Оценка температуры поверхности из снимка Landsat-8 при помощи Land Surface Temperature QGIS Plugin

Материал из GIS-Lab
Перейти к навигации Перейти к поиску

Цель статьи описать полный алгоритм оценки температуры земной поверхности по снимку Landsat-8 полуавтоматическим способом при помощи плагина QGIS "Land Surface Temperature", а также в целом рассмотреть процесс оценки температуры земной поверхности по данным Дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Статью можно рассматривать заготовкой к более обстоятельной статье на эту же тему, которой, впрочем, может и не быть. По важным вопросам приводится спектр мнений специалистов, из которых делаются выводы.

1.Какие данные ДЗЗ о температуре земной поверхности существуют в открытом доступе?

Температуру земной поверхности можно оценить по термальным спектральным каналам сенсора, то есть таким каналам, которые снимают земную поверхность в диапазоне Thermal Infrared Radiation (10-13 нм). Соответственно, эти каналы называются по-английски Thermal bands, TIRS Bands или Thermal Infrared bands.
Подробнее можно узнать в статье ДЗЗ для экологических задач. Часть 1: Введение в теорию ДЗЗ

Термальные каналы имеются лишь у некоторых сенсоров. Поэтому немного и данных ДЗЗ, по которым можно оценить температуру земной поверхности за наше время и за прошлый период. В целом, существующие данные можно разделить на два класса масштаба (в скобках указано число метров поверхности в 1 пикселе снимка для термальных каналов и годы получения данных):

Данные ДЗЗ температуры земной поверхности мелкого масштаба
  • MODIS (500 и 1000 м, 2000 – н.в.), сенсоры спутников Terra, Aqua

Температуру земной поверхности можно получить в готовом виде через продукты "Thermal Anomalies and Fire". Подробнее: MODIS Products Table

  • Suomi NPP (650 м, 2011 – н.в.)

Подробнее: Suomi NPP: краткая характеристика

Данные ДЗЗ температуры земной поверхности среднего масштаба
  • ASTER (90 м, 2000 – н.в.), сенсор спутника Terra

Температуру земной поверхности можно получить в готовом виде через продукт AST_08 (ASTER L2 Surface Temperature V003). Подробнее: AST_08: ASTER Surface Kinetic Temperature V003

  • Данные спутников Landsat:

Landsat-8 (100 м, 2013 – н.в.)
Landsat-7 (60 м, 1999- н.в.)
Landsat-5 (120 м, 1984-2013)
Landsat-4 (120 м, 1982-1993)

Для научных и практических исследований регионального масштаба наибольшую ценность представляют данные температуры земной поверхности среднего масштаба. На время написания статьи, Landsat-8 дает наилучшие данные о температуре земной поверхности среднего масштаба. В целом данные о температуре земной поверхности можно получить с 1982 года (года запуска Landsat-4).

В последние годы сенсор ASTER по неясным причинам значительно (вероятно, во много раз) сократил объем снимков. На многие или на все участки земной поверхности уже нельзя получить данные за любой интересующий период, наблюдаются провалы в несколько лет без снимков вообще. До 2013 г такого за данными ASTER не замечалось.

Снимки Landsat-7 с 31 мая 2003 г идут с дефектом, который не отражается на точности данных, но значительно сокращает их объем и снижает удобство их использования (усложняет обработку). Однако, разрешение термального канала Landsat-7 (60 м) при этом остается самым высоким из когда-либо существовавших в открытом доступе.

В статье мы рассмотрим расчет данных температуры земной поверхности по снимку Landsat-8 на май 2018 года. Однако изложенные аспекты оценки температуры земной поверхности можно применять и при расчете температуры поверхности по Landsat-4 Landsat-5 и Landsat-7 (в последнем не забывая о техническом дефекте, решение которого данная статья не рассматривает).

2.Факторы, которые необходимо учитывать при оценке температуры земной поверхности на основе снимка Landsat-8

При оценке температуры поверхности по данным Landsat-8 нужно учитывать два фактора, которые определяют разнообразие методов расчета температуры и, соответственно, различающийся итоговый результат и точность оценки. Это:

  • Коррекция снимков Landsat
  • Учет разного характера излучательной способности земной поверхности (emissivity)

Эти факторы мы рассмотрим в ходе соответствующих шагов по построению карты температуры.


Из-за наличия этих факторов не существует единственного алгоритма расчета температуры поверхности по снимку Landsat-8, на который просто можно дать ссылку. В принципе, температуру поверхности по Landsat-8 можно рассчитать в любом растровом калькуляторе. Именно это предлагают сделать многочисленные руководства (видео-мануалы, блоги) легко находимые в Google по поисковым словам. Однако, если вы хотите воспользоваться таким руководством, разберитесь в сути формул, которые они используют, поскольку разные расчеты дают разные результаты и точность. Иначе говоря, разные пособия предлагают разные методы расчета температуры по Landsat-8. Пользователям при этом не сообщается о заложенном в данном пособии принципе.

3. Алгоритм оценки температуры поверхности из снимка Landsat-8 при помощи Land Surface Temperature QGIS Plugin

Шаг 1. Скачиваем снимок

Скачиваем снимок Landsat-8 на интересующую территорию и дату. Желательно выбирать снимки с отсутствием или небольшой (до 3-5%) облачностью, или же следить (через функции предпросмотра), чтобы облака не покрывали территорию интереса. Ссылки на некоторые популярные ресурсы выбора и скачивания снимков Landsat-8 представлены ниже:


Мы будем строить карту по данным снимка LC08_L1TP_220076_20180501_20180501_01_RT, который можно скачать или по данной ссылке, или, например, в EarthExplorer, пройдя по Data Sets > Landsat > Landsat Collection 1 Level-1

Информация о дате и точном времени съемки можно найти в текстовом файле MLT, который приложен к общему набору скачиваемых данных. Открываем его в Блокноте и видим, что снимок сделан 1 мая 2018 года в 13:09:42. 

DATE_ACQUIRED = 2018-05-01, SCENE_CENTER_TIME = "13:09:42.0926400Z"

Время съемки указано в GMT (Greenwich Mean Time), о чем также говорит буква Z ("Zulu time", аналог GMT). Подробнее – здесь.

Шаг 2. Узнаем про коррекции снимков Landsat

Рассмотрим первый "усложняющий жизнь" фактор – коррекцию снимков Landsat.

По ранним данным Landsat мы привыкли, что снимки Landsat поступает к пользователю в сыром виде и их нужно долго и страшно как-то корректировать. Однако с 2016 года всё стало значительно лучше. И теперь ВСЕ данные Landsat, то есть Landsat-1,4,5,7 и 8 поставляются уже с геометрической и радиометрической коррекцией. Такими к нам поступают снимки, называющиеся в наборах Landsat Level-1 Data Processing Levels или Landsat Level-1 data product или L1TP.

"L1TP" - входит в название скачиваемого продукта, например, как на нашем снимке по которому мы будем строить температуру:

LC08_L1TP_220076_20180501_20180501_01_RT

Если же снимки Landsat имеют в названии L1GT или L1GT, то это означает, что они не выдерживают критерии по пройденным коррекциям, которые имеет основная часть снимков Landsat (L1TP), то есть надо дополнительно изучать, как и для чего можно использовать такие данные. Для неискушенного пользователя можно сделать вывод – их не надо использовать. :)

Подробнее можно узнать по ссылкам:
Landsat Processing Details
Landsat Collections

Источник — https://wiki.gis-lab.info/index.php?title=Оценка_температуры_поверхности_из_снимка_Landsat-8_при_помощи_Land_Surface_Temperature_QGIS_Plugin&oldid=26231