) pos³u¿ono siê danymi pomiarowymi zestacji synoptycznej IMGW-PIB w Krakowie-Balicach.

Parametry atmosferyczne

Oszacowane dla wybranej lokalizacji parametry atmosferyczne (t, L i L¯ ) s³u¿¹ nastêp-nie do wyliczenia funkcji atmosferycznych (y1, y2 i y3), bêd¹cych koniecznymi zmiennymiwej�ciowymi do algorytmu �pojedynczego okna� (3). Funkcje atmosferyczne s¹ zdefinio-wane nastêpuj¹co:

(5a)

(5b)

(5c)

G\\\H

J ��� @���> ��� V//67

�

�

�

�� �

�

°¿

°¾½

°̄°®­

»¼

º«¬

ª� O

OJ

F

/

7

/F V

V

V

VV 7/ ��� JG¯

¯

W\

��

W\

np ��

//�

p /�\

144 JAKUB WALAWENDER, MONIKA HAJTO, PIOTR IWANIUK

Emisyjno�æ powierzchni Ziemi

Aby oszacowaæ emisyjno�æ powierzchni Ziemi (LSE � Land Surface Emissivity) zasto-sowano metodê opart¹ o znormalizowany ró¿nicowy wska�nik ro�linno�ci (Normalized Dif-ference Vegetation Index � NDVI). Wska�nik ten bazuje na w³a�ciwo�ciach radiacyjnychchlorofilu, który silnie absorbuje �wiat³o widzialne w procesie fotosyntezy, a tak¿e na struk-turze komórek li�ci, która silnie odbija promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni.NDVI dostarcza informacjê o pokryciu ro�linno�ci¹ zielon¹ (Tucker, 1979). W przypadkudanych LANDSAT TM i ETM+, NDVI jest obliczane jako kombinacja 3 i 4 kana³u spektral-nego (KS):

(6)

Metoda progów NDVI (NDVITHM � Normalized Difference Vegetation Index ThresholdsMethod) zak³ada sta³e warto�ci progowe NDVI w celu rozró¿nienia pikseli �glebowych�(NDVI < NDVIS), pikseli z bujn¹ ro�linno�ci¹ (NDVI > NDVIV) oraz pikseli mieszanych(NDVIS £ NDVI £ NDVIV), z³o¿onych z gleby i ro�linno�ci (Sobrino et al., 2008).

Warto�ci NDVIS = 0,2 i NDVIV = 0,5 zaproponowane przez Sobrino i Raissouni (2000)umo¿liwiaj¹ stosowanie metody w warunkach globalnych. W danej pracy ogólne za³o¿eniametody NDVITHM zosta³y uproszczone. Przyjêto emisyjno�æ pikseli z sam¹ gleb¹ równ¹0,96 (PV = 0 i Cl = 0, wiêc e = eSl = 0,96), a emisyjno�æ pikseli w pe³ni pokrytych ro�linno-�ci¹ równ¹ 0,99 (PV = 1 i Cl = 0,005, wiêc e = eVl + Cl = 0,985 + 0,005 = 0,99). Emisyjno�æpikseli mieszanych obliczono za pomoc¹ poni¿szego wzoru (Sobrino i in., 1990):

(7)

gdzie: eVl i eSl to odpowiednio emisyjno�æ dla bujnej ro�linno�ci i odkrytej gleby (dla kana³utermalnego TM/ETM+ LANDSAT), PV to udzia³ ro�linno�ci (u³amkowe pokrycie ro�linno-�ci¹), Cl jest wyra¿eniem uwzglêdniaj¹cym wp³yw wg³êbieñ terenu zwi¹zanych z szorstko-�ci¹ pod³o¿a � jego warto�æ mo¿na wyliczyæ nastêpuj¹co:

(8)

gdzie: F' jest parametrem geometrii powierzchni o zakresie warto�ci miêdzy 0 a 1 (w tejpracy wybrano �redni¹ warto�æ F' = 0,55).

