اثرات مادون قرمز حرارتی برای کاربرد های سنجش از راه دور (مقاله ترجمه شده)

چکیده

اندازه گیری های دمای سطحی زمین (LST) که در دامنه مادون قرمز حرارتی (TIR) انجام می شود، در معرض نا همسانگردی جهتی شدید قرار داشته اند. به جای مدل های TIR فیزیکی تحلیلی دقیق که به اطلاعات ورودی و ظرفیت محاسباتی قابل توجه نیاز دارند، روش های پارامتریک ساده شده قادر به نشان دادن و اصلاح با دقت اثرات زاویه ای بر LST می باشند که برای کاربرد های اجرایی ماهواره نیز مناسب خواهند بود. ما در این تحقیق یک مدل دو پارامتری ساده تحت عنوان RL (روجین- لاگوارده) را که نشان دهنده قابلیت هایی جهت نشان دادن علائم جهتی کاربرد های شهری و گیاهی با دقت بهتر از 1 درجه می باشد، ارائه می کنیم. این مقدار نشان دهنده RMSE (خطای جذر مربعات میانگین) به دست آمده به عنوان بهترین توجیه مدل RL نسبت به مجموعه داده های موجود می باشد. سپس روش RL با یک مجموعه داده ترکیبی ایجاد شده توسط مدل مشاهده پوشش خاک، فتوشیمی و شار انرژی (SCOPE) ایجاد شده است به طوری که تغییرات گسترده در روش های هواشناسی،  سازه و ساختار سایبان و شرایط آب مد نظر قرار گرفته است. نتایج نشان دهنده RMSE≤0.6C می باشند که به عنوان یک نتیجه مناسب شناخته می شود. همچنین مدل RL از عملکرد بهتری حتی نسبت به مدل پارامتریک مشهور ونیکوو که دارای دو مجهول می باشد، برخوردار است. توانایی مدل RL جهت بازتولید بهتر پدیده نقطه داغ به بیان این خصوصیت می پردازد.

مدل RL به عنوان یک روش احتمالی برای زنجیره های پردازش عملیاتی داده های ماهواره ای TIR شناخته می شود، زیرا این مدل در برگیرنده الزامات هر دو فرمول بندی تحلیلی و تعداد محدود پارامتر های ورودی می باشد. با این حال بایستی تلاش ها جهت انجام روش های معکوس صورت پذیرد.

مقدمه

اندازه گیری های مادون قرمز حرارتی (TIR) به طور گسترده جهت بازیابی دمای سطحی زمین (LST) انجام می شوند که به عنوان یک عاملی مفید جهت به دست آوردن جریان های سطحی به ویژه تبخیر و میعان مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال این اندازه گیری ها در معرض اثرات ناهمسانگردی جهتی شدید قرار دارند. می توان این موارد را به صورت تفاوت بین دمای خارج از سمت القدم و دمای سمت القدم تعریف کرد. این تفاوت ها می توانند به بیش از 15 درجه بر اساس نظریات محققین مختلف برسند (کیمز و کیرشنر 1983، لاگوراد و همکاران ، 2014).

تلاش هایی در گذشته جهت مدل سازی ناهمسانگردی تابشی TIR در شرایط هندسی متناسب، انتقال تابشی، روش های 3 بعدی و پارامتریک انجام شده است. می توان این بررسی را در تحقیقات ورهوف و همکاران (2007) مشاهده کرد. دافور و همکاران (2015) اخیرا توانایی مدل انتقال خاک- گیاه- اتمسفر (SVAT) SCOPE را (ون در تال و همکاران 2009) که شرح دقیقی از هر دو فرآیند فیزیکی و فیزیولوژیکی جهت شبیه سازی ناهمسانگردی جهتی TIR ارائه می کند، نشان داده اند. در واقع پردازش داده های TIR قادر به اصلاح داده های سنجش از راه دور TIR از اثرات جهتی با استفاده از یک روش سریع محاسباتی می باشد. بدین ترتیب، الگوریتم هایی را با (1) نیاز به برخی از داده های ورودی و (2) قابل تفسیر بودن جهت سادگی در اجرا در زنجیره های پردازش داده های عملیاتی ماهواره مورد نیاز می باشند، ارائه کرده اند. ثانیا، مدل های ساده جهت ارزیابی سریع اثر نمونه برداری زاویه ای که در طراحی برنامه های آزمایشگاهی به منظور بهینه سازی پروتوکل تجهیزاتی به کار گرفته می شود، بسیار مفید می باشند.

