تخمين دماي سطح اراضي اردبيل با استفاده از تصاوير لندست و ارزيابي دقت روش هاي برآورد دماي سطح زمين با داده هاي ميداني

پيشينه و هدف در طول دو دهه اخير نياز شديد به اطلاعات دماي سطح زمين جهت مطالعات محيطي و فعاليت هاي مديريتي و برنامه ريزي، برآورد دماي سطح زمين را به يكي از موضوعات مهم علمي تبديل كرده است. از سويي ديگر روش هاي مختلفي جهت تخمين دماي سطح زمين ارائه ‌شده است كه هركدام نتايج متفاوتي را براي مناطق مختلف در پي داشته است. در اين پژوهش الگوريتم هايي كه در مطالعات مختلف هركدام نتايج قابل قبولي داشته، انتخاب و مورد ارزيابي قرارگرفته است. در حوزه مطالعات حرارتي آنچه به‌عنوان يك نقص اساسي در پايش دماي سطح زمين به شمار مي‌آيد، نبود ايستگاه‌ هاي هواشناسي كافي جهت آگاهي از مقادير دمايي در نقاط فاقد ايستگاه و محدوديت اطلاعاتي در تهيه داده هاي دمايي به خصوص براي مناطق وسيع است. منطقه موردمطالعه نيز با اين كمبود رو به رو است و اين محدوديت، اهميت موضوع انتخاب ‌شده براي اين پژوهش جهت تخمين دماي سطح زمين با استفاده از فناوري سنجش‌ازدور را بيشتر نمايان مي سازد. هدف از اين تحقيق، تخمين دماي سطح شهرستان اردبيل و ارزيابي دقت چهار الگوريتم تك كاناله، تك پنجره بهبوديافته، رابطه معكوس تابع پلانك و معادله انتقال تابش، مقايسه دقت دو ماهواره لندست 5 و لندست 8 در برآورد دماي سطح زمين. مواد و روش هادر اين پژوهش از سه نوع داده استفاده‌شده است؛ تصاوير ماهواره لندست 5 و 8، داده‌ هاي دو ايستگاه هواشناسي، و داده ‌هاي زميني برداشت‌شده با دماسنج ديجيتالي. تصاوير مورداستفاده از دو ماهواره لندست 5 و لندست 8 بافاصله زماني 19 ساله انتخاب ‌شده است. داده هاي هواشناسي مورداستفاده نيز از دو ايستگاه سينوپتيك موجود در محدوده موردمطالعه اخذ گرديد. علاوه بر دماي سطح زمين، داده هاي رطوبت نسبي، حداقل دما و حداكثر دماي 24 ساعت نيز در دو تاريخ مدنظر اخذ گرديد، همچنين دونقطه از منطقه موردمطالعه انتخاب و دماي سطح زمين در موقعيت اين دو ايستگاه هم‌زمان با عبور ماهواره با استفاده از دو دماسنج ديجيتالي ثبت شد. جهت مدل‌سازي تابش و ميزان انتقال اتمسفري از نرم‌افزار محاسبه‌گر تحت وب MODTRAN استفاده‌شده است. توان تشعشعي با دو روش گسيلمندي بر اساس شاخص NDVI و گسيلمندي بر اساس حدآستانه گذاري NDVI و دماي سطح زمين با چهار الگوريتم تك كانال، تك پنجره بهبوديافته، رابطه معكوس تابع پلانك و معادله انتقال تابشي  با استفاده از باند 6 لندست 5 و باند 10 لندست 8 در نرم افزارMATLAB  براي دو سال 2000 و 2019 كدنويسي گرديد. درنهايت دقت الگوريتم ها با استفاده از داده هاي دماي سطح ايستگاه سينوپتيك و نمونه برداري ميداني مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج و بحث نتايج نشان داد  كه براي سه الگوريتم تك كانال، رابطه معكوس تابع پلانك و RTE، روش اول گسيلمندي و براي الگوريتم تك پنجره بهبوديافته روش دوم گسيلمندي از دقت بالاتري برخوردار بوده است. داده هاي دماي سطح اخذ شده از ايستگاه هاي هواشناسي در سال 2000 ازلحاظ زماني 12 دقيقه اختلاف