Udzia³ ro�linno�ci (PV) zosta³ oszacowany z warto�ci NDVI wed³ug formu³y podanej wpracy Carlson i Ripley (1997):

(9)

Zastosowana w tej pracy metodyka obliczania LSE generuje b³¹d pomiêdzy warto�ciamimodelowanymi a pomiarowymi rzêdu 1% (Sobrino i in., 2008). Trzeba jednak zauwa¿yæ, ¿emetoda NDVITHM zani¿a warto�ci emisyjno�ci dla wód do zakresu 0,90-0,93, podczas gdyw pa�mie widzialnym i podczerwonym powinny byæ one bliskie 1. Jest to równie¿ istotnaniedok³adno�æ, która podana zosta³a dalszej korekcji.

����

.6.6

.6.61'9,

��

� � OOOO HHH &33 9699 ����� �

� � � �996 3)& ����� �� OOO HH

�

¸̧¹

·¨̈©

§��

69

69 1'9,1'9,

1'9,1'9,3

145ZASTOSOWANIE ALGORYTMU �POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA MAP TEMPERATURY ...

Zani¿one warto�ci LSE zosta³y skorygowane autorskim sposobem, w trzech krokach:1) klasyfikacja pikseli �wodnych� poprzez podzielenie arytmetyczne obrazu z kana³u 4

(NIR) przez obraz z kana³u 1 (VIS Blue);2) wyekstrahowanie obrazu wynikowego przez maskê wód utworzon¹ za pomoc¹ GMES

Urban Atlas PL003L Dataset2 (usuniêcie pikseli b³êdnie sklasyfikowanych jako wody);3) przypisanie nowej warto�ci równej 0,995 wyekstrahowanym �wodnym� pikselom.Otrzymane warto�ci wyj�ciowe LSE (e) s¹ niezbêdn¹ zmienn¹ wej�ciow¹ w algorytmie

�pojedynczego okna� (3).Zasadniczo zastosowanie metody NDVITHM dla obszarów zurbanizowanych nie jest ide-

alnym rozwi¹zaniem z uwagi na olbrzymi¹ zmienno�æ powierzchni sztucznych o skrajnieró¿nych warto�ciach emisyjno�ci. Jej zastosowanie jest pewnego rodzaju uproszczeniemprzyjêtym przez autorów przy za³o¿eniu, ¿e zdecydowana wiêkszo�æ pikseli w obszarachzurbanizowanych (bior¹c pod uwagê rozdzielczo�æ przestrzenn¹ obrazów LANDSAT) jestpikselami mieszanymi, których warto�æ DN jest �redni¹ wa¿on¹ odpowiedzi spektralnej za-równo powierzchni naturalnych, jak i sztucznych.

Pakiet narzêdzi TRS Toolsdla ArcGIS Desktop

Opracowany zestaw narzêdzi ThermalRemote Sensing (TRS) Tools poszerza funk-cjonalno�æ programu ArcGIS Desktop omo¿liwo�æ automatycznego przeliczenia war-to�ci pikseli obrazów LANDSAT TM lubETM+ do warto�ci emisyjno�ci powierzch-ni, temperatury radiacyjnej oraz temperatu-ry powierzchni z zastosowaniem opisanej po-wy¿ej procedury.

TRS Tools jest odrêbn¹ skrzynk¹ narzê-dziow¹ ArcToolbox (rys. 1), która zawierazestaw narzêdziowy Landsat, obejmuj¹cytrzy narzêdzia utworzone z wykorzystaniemjêzyka skryptowego Python:

2 GMES European Urban Atlas v.1.1 � wektorowa baza danych o pokryciu terenu dla du¿ych strefmiejskich zamieszka³ych przez wiêcej ni¿ 100 000 mieszkañców. Kod: PL003L oznacza Aglomeracjê Kra-kowsk¹. Klasa wód zawiera: stawy rybne (naturalne i sztuczne), rzeki (tak¿e skanalizowane) oraz kana³y.Minimalna powierzchnia uwzglêdnionego obiektu na warstwie: 1ha. �ród³o: Europejska Agencja �rodowiska� EEA, European Environmental Agency (www.eea.europa.int), Mapping Guide for a European Urban Atlasv. 1.01, 2010.