مدل RL پارامتریک

فرمول بندی تحلیلی

مدل RL با توجه به مدل انعکاسی پیشنهادی توسط روجین (2000) با جایگزین کردن انعکاس (رابطه 25 در مقاله روجین) با دمای سطحی به دست آمده است.

ارزیابی آزمایشگاهی RL

داده های آزمایشگاهی

این بخش در تلاش است تا سازگاری مدل RL را به وسیله یک مقایسه نسبت به پایگاه های داده آزمایشگاهی موجود نشان دهد. اندازه گیری ها در طی 2 آزمایش میدانی انجام شده در شهر (لاگوراده و اروین 2008) و یک سایبان جنگلی (لاگوراده و همکاران 2000) به دست آمده اند. پروتوکل اندازه گیری مبتنی بر استفاده از دوربین های هوایی TIR مستقر بر روی یک هواپیمای کوچک می باشد. دوربین ها مجهز به لنز های زاویه گسترده بوده و در بالای هواپیما با یک زاویه انحراف جهت افزایش محدوده زوایای اوج مشاهده ای مورد بررسی مستقر شده اند. چندین خطر پرواز کوتاه که در جهت مخخالف در حال پرواز بوده اند، همگی در مرکز ناحیه مورد نظر به یکدیگر رسیده اند (ناحیه شهری یا جنگل). خط اول در صفحه خورشیدی اصلی به پرواز در آمده و خط دوم در صفحه عمود پرواز کرده است. سپس خطوط اضافی در جهت هایی با زاویه 45 درجه از صفحه اصلی نشان داده شده اند. ترکیب هشت قطعه پروازی موجب به دست آوردن اندازه گیری های جهتی TIR برای زوایای اوج تا مقدار 60 درجه با پوشش کلی همه جهت های مشاهداه ای آزیموت می گردد. اساس این روش مبتنی بر این حقیقت است که این روش به میانگین گیری نا همگنی های مکانی ناحیه مورد مطالعه (خیابان ها، حیات ها، میدان ها، نواحی کوچک و غیره) و تغییرات زمانی (ناشی از فشار جریان اتسمفری، لاگوراده و همکاران 2015) می پردازد. می توان جزئیات دقیق پروتوکل را در دو مقاله مرجع فوق از لاگوراده و همکاران (2000) و لاگوراده و اروین (2008) مشاهده کرد.

تعمیم SCOPE

مدل SCOPE

مدل SCOPE (ون در تول و همکاران 2009) یک مدل SVAT چند لایه می باشد که جهت شبیه سازی توامان تابش خورشیدی بازتابی جهتی، تابش حرارتی بازتابی و سیگنال های فلئورسنس خورشید در TOC (بالای سایبان) سایبان های یکنواخت همراه با جریان های انرژی، آب و C ارائه ده اند. این مدل مبتنی بر ترکیبی از چندین مدل که بیان کننده انتقال تابشی، متلاطم و رمی در داخل سایبان می باشند، با در نظر گرفتن زیست شیمی برگ ها و فرآیند های ایرودینامیک می باشد. همراه با روش چند لایه ای، این روش دارای کارکردی مناسب جهت مطالعه سایبان های دارای شاخ و برگ می باشد. این موضوع بیان کننده انتخاب نهایی ما برای SCOPE در میان مدل های دیگر مانند CUPID/TGRM (هانگ و همکاران 2008) یا حتی DART (گاستلو- اتشگروی و همکاران 2004) می باشد. شاخص های اصلی مدل به طور اجمالی مورد اشاره قرار گرفته اند. برای جزئیات بیشتر، خواننده می تواند به مقاله معرفی کننده مدل SCOPE مراجعه کند.

