Расчет температуры поверхности

Подготовлено по материалам телеграм канала “О картах” - https://gommersh.notion.site/361cd5e111174365afcb777143bcd078

1 Описание расчета

Определение температуры поверхности по космическим снимкам основано на анализе теплового излучения, зарегистрированного инфракрасными сенсорами на спутниках. Эти данные позволяют точно измерять температурные характеристики земной поверхности и водных объектов, что критично для исследований в области изменения климата, горожов, мониторинга лесных пожаров, оценки состояния сельскохозяйственных угодий и управления водными ресурсами.

На сайте геологической службы США можно скачать космоснимки, среди них есть отдельная группа снимков Ландсат, которые представляют собой информацию о температуре приземного слоя. Такие снимки помечены префиксом ST (“Surface temperature”).

ST_URAD	восходящее тепловое излучение
ST_DRAD	нисходящее тепловое излучение
ST_ATRAN	атмосферная прозрачность (проницаемость атмосферы)
ST_EMIS	поверхностная излучательная способность
ST_EMSD	стандартное отклонение поверхностной излучательной способности
ST_QA	неопределенность полосы измерения, в кельвинах
ST_CDIST	расстояние в пикселях от ближайшего определенного облака
ST_B10	температура земной поверхности, измеряется в Кельвинах

Чтобы исследовать температуру земной поверхности нам нужен файл с ST_B10. Если посмотреть на реальные данные, то можно увидеть, что числа в пикселях в данном канале совсем не похожи на реальные показатели температуры. А значит, нужно как-то преобразовать существующие данные.

Подробное описание преобразования данных в температуру есть в технической документации.

Для значений этого канала есть некий multiplicative scale factor и additive offset:

Multiplicative scale factor (MSF) – чтобы получить температуру, на это число нужно умножать значение пикселя. Слово multiplicative указывает на то, что значение пикселя нужно умножать на это число.
Addtive Offset (AO) - специальное число, которое нужно добавить, чтобы получить температуру приземного слоя. Слово additive указывает на то, что к значению пикселя нужно прибавить это число.

Также заметьте, что значения в данном канале представлены в кельвинах. Поэтому от полученного значения нужно будет отнять 273,15 чтобы получить температуру не в кельвинах, а в градусах цельсия.

Учитываем все это, и у нас получается формула температуры приземного слоя для ландсат 8-9:

\[LST_{rescaled} = LST*MSF+ AO - 273,5\]

Значение пикселя в канале 10 умножаем на MSF, прибавляем АО и отнимаем 273,15. Теперь подставим числа и получим финальную формулу:

\[LST_{rescaled} = B\_10\_ST*0.00341802 + 149 - 273,5\]

Эту формулу мы будем использовать для того, чтобы из значения пикселя получить температуру поверхности земли в градусах цельсия.

2 Расчет температуры

Шаг 1. Скачиваем космоснимок

Снимки можно скачать с сайта геологической службы США (процесс скачивания снимков описан в разделе Открытые данные дистанционного зондирования).

Важное уведомление

Здесь вам подойдут только снимки Landsat-8 или Landsat-9.

Причем вам достаточно скачать только 10 канал, прочие для расчета температуры не требуются.

Шаг 2. Считаем температуру

Открываем QGIS и добавляем в пустой проект наш снимок.

Откроем калькулятор растра (Растр \(\longrightarrow\) Калькулятор растра) и воспользуемся формулой:

\[LST_{rescaled} = LST*MSF+ AO - 273,5\]

Вместо B_10_ST поставим наше значение из рассматриваемого растра.

Предупреждение

В калькуторе растров лучше сохранять результат не в виде временного растра, а сразу в файл, так как сохранение во временный растр может привести к ошибкам и некорректным расчетам.

Далее при необходимости можно обрезать снимок и подобрать цветовой градиент для лучшей иллюстрации температурных аномалий.

Что можно с этим делать:

Наглядно показать, как нагревается асфальт в городе и насколько он влияет на общую температуру в районе;
Наглядно показать обратное - как хорошо влияет зелень на среднюю температуру;
Оценить городские острова тепла;
Оценить изменение температуры в динамике и отметить температурные тренды.

Источник: https://app.geohub.ru/maps/1685

Более подробно про расчет температуры поверхности можно почитать по ссылке.