josé jesús pasapera gonzales - Instituto Gulich

Transcripción

JOSÉ JESÚS PASAPERA GONZALES
ESTIMACION DE EMISIVIDAD SUPERFICIAL DEL SUELO CON
DIFERENTES SENSORES ESPACIALES Y CON DATOS DATOS
DE CAMPO
Por: José Jesús Pasapera Gonzales
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I.INTRODUCCIÓN
En teledetección, la emisividad y temperatura de la superficie terrestre (EST, TST) son dos
variables acompladas a la radiancia emitida por la superificie captada por un sensor , que en un
intervalo razonable de temperaturas se independientemente. Este hecho, expresa
indeterminación a un sistema de ecuaciones formado por un sensor con N canales, que
proporciona N ecuaciones, para un problema de N+1 incógnitas ( N emisividades más la
temperatura). Por ello, siempre es necesario introducir algún tipo de hipótesis que permita
solucionar el sistema (Caselles et al., 2001). Existen diversas formas de solucionar el sistema:
emisividad (EST) utiliza el visible, infrrarrojo cercano y medio, en lugar de usar solamente el
infrarrojo térmico, para ello utiliza el modelo propuesto por Caselles y Sobrino, 1989 y
encuentra una relación a partir de la fracción de cobertura vegetal (encontrada de un índice de
vegetación); la temperatura (TST) utiliza la ecuación de transferencia radiativa para elaborar
algoritmos monocanales(Barsi et al
), (Barsi et al.,
y bicanales(C. Coll y Caselles,
En la actualidad, la información obtenida con las técnicas de teledetección, EST y TST,
requieren validarse para que la comunidad científica pueda usar dichas variables en diversos
estudios como los de modelamiento para el cambio climático y los de balance de energia . Esta
validación requiere mediciones en terreno que en muchos casos no existen para todo el mundo
y las pocas encontradas son usadas para calibrar algoritmos globales, dejando como
problemática la medición a escala regional y/o local (Rivas y Carmona, 2011). Los instrumentos
de medida no siempre son de campo y además, accesibles economicamente:
espectroradiometro en el infrarrojo térmico útiles para temperatura y emisividad; el FTIR usado
para espectros de emisividad; y caja de emisividad (económicamente accesible)(Rubio et al.,
.
Los sensores a bordo de satélites que permiten obtener los productos de EST y TST son pocos,
siendo los más reconocidos el sensor ASTER del satélite TERRA que con cinco bandas térmicas
que permite obtener cinco emisividades y un valor de temperatura; el sensor TM, ETM con una
banda térmica nos da, emisividad y temperatura; el sensor MODIS que brinda dos bandas de
emisividad y un producto de temperatura, por ultimo el nuevo satélite Landsat 8 con el sensor
TIRS dá emisividad para dos bandas y temperatura.
El objetivo del documento es el aprendizaje del alumno de metodologías que permitan estimar
la EST y TST con imágenes y con instrumento den campo, titulado El titulo considerado
“Estimación de la emisividad y temperatura superficial a partir de datos in situ y de satelite” . Es
asi, que utilizamos para la emisividad con satelite el modelo propuesto por Valor, 1996
(fracción de cobertura vegetal a partir de un índice de vegetación)(Carlson y Ripley, 1997); la
temperatura con imagenes a partir del algoritmo monocanal (Barsi et al
), (Barsi et al.,
y el bicanal “split Windows” (usa datos de vapor de agua y emisividad con satélite) (C.
Coll y Caselles, 1997). La metodología desarrollada para medir emisividades insitu, es la
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propuesta por Rubio et al.,
, quien propuso elaborar “ caja de emisividad”. Las bases
teóricas para cada uno de los modelos usados se en la sección Bases Teoricas. En la sección
Metodologia, se muestra el área de estudio con sus características climáticas más notables,
radiación neta, humedad, viento, otras y la construcción y medidas de la caja de emisividad,
además, de lo desarrollado para la TST. Las resultados, muestran las consideraciones a tomar
para cada medida de emisividad, tablas de los datos de emisividad en campo e imágenes y
también para temperatura. Todo lo mostrado, forma parte de las actividades realizadas en la
“Maestría en Aplicaciones Espaciales de Alerta y Respuesta Temprana a Emergencias” - MAEARTE de la Comisión Nacional de Actividades Espaciales CONAE con instituciones de
trayectoria nacional e internacional, como es el Instituto de Hidrologia de Llanuras IHLLA.
