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Aplicação da correção atmosférica para imagens de satélite Landsat-TMAndrews José de Lucena1; Otto Corrêa Rotunno Filho2; José Ricardo de Almeida França3;
Leonardo de Faria Peres4
1 Doutorando em Engenharia Civil - COPPE / UFRJ, email:[email protected]; 2 Professor Doutor da EscolaPolitécnica e da COPPE / UFRJ, e-mail: [email protected]; 3 Professor Doutor do Departamento de Meteorologia– IGEO/UFRJ, e-mail: [email protected]; 4 Professor Doutor do Departamento de Meteorologia – IGEO/UFRJ, e-
mail:[email protected]
RESUMO: Este trabalho tem como objetivo apresentar um método de correção atmosférica para atemperatura de brilho, obtida mediante a radiância da banda 6 do infravermelho termal do sensorLandsat-5 para uma cena referente à região metropolitana do Rio de Janeiro (RMRJ). Selecionadasduas imagens, uma para o inverno e outra para o verão, os resultados mostram que a temperaturacorrigida, denominada de temperatura da superfície continental (TSC), revelou valores bem maiselevados que a temperatura não corrigida.
Palavras-chave: imagem Landsat-5; correção atmosférica; temperatura da superfície continental.
ABSTRACT: The main objective of this manuscript is to present an atmospheric correctionmethod in order to remove the atmospheric effects (absorption and emission) from the brightnesstemperature in TM band 6 on board Landsat-5. After the atmospheric correction, the land-surfacetemperature was retrieved for the metropolitan region of Rio de Janeiro (RMRJ) during the winterand summer. As expected, the comparison between the brightness temperature (non-corrected) andthe land-surface temperature (corrected) show great differences demonstrating the importance of theatmospheric correction in order to isolate those features of the observation, which are intrinsic to thesurface, from those caused by the atmosphere.
Keywords: Landsat-5 image; atmospheric correction; land surface temperature.
1 - INTRODUÇÃOO sensoriamento remoto é fundamental nos estudos e aplicações em ciências atmosféricas.
A evolução tecnológica tem aperfeiçoado principalmente a resolução espacial e radiométrica dossensores, o que tem contribuído para o avanço de pesquisas relacionadas à observação dos recursosterrestres e do meio ambiente.
As imagens Landsat representam a mais antiga série de satélites em órbita, que datam doinicio da década de 70 e, portanto, apresentam uma série temporal relativamente longa secomparados aos demais sistemas sensores existentes, sendo assim de grande utilidade nas análisesque tratam da evolução têmporo-espacial do campo de temperatura da superfície, por exemplo.
Tais análises são bastante comuns nos estudos de clima urbano, cujo foco é conhecer o seuprincipal fenômeno, a ilha de calor. A análise se dá a partir da obtenção da temperatura da banda 6do sensor TM e ETM (Landsat 5 e 7, respectivamente), conhecida como infravermelho termal quecompreende a faixa do espectro eletromagnético entre 10,4 e 12,5 m.
Embora a temperatura referente a uma determinada banda de um sensor seja facilmenteobtida, esta não determina de fato a temperatura da superfície, mas sim a temperatura de brilho, quecorresponde à intensidade de radiação no topo da atmosfera (Souza e Silva, 2005), a qual éinfluenciada pelos constituintes atmosféricos. O ideal é corrigir os efeitos da atmosfera paraeliminar quaisquer ruídos que possam interferir na real temperatura da superfície continental (TSC).
O objetivo deste trabalho é apresentar um método de correção atmosférica aplicado emimagens de satélite termais para a região metropolitana do Rio de Janeiro (RMRJ), comparando estatemperatura corrigida (TSC) com a não corrigida (temperatura de brilho).
2 - MATERIAL E MÉTODOSDuas imagens LANDSAT-5 órbita ponto 217-76, referente à RMRJ, foram selecionadas
para efetuar a correção atmosférica, 02/08/07 e 23/02/07. Estas imagens configuram episódiossazonais de inverno e verão, respectivamente, quando a quantidade de umidade na atmosfera édistinta nas duas situações, com valores baixos no inverno e altos no verão. Inicialmente é calculadaa temperatura de brilho e em seguida a TSC, e assim comparadas as duas situações.
