Dálkový průzkum země v termální části spektra Metoda pasivní nepřímá yzikální podstata Mm Mm Mm Mm mm ulnouá délka Termální oblast spektra zahrnuje vlnové délky od 3 |im (atmosférická okna v intervalech 3-5 |im a 8-12 jim), v oblastí 3-5 |im velká intenzita odraženého záření Slunce -měření pouze v noci, v oblasti 8-12 podíl Slunce malý, možno měřit i ve dne • Ovlivnění okolními podmínkami, atmosférou, nutné znát emisivitu objektů • Intenzita elektromagnetického záření v těchto vlnových délkách je malá • V těchto vlnových délkách převažuje vlastní vyzařování objektů nad odraženým slunečním zářením - získání informací o radiační teplotě objektů • Dlouhovlnné vyzařování je vnějším projevem energie tělesa • Termální snímky se vyznačují menší prostorovou rozlišovací schopností (Landsat 120m, Aster 90m) • Z termálních snímků lze získat charakteristiky území, které jsou klasickými metodami zjistitelné pouze bodovým měřením. • Termální část spektra umožňuje získat především informace o teplotních vlastnostech objektů (tepelná bilance objektů, povrchová teplota oceánů SST, tepelné znečištění jezer a řek, lokalizace lesních požárů) zhled termálních obrazových záznamů Termální snímek LANDSAT Thematic Mapper 6, 120 m pixel • Princip mechanooptického snímání • Čidlo - fotonové detektory ochlazované na nízkou teplotu (až -200°C) • Přístroje umožňují měřit radiační teplotu s přesností 0,1° C. (brightness temperature) • Tradičním měřením teploty (teploměrem) je měřena tzv. kinetická teplota (termodynamická - meteorologie) - je interním projevem energie molekul • Stefan-Boltzmannův zákon: M =oT* • Objekty vyzařují energii jako funkci své teploty • Vyzařování je vnějším projevem energie tělesa, která je v DPZ měřena • Změřená vyzářená energie vyjadřuje tzv. radiační (jasovou) teplotu tělesa • Každé těleso, které má teplotu vyšší než absolutní nula (minus 273,15 °C) emituje záření, jehož intensita a spektrální složení jsou funkcí typů materiálu a jeho teploty. • Reálný povrch emituje pouze část záření, které by emitovalo absolutně černé těleso o stejné teplotě • Tato míra vyzařovací schopnosti každého reálného tělesa se nazývá koeficient vyzařování - emisivita (e) MR{T) £~ MA{T) MR(T) - intenzita vyzařování reálného objektu o teplotě T MA(T) - intenzita vyzařování absolutně černého tělesa o teplotě T • Většina reálných povrchů se chová jako tzv. selektivní zanc • Jejich emisivita nabývá hodnot 0 až 1 a mění se s vlnovou délkou • Určité povrchy vyzařují jako černé těleso v určitých vlnových délkách - (voda 6 až 14 (Lim). • U takových povrchů není problém měřit teplotu metodami DPZ • Hodnoty emisivity základních druhů povrchů na souši se výrazně mění v čase i v prostoru •V řadě případů lze z termálních snímků získat pouze kvalitativní informaci • Silný vliv na měření tepelné energie metodou DPZ mají meteorologické podmínky • Pro přesná měření teploty je nutné provádět tzv. atmosférické korekce Druli povrchu teplota p Cl emisi vita sníh -10 0.S5 písek 20 0?90 les 20 0,90 beton 20 0,92 suchá půda 20 0,92 vlhká půda 20 0,95 destilovaná voda 20 0,96 led -10 0.96 Hodnoty emisivity vybraných materiálů (Hudson 1969) rakce tepelného záření na zemském povrchu zákon zachování energie M, MA MR Mj = MA + MR + MT intenzita záření dopadajícího na povrch tělesa intenzita pohlceného záření intenzita odráženého