II. FUNDAMENTO TEORICO
Este apartado explica los fundamentos teóricos utilizados para obtener en los métodos insitu
las ecuaciones que justifican la construcción del instrumento de medida “caja de emisividad” y
con imágenes las ecuaciones para la emisividad (EST) y temperatura (TST).
2.1. EMISIVIDAD EFECTIVA
La emisividad es la propiedad física que define la capacidad de radiación de un cuerpo y energía
absorbida del medio. Esta definida como la razón entre la emisión real de un objeto y la
emisión de un cuerpo negro a su temperatura termodinámica (o cinetica) (Mira et al.,
.
La emisividad acoplada a la temperatura puede ser exactamente estimada de la radiancia de la
superficie (consideración superficie lambertiana) que es expresada como:
( )
(
)
[1].
Donde , es la emisividad de la muestra, ( ) la función de radiacion de Planck a la
temperatura de la muestra
y
la radiancia descendente que llega de la atmosfera y de
otros elementos vecinos. Es asi que, la ecuación [1] útil para usar con imágenes de satélite no
puede ser usada directamente para obtener temperatura, por requerirse información
adicional de los alrededores (propiedades térmicas del área de estudio “emisividad”) no
siempre disponible y que es obtenida por métodos insitu y de imágenes. Objetivo de nuestro
documento.
2.1.1. Método de la caja
El método de campo propuesto por Rubio et al., 1997 llamado “método de la caja de
emisividad” tiene dos versiones, la “tapa caliente” no considerada en este documento y la
versión “tapa fría” . El método tiene la ventaja de realizar medidas directas de la temperatura
radiométrica en la superficie y ademas controlar las condiciones ambientales de los
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alrededores, requeriendo de una caja que tiene dimensiones parecidas a la propuesta en el
modelo geométrico de Caselles y Sobrino, 1989, quienes consideran una superficie en un
sistema heterogéneo (compuesto de partes más elementales con temperaturas y
emisividades distintas) y rugoso, constituido por un suelo donde la vegetación se distribuye
aleatoriamente en forma más o menos lambertianas, con anchuras L, altura H y separadas
una distancia S. En base a este esquema, el modelo usa las siguientes aproximaciones: No
considera la existencia de sombras, con lo que sólo hay tres elementos distinguibles: techo,
pared y suelo de la rugosidad (ver figura N° 01); desprecia las reflexiones dobles y de orden
superior que pueden existir en el seno de las cavidades denifidas por la rugosidad entre sus
elementos simples, aproximación que supone un error de 0.1 K en la definición de la
temperatura efectiva; simplifica la geométrica del sistema siguiendo el modelo de cajas
infinitamente largas; supone que la diferencia de temperaturas entre las diferentes partes del
sistema es menor a 30 K, con lo que se puede un desarrollo de Taylor de la función de Planck
y es simplificada a una ecuación de primer orden.
Una ecuación que modela la emisividad total
es la mostrada en la ecuación [2], donde
existe la posibilidad de que el equilibrio térmico no puede ser alcanzado entre las paredes de
la caja y la muestra . Esta consideración es modificada con la consideración de un termino
correctivo
que depende de la geometría de la caja. (Caselles y Sobrino, 1989), (Caselles y
García, 2003), (Nerry et al., 1990), (Rubio et al., 1997).
[2].
Figura N° 1.
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Diagrama de la transferencia de radiación entre dos
superficies encerradas por superficies especulares.
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Utilizando las ecuaciones dadas por Rubio et al 1997, podemos obtener la ecuación de
emisividad para la versión “tapa fría”, que requiere medidas directas de la muestra, de la
caja sobre la muestra y la atmosfera (ver ecuación [3]).
(
)
(
(
)
)
(
)
[3].
2.1.2. BASES TEORICAS CON METODOS DE IMÁGENES DE SATELITE.
Un modelo teorico que permite relacionar la EST en el infrarrojo termico con el índice de
vegetación es el Fracción de Cobertura Vegetal (FCV) propuesto por Valor y Caselles, 1996.