Rys. 1. Skrzynka narzêdziowa TRS Tools

146 JAKUB WALAWENDER, MONIKA HAJTO, PIOTR IWANIUK

Thermal Band DN to Brightness Temperature � s³u¿y do przeliczania warto�ci pikseli(DN) obrazu termalnego satelitów LANDSAT-5 TM i LANDSAT-7 ETM+ do radiancji spek-tralnej (Ls) i temperatury radiacyjnej (BT). Dane wyj�ciowe: obraz LANDSAT w kanale 6TM/ETM+ i sta³e: gain, bias, K1 i K2.

Dodatkowo narzêdzie umo¿liwia dociêcie obrazu do zadanego zasiêgu (obszaru badañ) idaje mo¿liwo�æ transformacji wynikowych warstw rastrowych do uk³adu PUWG-92.

NDVI Thresholds � pozwala wygenerowaæ rastrow¹ warstwê emisyjno�ci powierzchni(LSE) na podstawie utworzonej wcze�niej warstwy NDVI. Dane wej�ciowe: obrazy LAND-SAT w kanale 3 i 4. Dodatkowo narzêdzie umo¿liwia dociêcie obrazu do zadanego zasiêgu(obszaru badañ) i daje mo¿liwo�æ transformacji wynikowych warstw rastrowych do uk³aduPUWG-92.

Retrieve LST (Single-Channel Algorithm) � umo¿liwia wygenerowanie rastrowej war-stwy temperatury powierzchni w K i °C (dane wej�ciowe: rastrowe warstwy radiancji spektral-nej, temperatury radiacyjnej i emisyjno�ci powierzchni, parametry atmosferyczne: t, Lh, L¯).

Wykorzystanie danych LANDSAT i technik GIS do ocenyzró¿nicowania warunków termicznych miasta

(na przyk³adzie aglomeracji krakowskiej)

Jednym z najczêstszych zastosowañ obrazów termalnych LANDSAT i opracowywa-nych na ich podstawie map temperatury powierzchni Ziemi jest badanie zró¿nicowania wa-runków termicznych w obszarach zurbanizowanych. Obrazy satelitarne o rozdzielczo�ciprzestrzennej 120 m i 60 m daj¹ bowiem mo¿liwo�æ precyzyjnej oceny struktury termicznejmozaikowych powierzchni aglomeracji miejskich. Mozaikowo�æ powierzchni miast wi¹¿esiê z du¿¹ zmienno�ci¹ przestrzenn¹ typów u¿ytkowania obszarów miejskich, powsta³¹ wwyniku dzia³alno�ci cz³owieka. Jak wynika z wcze�niejszych badañ (Voogt, Oke, 2003; Wengi in., 2004; Stathopoulou, Cartalis, 2007; Walawender, 2006; 2009), rodzaj u¿ytkowaniaterenu �ci�le determinuje temperaturê powierzchni, a ta wyra�nie wp³ywa na temperaturê wprzypowierzchniowej warstwie powietrza, co daje podstawy do wykorzystywania satelitar-nych obrazów termalnych w badaniach intensywno�ci miejskiej wyspy ciep³a. Przy czym,w tego rodzaju badaniach niezbêdna jest weryfikacja danych satelitarnych w oparciu o danepozyskane za pomoc¹ tradycyjnych pomiarów instrumentalnych.