Para o cálculo da temperatura de brilho, primeiramente realizou-se a transformação dosdados brutos, em números digitais (ND), para radiância
iii
i LMINQcalQcal
LMINLMAXL
max
(1)
onde L é a radiância espectral no canal i em Wm-2sr-1m-1; iLMAX é o valor de radiância
máxima na banda i em Wm-2sr-1m-1, cujo o valor e de 15.303; iLMIN é o valor de radiância
mínima na banda i em Wm-2sr-1m-1, cujo o valor e de 1.2378; Qcal é o valor de ND e maxQcal
é o valor máximo de ND, que equivale a 255.00.
Após a conversão de níveis de cinza em radiância, calculou-se a temperatura de brilho,através da inversão da função de Planck, escrita
1ln 1
2
i
b
L
K
KT (2)
em que: bT é a temperatura de brilho em Kelvin (K); 1K e 2K são as constantes 1 e 2 de calibração
do Landsat em Wm-2sr-1m-1, que equivale a 607.76 e 1260.56, respectivamente.
Para a obtenção da TSC, conforme a equação 3 (Souza e Silva, 2005), é necessárioconhecer os parâmetros atmosféricos, transmitância atmosférica, i e a temperatura média do ar,
aT , e a emissividade da superfície, i .
TTT bS (3)
onde sT é a TSC em Kelvin (K), bT é a temperatura de brilho no canal 6 e T é o fator de correção
para se obter a TSC a partir da temperatura de brilho no canal 6, dado por
b
bi
aibi
T
TB
TBTB
T
)(
)(11
)(1
2
1
(4)
1 e 2 são assim conhecidos:
ii 1 (5)
iii )1(1)1(2 (6)
Para se obter a temperatura média do ar, recorreu-se a equação de Quin et al (2001),expressa por
0909.073.19 TTa (7)
onde 0T é a temperatura do ar a 2m da superfície. Para se estimar a transmitância atmosférica,
utilizou-se a equação dada por Souza e Silva (2005)
w
ww
1
3exp01.0951.0 (8)
onde w é o conteúdo de vapor de água em gcm-2, adquirido pela equação de Leckner (Iqbal, 1983)
0
493.0T
eURw s (9)
onde UR é a umidade relativa e es é a pressão de saturação do vapor de água à temperatura ambienteem hPa, calculada pela equação (Iqbal, 1983)
0
541623.26exp01.0
Tes (10)
A temperatura e a umidade relativa do ar foram obtidas pela média mensal de todas asestações meteorológicas presentes na RMRJ. A RMRJ foi dividida em quatro sub-regiões (Zonaoeste, baixada de Bangu, área central e seção leste da baía de Guanabara) e calculada uma médiainicial para cada uma das sub-regiões. Em seguida, calculou-se uma média final a partir da médiainicial encontrada para as quatro sub-regiões
A última variável a se conhecer é a emissividade, alcançada pela equação proposta por Vande Griend e Owe (1993), que relaciona a emissividade com o índice de vegetação NDVI
NDVIi ln047.0009.1 (11)
Os valores de NDVI são obtidos através da reflectância no canal 3 e 4 pela equação
34
34
NDVI (12)
Nestes dois canais a radiância foi posteriormente transformada em reflectância
si
ii ESUN
dL
cos
2
(13)
onde i é a reflectância no canal i ; d é a distancia Terra-Sol em unidades astronômicas; iESUN é
o é o valor médio da irradiância solar no canal i em Wm-2m-1, que tem como valor 1554 para abanda 3 e 1036 para a banda 4 e s é o ângulo zenital solar.
As imagens de TSC, inicialmente em Kelvin (K), foram convertidas para graus Celsius(ºC), e classificadas segundo intervalos padronizados de temperatura no intuito de estabelecer umcritério único na comparação entre as imagens.
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃOTodas as imagens corrigidas apresentam temperaturas bem mais elevadas, conforme as
figuras 1, 2, 3 e 4. Na imagem de verão, além de se encontrar as temperaturas mais altas, a diferençaentre a temperatura de brilho e a temperatura da superfície é bem maior. No inverno, a média datemperatura de brilho variou em torno dos 21ºC, enquanto que para a temperatura da superfície, estamédia subiu para 24ºC. No verão, observou-se uma maior diferença, com média de 28ºC paratemperatura de brilho e de 45ºC para temperatura da superfície.