Este modelo permite modelar condiciones de observación de una superficie cualquiera y
encontrar una relación entre la emisividad efectiva y la información obtenida con los índices
de vegetación para una superficie heterogénea (dependiendo de la resolución espacial del
sensor agruparia agua, hielo, nieve, áreas urbanas, suelo y vegetación) y rugosa constituido
por un suelo donde la vegetación se encuentra dispersa en forma aleatoria. No tiene en
cuenta heterogeneidad en superficies como agua, hielo, nieve, áreas urbanas. Las hipótesis
considerada para su funcionamiento es: Una superficie es heterogenea y rugosa tanto en
temperatura como en emisividad; no considera la influencia de sombras (asi solo tres
elementos del sistema heterogéneo y rugoso son considerados: cima o techo, vegetación y
laterales o paredes (ver figura N°0 ); desprecia el proceso de doble dispersión entre las
diferentes partes del sistema, para Caselles y Sobrino, 1989 y Valor y Caselles, 1996 es
equivalente a decir que se tiene un error de 0.1°C; la simplificación del sistema es deacuerdo
a una caja infinita y lambertiana; asume una diferencia no mayor a 30° C entre las
temperaturas de cada una de las partes del sistema (por ello la función de Planck puede ser
expandida por una serie de Taylor de primer orden). De acuerdo a estas consideraciones la
emisividad es definida como la ecuación [ ], donde
representa una fracción de la
emisividad de la superficie correspondiente a la radiacion que llega directamente de los
elementos simples, y es hecha sobre la suma de emisividades de los sistemas, techo,
vegetación y paredes.
[4].
La proporción , , son observadas desde el sensor. No considera dependencia angular por
no ser esta muy marcada a angulo menores de 30° (Caselles y Sobrino, 1989). Como hipótesis
simplificadores se considera la cima o techo y los laterales o pared correspondientes a la
vegetación con , .
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Esquema que representa la contribución de las diferentes partes que integran el modelo
Figura N°2. geometrico propuesto por Valor y Caselles, 1996
La de emisividad efectiva de una superficie rugosa general expresada en términos de
radiancia nos permite relacionarla con el porcentaje de vegetación o fracción de cobertura
vegetal, obtenido del índice de vegetación (NDVI, ver ecuación [5]) (Valor y Caselles, 1996).
[5].
La relación de (Carlson y Ripley, 1997) muy usada en los trabajos del IHLLA (Rivas y Carmona,
. Es la usada para estimar la Fracción de cobertura vegetal.
[
(
)
]
[6].
2.1.3. Temperatura Superficial del suelo
Estimar la TST parte de la ecuación de transferencia radiativa (ver ecuación [7]) donde las
hipótesis simplificadoras para evitar la complejidad de la ecuación son: atmosfera libre de
aerosoles, donde el procesos de dispersión no es relevante y solo se considera los procesos
de absorción y emisión; el equilibrio termodinámico local, permite relacionar los procesos de
absorción y emisión; suponer una atmósfera estratificada en capas plano-paralelas.
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(
)
(
)[
(
)
( ( ))]
[7].
De la ecuación [7],
la radiancia monocromática, ( )es la temperatura a la altura z. ( )
la función de Planck. Para valores
la ecuación [ ] hace referencia a la radiancia
ascendente (ecuación [8]) y para
es la radiancia descendente (ecuación [9]).
( )
( )
( )
Con
,
(
( )
)
(
[
)
[8].
( )] ( )
[
(
[9].
)] ( )
son las emisividades de las superficies que limitan la atmosfera (referencia
distancia entre dos puntos),
(
,
los flujos descendentes y ascendetes.
)
[
∫
( )
]
[10].
La solución de la ecuación de transferencia radiativa para obtener la temperatura, por el
método monocanal o el Split Windows, requiere de expresarlas en términos de radiancias del
sensor
(
con
aproximaciones
)
( ), ∫
( ( ))
,
de
(
)
(
)
( ), (
)
( ),
( ). Una forma general muy usada es
la mostrada en la ecuación [11]
( )
( ) ( )
( )
[11].