Rysunek 2 przedstawia przyk³adow¹ mapê temperatury powierzchni czynnej na obszarzemiejsko-przemys³owej aglomeracji krakowskiej w dniu 26 lipca 2000 roku. Mapa utworzonazosta³a w programie ArcGIS Desktop z zastosowaniem procedury oraz narzêdzi zaprezento-wanych w artykule.

26 lipca 2000 roku by³ dniem ciep³ym z maksymaln¹ temperatur¹ powietrza w Krakowie-Balicach 26,6°C. Minimum temperatury powietrza poprzedniej nocy wynios³o 14,4°C. Wgodzinach 9-10 UTC temperatura powietrza mia³a �redni¹ warto�æ 24,8°C, wilgotno�æ wzglêd-na wynosi³a oko³o 50%, a zachmurzenie by³o ma³e (na rysunku 2 widoczne chmury napó³nocny-zachód od Krakowa). W godzinach przedpo³udniowych wia³ s³aby wiatr z kierun-ków zmiennych.

Na utworzonej mapie widaæ wyra�nie du¿e zró¿nicowanie przestrzenne temperatury po-wierzchni na obszarze Krakowa zwi¹zane z du¿¹ ró¿norodno�ci¹ typów u¿ytkowania terenu.

147ZASTOSOWANIE ALGORYTMU �POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA MAP TEMPERATURY ...

Najwy¿sz¹ emisj¹ ciep³a antropogenicznego charakteryzuje siê centrum miasta oraz obszaryprzemys³owe (przede wszystkim obszar kombinatu metalurgicznego), a tak¿e inne miejscazwi¹zane z intensywn¹ dzia³alno�ci¹ cz³owieka. Najni¿szymi warto�ciami temperatury cha-rakteryzuj¹ siê powierzchnie akwenów wodnych oraz lasów i parków miejskich.

Uzyskanie bardziej szczegó³owych informacji na temat zró¿nicowania warunków ter-micznych na obszarze Krakowa i okolic miasta jest mo¿liwe poprzez integracjê map tempe-ratury powierzchni, opracowanych na podstawie danych satelitarnych LANDSAT z innymibazami danych przestrzennych z wykorzystaniem narzêdzi GIS. Przyk³adem takiej analizyjest mo¿liwo�æ automatycznego obliczenia statystyk strefowych dla ró¿nych klas u¿ytkowa-nia terenu oraz tworzenia wielokrotnych przekrojów poprzecznych dla dowolnej liczby warstw(Walawender, 2006; 2009). Szerokie zastosowanie ma równie¿ dostêpna w GIS algebra map,która mo¿e zostaæ wykorzystana do obiektywnej analizy porównawczej map LST dla ró¿nychterminów, czy na przyk³ad celem okre�lenia korelacji pomiêdzy warto�ciami LST i NDVI,stosowanej przez niektórych autorów do okre�lenia zasiêgu oddzia³ywania miasta (Gallo i in.,1995; Gallo, Tarpley, 1996; Kim et al., 2005: Yuan, Bauer, 2007). Narzêdzia GIS mog¹ zostaærównie¿ wykorzystane podczas procedury walidacji map temperatury powierzchni z wykorzy-staniem tradycyjnych pomiarów temperatury prowadzonych in situ (na powierzchni Ziemi).

Podsumowanie

Prezentowany algorytm �pojedynczego okna� umo¿liwia opracowanie map temperaturypowierzchni Ziemi na podstawie danych LANDSAT TM i ETM+. Radiometry te wyposa¿o-ne s¹ tylko w jeden kana³ termalny, co wymaga bardziej skomplikowanej procedury przetwa-rzania obrazu i co za tym idzie � sporej liczby przetworzeñ. Dlatego niezbêdne by³o opraco-wanie zestawu narzêdzi umo¿liwiaj¹cego generowanie tych map w sposób automatyczny.Opracowany zestaw narzêdzi TRS Tools dla ArcGIS Desktop mo¿e zostaæ udostêpnionyprzez autorów do celów naukowych.