záření intenzita propouštěného (vedeného) záření M, M' Mn M A + R + t M, M, M, M rakce tepelného záření ňazěmsRém povrchu Charakteristiky, které popisují schopnost povrchu absorbovat, odrážet a vést elektromagnetické záření: M R Af, a(k) - pohltivost p (A,) - odrazivost x(X) - propustnost a{A) + p{A) + t(A) = 1 Z Kirkhoffova zákona plyne, že emisivita objektu je rovna jeho pohltivosti na dané vlnové délce, (tělesa, která elm. energii intenzivně vyzařují, budou také intenzivně pohlcovat a naopak) Položku propustnosti t{X) lze považovat v DPZ za rovnu nule misivita reálných povrchů fU) + p(A) = 1 • Čím nižší je odrazivost tělesa, tím vyšší je jeho emisivita a naopak. • Emisivita vodních ploch v termální části spektra je blízká 1 • Emisivita povrchů, které výrazně odrážejí záření, je naopak nízká (kovové povrchy) imisi vita reálných povrchu Stefan - Boltzmannův zákon upravený pro reálná tělesa (množství energie vyzářené objektem je fcí jeho teploty) • V důsledku různé emisivity stejně teplých objektů termální senzor naměří odlišné hodnoty • Uvedený vztah umožňuje získat radiační teplotu reálných těles z termálních snímků a následně díky znalosti emisivity spočítat reálnou teplotu povrchu Vztah mezi radiační a reálnou teplotou povrchu M = čoT4 kin Radiační teplota povrchů je v důsledku emisivity nižší než teplota kinetická (reálná). Kalibrace teBHBWbh7Tbrazových záznamů éŕŕTke geometrickým distorzím mechanickooptického skeneru je obtížná přesná lokalizace na termálním snímku, možná kombinace leteckého a termálního (pouze ve dne) nutná přesná kalibrace senzoru • Kalibrace založená na snímání referenčních ploch o známé teplotě (obr. vpravo), přesnost 0,1-1°C, závisí na parametrech měř. systému, char. povrchu (voda přesnější než souš) • Kalibrace založená na současných pozemních měřeních teploty vzduchu, vstup atmosférických modelů - tlak vzduchu, obsah C02, teplotní profil atmosféry, princip korelace měření ve stejný čas, sestavena kalibrační křivka korigující výsledky chladná" referenceTI rotující zrcadlo "teplá" reference T2 řádek zaznamenaný termálním skenerem Tr T1 záznam reálných povrchů T2 • Termální snímky poskytují všechny meteorologické družicové systémy (METEOSAT, NOAA) a to i v několika pásmech • Snímky jsou vytvářeny i na snímcích družic pro výzkum přírodních zdrojů (LANDSAT, TERRA) • Termální snímání se často provádí i z letadel, RPAS (UAV) (termovize) • Velká většina termálních obrazových záznamů poskytuje pouze kvalitativní informaci Pásmo 3B 3,6-3,9 jxm Termální snímky z družice NOAA, skener AVHRR, 1100 m pixel Pásmo 4 10,3-11,3 um Termální snímky z družice NOAA, skener AVHRR, 1100 m pixel Pásmo 5 11,5-12,5 |nm Termální snímky z družice NOAA, skener AVHRR, 1100 m pixel ČESKÝ HYDROMETEOROLOGICKÝ ÚSTAV Aktuální data z družic MS Q 24h-MF - celodenní mikrofyzikální produkt kombinující informace z ■termálních kanálů. V červené složce je rozdíl (IR 12.0-IR 10.S) -čím je oblačnost vertikálně mohutnější^ tím je příspěvek červené barvy vyšší, V zelené složce je rozdíl (IR 10.S-IR S. 7) -ň ej větší příspěvek je pro nízkou oblačnost tvořenou drobnými kapičkami, V modré složce j e k-anál IR 10. S - čím je objekt tep lej šíj tím je vyšší příspěvek modré barvy. V takto zvolené kombinaci je vertikálně mohutná oblačnost obražena tmavě červeně^ řídké cirry tmavě m o dře, střední a nízká