2.1.3.1. MetodoETR (Julia Barsi)
En Barsi et al 2003 y Barsi et al., 2005 se propuso usar la solución de transferencia
radiativa y relacionarla con la ecuación de Planck para encontrar TSS. Para lograr dicho
objetivo se desarrollo una aplicación web para encontrar los parametro de corrección por
atmosfera (http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/) necesarios para encontrar los valores de
radiancia de la atmosfera. La aplicación web, calcula la transmisividad atmosférica y
radiancia ascendente con facilidad , por ser estas difíciles de calcular. Por ser dependiente
de las características de la superficie y por tener que integrarse a la función filtro del
instrumentos. Se requiere de datos específicos, tiempo y localización como variables de
entrada (ver figura N° ) necesarias para convertir radiancia del satélite a radiancia de
superficie. Los datos de salida dependen de las condiciones locales que han sido usadas
para interpolarla. Se usan capas de 3 km de espsos sobre el nivel del mar para remover las
discontinuidades (Barsi et al., 2005). Los perfiles atmosféricos generados por información
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del National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Estos perfiles contiene
información del lugar y tiempo especifico como temperatura del aire, vapor de agua sobre
unos 30 km del nivel del mar. Con el fin de calcular la información se usa código de
Transferencia MODTRAN para varios tipos de atmosferas estándar. Finalmente la
información es entregada via email (ver la cuación [12] la identificación de dichas
variables).
( )
[
( )
(
)]
( )
( )
[12].
Para obtener la la TST (ver ecuación [13]) se requiere reemplazar la radiancia La ecuación
para obtener la radiancia en suelo encontrada a partir de la radiancia del sensor, la
radiancia ascendente y descendente y el valor de emisividad obtenido del apartado 2.1.2.
*
+
[13].
Donde , valores constantes, 666.09 (L7) ,607.76 (L5) con unidades de W/m2 sr μm y
constante 1282.71 (L7) y 1260.56 (L5) con unidades (K).
Interface para calcular parametros de corrección atmosfrica en el infrarrojo
Figura N°3. térmico (http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)
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2.1.3.2.
Metodo Split Window
Es una solución de la ecuación de transferencia radiativa y se basa en la aproximación
lineal hecha a la función Planck por el método de series de Taylor y utiliza dos canales o
bandas térmicas, dentro de una ventana atmosférica. Para obtener el angulo Split window
( Coll y Caselles, 1997) debemos considerar que cumple lo siguiente:
i.
La transmisividad para un angulo de observación es 53° igual para la banda 1 y
banda 2. La representaremos como
.
ii.
La radiación de cuerpo negro a la
es la misma para ambas bandas.
El propósito de realizar estas aproximacion es corregir TST por absorción y emisición
atmosférica y por cuerpos grises de las superficies naturales. La ventaja de esta
consideración es la absorción diferencial que debe ser altamente correlacionable con las
condiciones atmosféricas (vapor de agua y perfiles de temperautra del aire) como lo es
con las bandas 4 y 5 del sensor AVHRR (Coll y Caselles, 1997). El efecto de emisividad
también es considerado y esta incluida en la atenuación atmosférica en el caso del suelo,
siendo diferente para superficies marinas. La emisividad es altamente variable porque
depende de un gran numero de factores, cobertura de vegetación, suelo, geometria de la
sueperficie, humedad, otros. Ademas de una variación espectral.
De la ecuacion [11] expresada en radiancias se encuentra la radiancia del suelo para las
dos bandas espectrales utilizadas en este método que convertidas en temperaturas para
cada banda, permite conocer la ecuación de temperura para dos bandas térmicas.( Coll y
Caselles, 1997).
(
Donde la constante
( )
)
( )
;
( )
( )
[14].
las temperaturas de cada banda
y
llamadas
temperaturas de brillo; la emisividad es la media de cada valor de emisividad entre las dos
bandas
; la diferencia entre emisividades es expresada como
* [
)
( )
atmosférica,
( ) (
;
(
)
( )
( )
( )
)]+;
(
(
;
angulo cenit de observación;
( )
,
( )
)
(
;
( )
;
),
transmitancia
la temperatura atmosférica
efectiva para el canal n en la dirección ascendente y descendente;
es la tasa de
radiancia descendente hemisférica.
Una forma abreviada de la ecuación [ ] es dada en ( Coll et al., 2005) quien señala la
dependencia de la emisividad de la superficie. Mostrando la ecuación para AATSR y
MODIS.
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(
)
(
)
(
)
[15].
Donde , , , , y dependen del canal usado. Ademas el coeficiente depende
también del vapor de agua precipitable. Tiene un termino cuadrático con el fin de
consdierar o tener en cuenta el incremento de la correccion atmosférica para grandes
cantidades de vapor de agua.
III.
METODOLOGIA
Se realiza una descripción del área de estudio para las primeras medidas en campo, de la
contrucción de la caja de emisividad, del protocolo de medidas, de los instrumentos
usados,. Ademas, el uso de imágenes de satélite para el sensor TIR del satélite Landsat 8 y
el sensor MODIS del satélite TERRA.