Dane LANDSAT stanowi¹ ciekawe �ród³o informacji o temperaturze powierzchni czyn-nej, które mo¿e byæ wykorzystane podczas badañ zró¿nicowania warunków termicznych naobszarach zurbanizowanych, pomimo niskiej rozdzielczo�ci czasowej. Atutem tych danychjest stosunkowo wysoka rozdzielczo�æ przestrzenna, która pozwala w sposób bardziej pre-cyzyjny oszacowaæ wielko�æ kontrastu termicznego pomiêdzy ró¿nymi rodzajami powierzch-ni, powsta³ego wskutek zró¿nicowania ich w³a�ciwo�ci emisyjnych. Pozyskane na podsta-wie tego typu badañ informacje mog¹ stanowiæ podstawê dla dzia³añ prowadz¹cych doneutralizacji zak³óceñ równowagi termicznej w obrêbie miasta, a co za tym idzie, poprawyjako�ci ¿ycia ludzi.

Literatura

Barsi J.A., Barker J.L., Schott J.R., 2003: An Atmospheric Correction Parameter Calculator for a SingleThermal Band Earth-Sensing Instrument. Proc. IEEE IGARSS, 21-25 July 2003, Toulouse, France, 3014-3016.

Barsi J.A., Schott J.R. Palluconi F.D., Hook S.J., 2005: Validation of a Web-Based Atmospheric CorrectionTool for Single Thermal Band Instruments. Earth Observing Systems X, Proc. SPIE, Vol. 5882, August2005, Bellingham, WA.

Carlson T.N., Ripley D.A., 1997: On the relation between NDVI, fractional vegetation cover and leaf areaindex. Remote Sensing of Environment, 62, 241-252.

148 JAKUB WALAWENDER, MONIKA HAJTO, PIOTR IWANIUK

Chander G., Markham B.L., Helder D.L., 2009: Summary of current radiometric calibration coefficients forLandsat MSS, TM, ETM+ and EO-1 ALI sensors. Remote Sensing Environment, 113, 893-903.

Cristóbal J., Jiménez-Munoz J. C., Sobrino J. A., Ninyerola M., Pons X., 2009: Improvements in land surfacetemperature retrieval from the Landsat series thermal band using water vapour air temperature, Journal ofGeophysical Research, 114, D08103, doi: 10.1029/2008JD010616.

Gallo K.P., McNab A.L., Karl T.R., Brown J.F., Hood J.J., Tarpley J.D., 1993: The use of a Vegetation Indexfor Assessment of the urban heat island effect, International Journal of Remote Sensing, 14, 2223-2230.

Gallo K.P., Tarpley J.D., 1996: The comparison of vegetation index and surface temperature composites forurban heat island analysis, International Journal of Remote Sensing, 17, 3071-3076

GMES � Mapping Guide for a European Urban Atlas v. 1.01, 2010. www.eea.europa.intIrish R., 2003: Landsat 7 Science Data User Handbook, NASA Goddard Space Flight Centre, Greenbelt, Md.

http://landsathandbook.gsfc.nasa.govJiménez-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 (D22), 4688, doi: 10.1029/2003JD003480.

Jiménez-Munoz J.C., Cristóbal J., Sobrino J.A., Soria G., Ninyerola M., Pons X., 2009: Revision of theSingle-Channel Algorithm for Land Surface Temperature Retrieval From Landsat Thermal-Infrared Data,IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 47, 339-349, doi: 10.1109/TGRS.2008.2007125.

Kim H.M., Kim B.K., You K.S., 2005: A statistic correlation analysis algorithm between land surface tempe-rature and vegetation index, Journal of Information Processing Systems, 1, 102-106.