مقایسه بین قابلیت های RL و وینیکو

روش کرنل وینیکو

وینیکو و همکاران (2012) یک مدل پارامتریک را بر اساس سه کرنل طراحی شده جهت تعدیل LST اندازه گیری شده توسط ماهواره ارائه کرده اند:

که T( , ,φ) نشان دهنده دمای (بر حسب کلوین) اندازه گیری شده خارج از سمت القدم و نشان دهنده دما در سمت القدم (بر حسب کلوین) می باشند. عبارت اول (1) نقش مهمی را در کرنل همسانگرد ایفا می کند به طوری که موجب ارائه مساوی شدن نسبت با 1 هنگامی که T( , ,φ) در سمت القدم اندازه گیری شود، می گردد.

بحث

محدودیت های روش های پارامتریک

مسئله ای که موجب عدم بهره وری مناسب روش وینیکو به عنوان یک روش مناسب جهت اصلاح نا همسانگردی نزدیک به نقطه داغ می گردد، ناشی از استفاده از کرنل های تطبیقی می باشد. مدل RL که با این فرض که ناهمسانگردی TIR و اپتیکال به صورت یکسان رفتار می کنند، و از مدل ارائه شده برای دامنه خورشیدی که مبتنی بر ملاحظات فیزیکی می باشند ارائه شده است در تحقیق روژان (2000) به طور کامل مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین معرفی فاصله بین جهت های خورشید و نما (معادله 2) به عنوان یک موضوع مهم برای کیفیت این روش ساده شده به شمار می آید. این موضوع توسط جاپ (2000) که به بررسی اهمیت معرفی زاویه فاز در توسعه کرنل ها پرداخته است، تایید شده است. نبود این زاویه در معادله 5 موجب بروز ضعف مدل وینیکو شده است.

نتیجه گیری

نیاز به اصلاح اندازه گیری های LST ماهواره نسبت به اثرات جهتی موجب ارائه روش های ساده ای شده است که در زنجیره پردازش داده های ماهواره قابل اجرا می باشند. مدل نا همسانگرد جهتی ساده پیشنهادی در این مقاله (تحت عنوان RL) نسبت به سایبان های تیره سراسری (پیوسته) تطبیق یافته است؛ این مدل نیازمند دو پارامتر (Δ نشان دهنده نا همسانگردی در نقطه داغ K مرتبط با ساختار سایبان) می باشد. ما در ابتدا توانایی آن را جهت بازتولید علائم جهتی TIR با برازش آن نسبت به مجموعه داده های آزمایشگاهی نسبت به یک سایبان شهری (شهر تولوز) و یک سایبان جنگلی ( جنگل کاج دریایی) نشان داده ایم. نتایج با شبیه سازی مناسب نقطه داغ و مقادیر RMSE برآورد شده نسبت به محدوده ای از جهت های مشاهداتی (تمامی جهت های آزیموت، زوایای مشاهده ای حداکثر بیشتر از 50 درجه) کمتر از 1C از کارایی زیادی برخوردار است. سپس به منظور تعمیم دادن نتایج، مدل RL نسبت به شرایط ورودی متفاوت داده های شبیه سازی شده SCOPE نیرو های اندازه گیری، ساختار سایبان و وضعیت آب خاک و گیاهان جهت شبیه سازی بیششتر شرایط که از نظر اجرایی قابل برآورده شدن می باشند، مورد ارزیابی قرار گرفته است. در محدوده [0,50] برای و [0,360] برای ، نسبت به RMSE 0.6C تناظر بین داده ها وجود دارد. برخی از تفاوت ها در مجاورت نقطه داغ مشاهده شده است، به طوری که مدل RL قادر به شبیه سازی شکل های نقطه داغ بسیار زیاد و حدی به صورت دقیق نبوده است. با این حال، مدل سازی نقطه داغ و درجه حساسیت حدی SCOPE نسبت به پارامتر نقطه داغ q دارای مشکلاتی می باشد. بنابراین شناخت بیشتری از نقطه داغ جهت ارزیابی عملکرد RL ضروری به نظر می رسد. ما همچنین دریافته ایم که هنگامی که نقطه داغ و سمت القدم بر یکدیگر منطبق می شوند، هنگامی که خورشید در بالاترین نقطه قرار دارد( =0)، مدل RL نا معین می باشد. بایستی یک تحقیق جهت ارزیابی رفتار مدل در این پیکره بندی خاص که دو بار در سال در کل ناحیه درون استوایی تکرار می شود، انجام گیرد.