3.1.1. AREA DE ESTUDIO.
El Instituto de Hidrologia de Llanuras “IHLLA” tiene estaciones de balance de energía,
ubicada en la Ciudad de Tandil de la provincia de Buenos Aires. La estación usada en
nuestro es la del campus de Tandil de la Universidad Nacional del Centro, cuyas
coordenadas geográficas son: -37.32° Sur, -59.08° Oeste y una altitud de 214 m.s.n.m, al
sur de la capital Argentina.
Los instrumentos de la estación de balance de energía miden flujo de calor del suelo,
velocidad del viento, humedad del suelo a 10 cm de profundidad, radiación de onda corta
(ascendente y descendente), radiación de onda larga(ascendente y descendente) y un
pluviografo. De dichas medidas podemos obtener radiación neta, radiación solar,
contenido volumétrico de agua, otros (F. Carmona et al.,
.
El suelo de la parcela constituye un arguidol típico, profundo, rico en materia orgánica y
minerales (arcillas). Una idea de lo mencionado se muestra en la Figura N°
donde un
perfil con sus respectivos horizontes, teniendo en los 25 cm los horizontes con aptitud
agrícola.
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Figura N°4. Area de medidas en campo de emisividad
Figura N°5. Areas de toma de muestras con la caja de emisividad.
3.1.2. CONSTRUCCIÓN DE CAJA DE EMISIVIDAD
La caja de emisividad, es un instrumento elaborado para medir emisividad en el campo, su
construcción requiere de materiales adecuados aluminio con dimensiones de 29 cm x 29 cm, y
84 de altura (difiera de la caja de emisividad propuesta por Rubio et al 1997 con medidas de
30x30 cm y 80 cm de altura por errores de doblado y consideraciones de cerrado de bordes) y
pulido espejo (
) para cumplir con las condiciones minimas de funcionamiento del
instrumento, ver figura N° 05, madera prensada o triplay con dimensiones de 32 cm x 32 cm,
pegamento y herramientas, dobladora de aluminio, pulidor de aluminio (1 mm de espesor de
130 cm x 84 cm, ver figura N°
), telgopor de alta densidad (protege al aluminio de la
transferencia de calor (ver figura N° 14) aislando térmicamente la caja), remachadora, entre
otras (Rubio et al., 1997). El armado de la caja se realizó con el pegado del telgopor a la madera(
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tres cubiertas en formas de u) para evitar su dañado y además, la deformación de la caja de
aluminio. El pegado requerió usar un pegamento especial para este tipo de superficies.
Finalmente colocada la caja de aluminio, se procedio a colocar la parte de la caja faltante
sellando primero con las paredes laterales. Los bordes de la caja (parte superior inferior y
superior) se sellaron con doble finalidad: evitar la expansión del telgopor con la humedad (agua)
que pueda tenerse del lugar de muestra en el campo (ver figura N°5) y seguridad del diseño (ver
figura N°4).
Figura N°6. Diseño para la elaboración de la caja de emisividad con el aluminio.
Las tapas intercambiables, se formaron de forma personalizada para ajustar la tapa a la caja y así
no encuentrar zonas de perdida de energia, por influencia del viento. La figura N° 5.
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Figura N°7. Pasos considerados para el armado de la caja de emisividad
Los protocolos de medida, para lograr un correcto funcionamiento de la caja de emisividad
requiere conocer los instrumentos siguientes: radiómetro infrarrojo (ver tabla A), con una banda
espectral de de 8- um, con un angulo de visión de 4°; cuerpo negro de referencia (ver tabla B),
permite calibrar el radiómetro térmico y que trabaja a temperatura ambiente; caja de
emisividad y cuaderno de notas.