oblačnost okrově, hej nižší oblačnost přechází až do zelena, terén podle teploty do růžová nebo do modra, vodní hladina do modra. Barevná syntéza z termálních snímků družice METEOSAT • Termální snímky jsou většinou zobrazovány ve stupních šedi. • Obvykle světlé tóny na snímku reprezentují teplé povrchy. • Na meteorologických snímcích je škála tónů opačná. • Často se teplotní rozdíly vyjadřují v barevné stupnici (tzv. pseudobarevný režim) kanál 4 se snímku družice NOAA s barevně zvýrazněným teplotním intervalem 200-240 K Zdroj: ČHMÚ • Protože obrazy zachycují dlouhovlnnou část spektra mimo viditelné vlnové délky, mají často velmi neočekávaný vzhled daný teplotními rozdíly povrchů na snímku. • V důsledku rozdílných teplotních vlastností povrchů mají denní a noční snímky velmi odlišný vzhled. • Termální obrazové záznamy často nezobrazují ani hlavní terénní tvary • Mají málo orientačních bodů, často se proto používají v kombinaci s fotografií, snímkem z optické části spektra či mapou • Vzhled termálních obrazových záznamů je ovlivňován teplotními vlastnostmi povrchů (vodivost, tepelná kapacita, tepelná setrvačnost). • Vzhled snímků je ovlivňován dále též topografií, orientací snímaných povrchů. • Vegetační kryt vytváří velmi komplexní povrch s množstvím ke Slunci orientovaných nebo naopak zastíněných částí. • Voda výrazně mění teplotní vlastnosti povrchů. Termální snímky mohou sloužit k mapování půdní vlhkosti či obsahu vody ve vegetačním krytu. • Krátkovlnné sluneční záření bude ovlivňovat vzhled termálních snímků pouze v oblasti 3-5 |im a nebude mít vliv na delší vlnové délky (8-14 jnm). • Denní snímky v první uvedené části spektra (3-5 |um) budou obsahovat tzv. termální stíny v částech, kam nedopadá přímé sluneční záření. • Množství přijatého záření bude modifikovat také orientace svahů. • Tyto efekty jsou minimalizovány na obrazových záznamech pořízených těsně před východem Slunce. enní chod radiační teploty mální snímky denní a noem rmální snímky denní Terén bývá světlejší než voda, voda bývá velmi tmavá. Tmavšími tóny bývá znázorněn i lesní porost. Teplotní rozdíl mezi lesem a okolní volnou krajinou může být až 5° C. V denních hodinách je vedle vlastního dlouhovlnného vyzařování objektů registrováno i vyzařování okolních objektů nebo zpětné záření atmosféry, bývají denní snímky charakterizovány značnou tónovou proměnlivostí. Z tohoto důvodu se také často provádí termální snímání po západu Slunce, kdy jsou ještě patrné teplotní kontrasty různých povrchů. Termální snímky noční Na nočních snímcích bývají vodní plochy naopak teplejší než terén, který na rozdíl od vody teplo poměrně rychle ztrácí. Při teplotní inverzi, kdy se v údolích hromadí studený vzduch, bývají nižší polohy znázorněny tmavšími tóny než teplejší vyšší polohy. eplotní mapování Při přesné kalibraci termálních obrazových záznamů jich lze využít k sestavování map teplotních charakteristik studovaného území. Cílem je nalézt vztah mezi hodnotou obrazového prvku a teplotou objektu: DN = A + B £-T4 DN - hodnota naměřená termálním radiometrem A, B - kalibrační konstanty radiometru e - emisivita T - kinetická teplota Teplotní charakteristiky povrchů Na termálních snímcích lze sledovat: • Jevy a procesy bodové (např. lokalizace termálních pramenů) • Jevy a procesy plošné (např. lesní požáry). • Mnoho aplikací má pouze