و براي سال 2019 اختلاف 4 دقيقه اي بازمان عبور ماهواره دارد. ايستگاه اول هواشناسي تا حدودي در محدوده شهري واقع‌شده است. نتايج نشان داد كه مهم‌ترين عامل بيشتر بودن اختلاف ايستگاه اول با LST برآورد شده در مقايسه با ايستگاه دوم همين عامل باشد، چراكه ناهمگوني پيكسل ها و تغييرات زياد سطوح در محدوده شهري باعث تداخل ارزش پيكسل ها و به دنبال آن احتمال بروز خطا در برآورد دماي سطح در محدوده انسان ساز شهري را بالا  مي برد. براي ايستگاه زميني نيز دونقطه با محيطي همگن و خارج از محدوده شهري با كاربري كشاورزي (يونجه) و كاربري باير كه محصول آن برداشت‌ شده بود، انتخاب و دماي سطح آن‌ها هم‌زمان با عبور ماهواره اندازه گيري شد. نتايج خروجي تخمين دماي سطح زمين با دو ايستگاه سينوپتيك و دو ايستگاه زميني مورد مقايسه و ارزيابي قرار گرفت. در هر دو تاريخ الگوريتم تك كانال كمترين اختلاف را با ايستگاه هاي ثبت دما نشان داد. نتيجه گيري در اين پژوهش با استفاده از تصاوير ماهواره لندست 5 و لندست 8 چهار الگوريتم برآورد دماي سطح زمين شامل روش هاي تك كانال، تك پنجره بهبوديافته، رابطه معكوس تابع پلانك و ربطه انتقال تابش كدنويسي و نقشه هاي دماي سطح زمين شهرستان اردبيل براي دو سال 2000 و 2019 در محيط نرم افزار متلب كدنويسي و استخراج گرديد. باند 6 ماهواره لندست 5 براي سال 2000 و از باند 10 ماهواره لندست 8 به دليل مقدار نويز كمتر نسبت به باند 11 و نزديكي به مقدار 9.66 كه بيشترين تابش زمين براي سال 2019 استفاده شد. مقايسه نقشه هاي دماي سطح حاصل از الگوريتم ها با ايستگاه هاي سينوپتيك و زميني نشان داد كه در هر دو سال 2000 و 2019 الگوريتم تك كانال دقت بيشتري نسبت به بقيه روش ها داشته است. مقايسه نتايج روش تك كانال، نشان از اختلاف 2.5+ و 2 با ايستگاه هاي 1 و 2 براي سال 2000 و اختلاف دماي 1.3+، 0.9+، 1 و 0.9 به ترتيب با ايستگاه هاي 1، 2، 3 و 4 براي سال 2019 را نشان مي دهد. استفاده مستقيم از ضرايب انتقال‌پذيري اتمسفر در فرآيند روش تك كانال، در بالا بودن دقت اين روش مؤثر بوده است. ازنظر دقت بعد از الگوريتم تك كانال، به ترتيب روش تك پنجره بهبوديافته، الگوريتم RTE و درنهايت الگوريتم رابطه معكوس تابع پلانك قرار گرفتند. نتايج مقايسه خروجي هر چهار الگوريتم با داده هاي ايستگاه هاي 1، 2، 3 و 4، نشان از دقت بالاتر ايستگاه هاي زميني برداشت‌شده با دماسنج ديجيتالي نسبت به داده هاي ايستگاه هاي هواشناسي دارد، ازجمله دلايل آن مي توان به قرارگيري ايستگاه هاي هواشناسي (به خصوص Station_1) در محدوده شهري با توجه به ناهمگن بودن محيط شهري و امكان تداخل پيكسلي و تداخل دمايي كاربري ها اشاره كرد، درحالي‌كه ايستگاه هاي زميني از محدوده خارج از شهر و از محيطي با پيكسل هاي همگن (باير و كشاورزي) انتخاب گرديد. همچنين نتايج هر چهار الگوريتم مستخرج از تصوير لندست 8 در مقايسه با نتايج چهار الگوريتم حاصله از تصوير لندست 5، دقت بيشتري را نشان مي دهد و با توجه به بهبود توان تفكيك مكاني سنجنده TIRS نسبت به TM، دقت بيشتر خروجي هاي سنجنده TIRS قابل پيش بيني بود.