برخی از روش های پارامتریک ساده جهت اصلاح اندازه گیری های LST ماهواره همچنان به ندرت انجام شده و روش پیشنهادی توسط وینیکو و همکاران (2012) به عنوان تنها روش موجود بر اساس اطلاعات ما می باشد. این روش با مدل RL با استفاده از برخی از پایگاه داده نا همسانگرد SCOPE شبیه سازی شده مقایسه شده است. مدل RL نشان دهنده کارایی بیشتری نسبت به مدل وینیکو جهت شبیه سازیDA به ویژه نزدیک به نقطه داغ که مورد آخر به دلیل هسته های غیر تطبیق یافته از کارایی زیادی برخوردار نیست، می باشد. با این حال علی رغم برخی از موانع، حوزه های مطالعاتی مشاهده شده توسط 2 ماهواره به صورت همزمان و با فاصله کافی از نقطه داغ، روش وینیکو دارای مزیت معکوس شدگی ساده و نتایج واقعی می باشد، و این روش برای اصلاح داده های ماهواره ای ایستگاه زمین اجرا شده است.

مدل RL از نظر مفهومی به عنوان یک مدل مرتبط مناسب شناخته می شود، زیرا موجب بیان بهتر DA نزدیک به نقطه داغ شناخته می شود. همچنین نشان داده شده است که در وضعیت موجود، این روش می تواند به بررسی ارزیابی های کمی از DA برای اهداف مختلف کمک کند: آماده سازی آزمایشات محلی، تحلیل بحرانی اندازه گیری های انجام شده در مراجع، کمک به تعریف ماموریت های فضایی. با این حال، همچنان بایستی کارهای تحقیقاتی زیادی جهت انتقال مدل RL به یک ابزار اجرایی جهت اصلاح DA بر روی داده های ماهواره انجام داد. در حال حاضر چندین جهت در آزمایشگاه به صورت کوتاه در این تحقیق مورد ارزیابی قرار گرفته اند. در ابتدا، می توان داده های فرعی را جهت بهبود مدل RL معرفی کرد. دمای هوا به عنوان یک معیار شناخته می شود به طوری که وضعیت هوا دارای ارتباط غیر مستقیم به تبخیر واقعی و تفاوت بین سطح و دمای هوا می باشد. به طور مشابه نا همسانگردی VNIR ناشی از اندازه گیری های VNIR می تواند موجب ارائه اطلاعاتی مرتبط با ساختار سایبان گردد. همچنین تلاش هایی جهت بهبود شناخت پدیده نقطه داغ و آزمایشات محلی با استفاده از UAV ها بدین منظور در حال انجام می باشند. در نهایت، استراتژی های ارائه روش های معکوس RL جهت اصلاح DA برای ماهواره های LEO جهت غلبه بر عدم امکان ثبت تصویر همزمان در شرایط دید مختلف مورد مطالعه قرار می گیرند. بنابراین یک روش احتمالی می تواند انجام مدل معکوس نسبت به محل هایی با گیاهان مشابه مشاهده شده تحت زوایایی دید مختلف پس از بررسی دمای سطحی آنها را انجام دهد. بایستی این مطالعات موجب گسترش روشی جهت اجرای الگوریتم RL در پردازش داده ها توسط ماهواره ها مانند MODIS، SUIMI، NPP یا ماموریت های TIR با وضوح بالا در مرحله آماده سازی گردند.

این مقاله ISI در سال 2016 در نشریه الزویر و در مجله سنجش از دور محیط زیست، دانشگاه فرانسه منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله اثرات مادون قرمز حرارتی برای کاربرد های سنجش از راه دور در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.