kvalitativní povahu (geologie, pedologie) - není třeba znát přesnou hodnotu, stačí relativní vztahy mezi objekty, některé vyžadují přesná kvantitativní měření (teplota vypouštěná z atomové elektrárny) • mapování povrchové teploty půdy • odhady radiační bilance území • studium teplotního znečištění • určování druhů hornin • lokalizace geologických zlomů • mapování půdních druhů a vodního obsahu půd • lokalizace netěsností zavlažovacích kanálů • zjišťování teplotních charakteristik vulkánů • studium evapotranspirace • lokalizace teplých a studených pramenů a gejzírů • studium cirkulace v nádržích, jezerech i mořích • lokalizace lesních požárů a požárů uhelných slojí Monitorování lesních požárů • Hodnocení rizika vzniku požárů • Detekce ohnisek a rozsahu požárů • Mapování následků požárů Peloponéský poloostrov Družice RESURS MSU-SK, Pixel 600 m Monitorování pozaru http://neo.sci.qsfc.nasa.qov/view.php?datasetld=MOD14A1 M FIRE&vear=2014 http://earthobservatorv.nasa.gov/GlobalMaps/view.php7d1 =M0D14A1 M FIRE oritmus detekce pozaru ze snímku (NOAÄ-TTÄWRfff Kalibrace, radiometrická a geometrická korekce snímků (T3)>315K NO Yes Fire clear pixel Fire pixel 1. Vyhledávaní „podezřelých" pixelů pomocí 3. pásma AVHRR Li etal., 1998 CCRS WWW ižených požárem T3-T4>14K T4 > 260 K R2 <0.22 Land cover * cropland or grassland T4 - T5 < 4.1 K and T3-T4>19K One of neighbour pixels successful at first 6 tests TRUE FIRE PIXEL Eliminates warm background Eliminates clouds Eliminates highly reflective clouds & surface Eliminates cropland and grassland false fires Eliminates thin clouds with warm background Eliminates single pixel fire Li etal., 1998 CCRS WWW apování SST (Sea Surface Temperature) z družicových měření Využitelnost SST: • Studium kolísání klimatu • Studium jevu ENSO • Vstup do GCM (Global Circulation Models) SST = a0 + 8^3 + a2T4 a0,al5a2 - konstanty odvozené empiricky z regresního vztahu T3 - radiační (jasová) teplota 3. pásma AVHRR (3,55 - 3,93 mikrometrů) T4 - radiační (jasová) teplota 4. pásma AVHRR (10,3 - 11,3 mikrometrů) Studium jevu ENSO s využitím map SST Jason-2 Sea Level Residuals APR 10 2015 40°E 80°E 12Q°E 160°E 160°W 120°W 80°W 40°W https://sealevel.jpl.nasa.gov/science/elninopdo/latestdata/ Teplota horní vrstvy bouřkové oblačnosti Cloud Top Temperature ("C) -70 -50 -30 -10 +10 Havaj, série nočních snímků z družice ASTER, plocha 9 x 12 km n1rozsah^navových=pf< Etna, termální snímek z družice ASTER, plocha 24 x 30 km Studium vulkánů ' Sopka Popocatepetl (Mexiko) Družice TERRA, skener ASTER ľ v \ Sopka Cleveland (Aleutské ostrovy) snímky z družice MODIS _3.9|jrm ll|jm ll|jm - 12|jm New York, 18.9.2001 Variabilita povrchových teplot (LST) v oblasti města Brna a okolí vypočtená z termálního snímku pořízeného družicí Landsat 5 dne 15. června 2006 a histogram dokumentující rozdělení povrchových teplot na katastrálním území Brna ^008 http://www.qeoq.ucsb.edu/~ieff/115a/remote sensinq/thermal/thermal irinfo.html http://www.realclimate.orq/index.php?p=43 http://en.wikipedia.org/wiki/Urban heat island http://emplovees.oneonta.edu/baumanpr/qeosat2/Urban Heat Island/ Urban Heat lsland.htm http://earthobservatorv.nasa.gov/GlobalMaps/view.php7d1 =MYD28M Družice TERRA, skener MODIS Teplotní poměry jsou mapovány na základě odhadu radiační teploty z termálních snímků v oblasti 11 a 12 mikrometrů.