Figura N°8. Radiometro EVEREST 100.3ZL; Caja de emisividad; Cuerpo negro de referencia Modelo 1000
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Especificaciones Tecnicas: EVEREST 100.3ZL
Rango de trabajo de temperaturas:
-40°C a 100 °C
Resolución:
0.1 °C
Exactitud:
± 0.5 °C
Repetitividad
±0.1°C
Temperatura
Todos están dados en función de voltaje de salida
Ruido Efectivo de temperatura
±0.2°C
Rango espectral
8-14 μm
Campo de visión
Estándar 4° o 15°
Operatividad ambiental
-10° C a 70°C sobre 99% de humedad relativa
Temperatura de almacenamiento
Es la misma para operar a temperatura ambiente
Tiempo de respuesta
0.10 segundos
emisividad
Distancia de operación
2 cm a 300 m
Fuente: http://www.ictinternational.com.au/brochures/1003zl.pdf
Tabla N° A. Configuración técnica del radiómetro EVEREST 100.3ZL
Especificaciones Tecnicas: Fuente de Calibración Infrarroja Modelo 1000
Lectura de salida
-mayor de 13 mm LCD
Rango de trabajo de temperatura
°C a 60 °C
Rango de operatividad a condiciones ambiente:
0 °C a 60 °C
Exactitud absoluta
±0. °C en todo el rango
Resolución
±0.1°C
Condiciones para el equilibrio
instantaneo
Metodo calentamiento
Asume la temperatura del ambiente
emisividad
Considera una alta emisividad de 0.98±0.01
Tabla N° B. Especificaciones técnicas del cuerpo negro de referencia Modelo 1000
Las consideraciones para una correcta medida con la caja de emisividad requiere tomar en
cuenta lo siguiente
a. Las medidas deben realizarse en intervalos de tiempo lo más cortos posibles
(considerar la velocidad viento por este factor el que nos lleva a mayores errores),
pues pequeños cambios en las condiciones hacen variar de forma significativa la
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fiabilidad de la medida. Para evitar este inconveniente es mejor realizar las medidas
durante días despejados y de viento en calma.
b. La medida de la emisividad con la caja queda restringida a periodos diurnos; no podrá
utilizarse por tanto durante la noche. Ademas durante el invierno es posible realizar la
medida únicamente en las horas centrales del dia (10 a 15 h) donde se encuentran las
máximas de radiación solar.
c. Para realizar las medidas es mejor seguir la secuencia de primero realizar la medida
de la muestra con la caja, la medida de la muestra y posterior la de la atmosfera.
d. La emisividad de la muestra con la caja nunca debe ser igual a la de la muestra. Por ser
esta condición una negación al cumplimiento de la ley de Planck donde un cuerpo
negro a la misma temperatura que un cuerpo gris emite de forma diferente por ser un
caso ideal.
En la Figura N° 9 se muestra los pasos a seguir para una correcta medidas de temperatura
radiométrica en el campo.
Figura N°9.
Procedimiento seguido para la medida de la emisividad con el método
de la caja con tapa caliente
3.1.3. EMISIVIDAD CON SATELITE
Para estimar la EST con imágenes de satélite requiere de las ecuaciones de la radiancia, la
reflectancia, índice de vegetación, y fracción de cobertura vegetal. Según la metodología
utilizada en el IHLLA (Rivas y Carmona, 2013).
La conversión de nivel digital a radiancia aplicada para Landsat 7 y Landsat 8 utiliza las
siguientes ecuaciones (Chander et al., 2009), resueltas del header de la imagen original.
Para las imágenes del sensor MODIS, usado en este trabajo, utiliza los productos
MOD021KM
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Página
(
)
[16].
Donde
es la radiancia en cada banda,
la constante de calibración llamada ganancia,
la constante de calibración llamada bias y ( ) el nivel digital de la imagen de satélite.
Para la reflectividad, que es un factor de corrección por la distancia Tierra-Sol en función de
la fecha de adquisición de la imagen, y el angulo de observación, es dada como (Chander et
al., 2009).
(
)
la reflectividad en la banda espectral ,
Donde
(
(
(
(
día de toma de la imagen, el angulo de elevación solar
cenital solar y
[17].
la radiancia, la distancia Tierra-Sol
)))), el dia juliano es el
que nos permite hallar al angulo
de (Chander et al., 2009) para el Landsat 7. Para el satélite Landsat 8
se encuentra un ligero cambio, la ecuación de reflectividad, se usa de la misma manera que
la radiancia haciéndose desde los niveles digitales, obviando la metodología de irradancia
atmosférica(ver ecuación [18].
(
(
)
)
[18].
La manera tradicional de estimar reflectividad con irradiancia atmosférica, requiere
conocer en cada banda espectral su propio valor de irradiancia y para mostrarlo a manera
de ejemplo se ha utilizado el modelo de irradiancia de Kurucz, muy usado para el sensor
ASTER ( ver figura N° 21)
Figura N°10.