Figura 1: Temperatura debrilho da imagem 02/08/07
Figura 2: Temperatura dasuperfície da imagem02/08/07
Figura 3: Temperaturade brilho da imagem 23/02/07
Figura 4: Temperatura dasuperfície da imagem23/02/07
Os valores de temperatura tão distintos podem ser explicados considerando as condiçõesatmosféricas que predominaram nas duas situações sazonais. O inverno esteve sob ação doanticiclone do atlântico sul que favoreceu céu claro com baixa umidade, mas que ainda assimapresentou alguma nebulosidade no quadrante inferior esquerdo da imagem, onde se localiza parte
da baixada litorânea da região metropolitana. No verão, marcado por maior instabilidade edominado pela massa tropical atlântica, esteve sob efeito de maior umidade e nebulosidade,principalmente na porção superior da imagem (quadrante superior esquerdo e direito) onde selocaliza o conjunto de serras mais íngremes da região, retendo grande parte da umidade provenienteda área costeira e gerando nuvens por resfriamento adiabático. Os valores de transmitância (t) evapor d’água (gcm-2), calculados pelas equações 8 e 9, atestam esta característica das regiões,registrando 0,6 e 3.3 gcm-2 para o inverno e 0.4 e 4,5 gcm-2 para o verão.
Deste modo, as imagens tanto as corrigidas como as não corrigidas, não tiveram alteradasseu mapa termal, mantendo suas áreas com as temperaturas mais altas ou mais baixas de acordocom a classe do uso do solo (classe “urbano” abriga as temperaturas mais altas e a classe“vegetação” abriga os núcleos mais frios), conforme o trabalho de Lucena et al (2010), variandonitidamente, somente, a escala da temperatura.
4 - CONCLUSÕESA temperatura de brilho, bastante utilizada nos estudos de clima urbano, tem o papel
simplesmente de mapeamento da temperatura visando identificar a ilha de calor urbana. Contudo,deve-se salientar que esta temperatura não representa de fato a temperatura da superfície urbana,pois não leva em conta a influencia atmosférica e da superfície. Sabe-se da dificuldade de aquisiçãodos parâmetros da atmosfera e da superfície, mas que neste trabalho, na ausência dos dados deradiossondagem e de temperatura e umidade relativa do ar diária, utilizaram-se dados médiosmensais das estações meteorológicas convencionais.
Esforços futuros devem ser realizados para que outros algoritmos sejam desenvolvidos eaplicados para o Landsat, pois o satélite é ainda amplamente empregado nos estudos de climaurbano. E em se tratando de regiões tropicais, como é o caso da RMRJ, o teor de umidade naatmosfera é um fator muito importante com forte influência na determinação da temperatura debrilho e da superfície, e que somado a sua natureza física, permeada por morros, floresta, baías elagoas, aumenta as fontes de concentração de umidade.
5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASCHANDER G. and MARKHAM, Revised Landsat 5 TM Radiometric Calibration Procedures andPost-Calibration Dynamic Ranges. 2003. Disponível emhttp://landsat7.usgs.gov/documents/L5TMCal2003.pdfIQBAL M. An introduction to solar radiation. Library of Congress Cataloging in Publication data.Academic Press Canadian, 1983. 390pp.LUCENA, A.J.; ROTUNNO FILHO, O.C.;FRANÇA, J.R. & PERES, L.F. A ilha de calor na regiãometropolitana do Rio de Janeiro – RMRJ. 2010 (no prelo)QIN Z, KARNIELI A & BERLINER P. 2001. A mono-window algorithm for retrieving landsurface temperature from Landsat TM data and its application to the Israel-Egypt border region.International Journal of Remote Sensing, 22(18): 3719–3746.SOUZA, Juarez Dantas de; SILVA, Bernardo Barbosa da. Correção atmosférica para temperaturada superfície obtida com imagem TM: Landsat 5. Rev. Bras. Geof. , São Paulo, v. 23, n. 4, 2005 .VAN DE GRIEND AA & OWE M. 1993. On the relationship between thermal emissivity and thenormalized difference vegetation index for natural surfaces. International Journal of RemoteSensing, 14: 1119–1131.