Landsat Program webpage. http://landsat.gsfc.nasa.gov/Osiñska-Skotak K., Madany A., 1996: Wykorzystanie danych satelitarnych LANDSAT TM do okre�lenia

warszawskiej wyspy ciep³a, Zesz. Nauk. Polit. Warsz., In¿ynieria �rodowiska, 26, 6-33.Sobrino, J.A., Li Z-L., Stoll, M.P., 1990: Significance of the remotely sensed thermal infrared measurements

obtained over a citrus orchard, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 44, 345-354.Sobrino J.A., Raissouni N., 2000: Toward Remote Sensing methods for land cover dynamic monitoring.

Application to Morocco. International Journal of Remote Sensing, 21, 353-366.Sobrino J.A., Jiménez-Munoz J.C., Paolini L., 2004: Land surface temperature retrieval from Landsat TM 5,

Remote Sensing of Environment, 90, 434-440.Sobrino J. A., Jiménez-Munoz J.C., Soria G., Romaguera M., Guanter L., Moreno J., Plaza A., Martínez P.,

2008: Land surface emissivity retrieval from different VNIR and TIR sensors, IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing, 46, 316-327, doi:10.1109/TGRS.2007.904834.

Stathopoulou M., Cartalis C., 2007: Daytime urban heat islands from Landsat ETM+ and Corine land coverdata: An application to major cities in Greece. Solar Energy, 81, 358-368.

Tucker C.J., 1979: Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation, RemoteSensing of the Environment, 8, 127-150.

Voogt J. A., Oke T. R., 2003: Thermal remote sensing of urban climates, Remote Sensing of Environment, 86,370-384.

Walawender J., 2006: Zastosowanie danych satelitarnych serii Landsat i technik GIS w badaniach krakow-skiej wyspy ciep³a, Annales UMCS Sectio B, 61, 446-457.

Walawender J., 2009: Wykorzystanie danych satelitarnych Landsat i technik GIS w badaniach warunkówtermicznych miasta (na przyk³adzie aglomeracji krakowskiej), Prace Geograficzne, Instytut Geografii iGospodarki Przestrzennej UJ, 122, 81-98.

Walawender J., Hajto M., 2009: Assessment of thermal conditions in urban areas with use of different satellitedata and GIS, Proc. 2009 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, 21-25 September 2009, Bath,United Kingdom.

Weng Q., Lu D., Schubring J., 2004: Estimation of land surface temperature - vegetation abundance relation-ship for urban heat island studies, Remote Sensing of Environment, 89, 467-483.

Yuan F., Bauer M.E., 2007: Comparison of impervious surface area and normalized difference vegetation indexas indicators of surface urban heat island effects in Landsat imagery, Remote Sensing of Environment, 106,375-386.

149ZASTOSOWANIE ALGORYTMU �POJEDYNCZEGO OKNA� DO OPRACOWANIA MAP TEMPERATURY ...

Abstract

This is a comprehensive paper in Polish including a detailed explanation of land surface temperatureextraction algorithm formed by J. C. Jiménez-Muñoz and J. A. Sobrino. The paper presents TRS Tools �additional ArcGIS Desktop toolset for automatic brightness temperature, land surface emissivity andland surface temperature extraction developed by the authors. A special attention was paid to practicaluse of land surface temperature maps derived from LANDSAT data for the research on spatial distribu-tion of thermal condition in urban areas exemplified by agglomeration of Krakow. A sample LST mapwas presented. Some possibilities of the use of GIS in order to perform more detailed analysis based onintegration of the created maps with spatial data from another sources were discussed.

mgr Jakub Walawenderdoktorant w Zak³adzie KlimatologiiInstytutu Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJjakub.walawender@imgw.pljakub.walawender@uj.edu.pltel.: 012 63-98-122

mgr Monika Hajtomonika.hajto@imgw.pltel.: 012 63-98-117

Piotr Iwaniukpiwaniuk@esripolska.com.pltel.: 022 390-47-27

Rys. 2. Temperatura powierzchni Krakowa i okolic miasta w dniu 26 lipca 2000 roku, godz. 9:24 UTC