[email protected]
Irradiancia espectral exoatmosferica modelada ) web
http://staff.aist.go.jp/s.tsuchida/aster/cal/info/solar/.
Página
La reflectividad encontrada es la captada en el sensor, y para hallar la de la superficie se
necesita atenuar por atmosférica. Es así, que el método Dark Subtract permite desde la
randiancia encontrar la reflectividad del suelo y lo hace usando valores de transmisividad
atmosférica de la superficie al sensor
(
dirección de la iluminación solar
(
) y transmisividad atmosférica en la
(
)
) , siendo
el angulo cenital del
(
sensor y como se esta en el nadir es igual a cero,
) ) e irradiancia difusa desde la atmosfera a la superficie
,
que para la región del espectro correspondiente al infrarojo medio, la atmosfera no
introduce efectos significativos, aproximándose a cero. Ver la figura N° de forma grafica
lo representado en la ecuación [ ].
(
(
)
(
)
)
[19].
Figura N°11. Radiancia recibida por el sensor remoto e interacciones atmósfera - energía electromagnetica
[email protected]
Página
Donde
(
(
)
) con
es el valor de radiancia
minimo de una superficie oscura dentro de la banda espectral de la imagen a procesar que
es de aproximadamente 1000 pixeles (Bayala, 2011)
El hallar la reflectividad del sensor, de superficie, nos permite encontrar el índice de
vegetación, según lo mostrado en la ecuación [5]. Este índice asume las propiedades del
fondo constantes o que las variaciones del suelo son normalizadas (para observar
diferencias entre el índice de vegetación a partir de la reflectividad del sensor y el
corregido por atmosfera, en nuestros resultados la incluiremos por separado para explicar
el efecto que tiene sobre la emisividad). Ademas, esta claro que el procedimiento se
realiza para el satélite Landsat 7, Landsat 8 y el Terra con su sensor MODIS.
Posteriormente, se encontró la fracción de cobertura vegetal, dada por la ecuación [ ] de
la sección 2.1.2.
La emisividad, expresada en la ecuacuón [2] con imágenes de satélite ha llevado a las
siguientes aproximaciones dependiendo el tipo de satélite utilizado: satélite landsat 7,
Landsat 8, Terra sensor MODIS.
Para el satélite Landsat 7
Para el satélite Landsat 8
Para el satélite Terra, sensor MODIS.
(
)
[20].
(
)
[21].
(
)
[22].
(
)
[23].
(
)
[24].
Las ecuaciones de emisividad mostradas para el satélite Landsat 8 han requerido de la
proporción de vegetación y suelo y sus respectivas emisividades extraidas de librerías
espectrales para diferentes tipos de suelo (arguidol) y vegetación (gras vigoroso)
[email protected]
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Figura N°12. Emisividad de la banda térmica TIRS del satélite Landsat 8
3.1.4. Temperatura de la superficie del suelo
Se usa la ecuación [ ] para obtener la temperatura de brillo y para desarrollarla se necesita
de las constantes de cada satélite utilizado: Landsat 5- (Chander et al., 2009) y Landsat 8
(web oficial http://landsat.usgs.gov/). La tabla N° C muestra un resumen de las constantes
utilizadas para la temperatura de brillo con el satélite landsat.
Unidades
Landsat 4
Landsat 5
Landsat 7
Landsat 8
Banda
W/(m sr μm)
Kelvin
Banda 6
Banda 6
Banda 6
Banda 10
Banda 11
Constantes de calibración de la banda térmica del satélite
Tabla N° C. Landsat
Como se menciono en la introducción la emisividad y las variables atmosféricas (radiancia
descendente, transmisividad y vapor de agua) son necesarias para determinar la TST. Como
nuestro caso, utiliza dos métodos para estimar la TST: ecuación monocanal y ecuación Split
window, usaremos la propuesta de Barsi et al 2003 para hallar Transmisividad, radiancias
[email protected]
Página
ascendentes y descendentes (ver figura N° 3). El otro método solamente necesita del vapor
de agua.
El vapor de agua, puede ser estimado con imágenes de satélite según la metodología
propuesta por (Sobrino et al, 2003) que utiliza las bandas 17,18, 19 y 02 del sensor MODIS:
[25].
Donde
las bandas 17 y 2;
radiancias de las bandas 18 y 2;
(
)
(
(
) en función de la radiancias de
)
(
(
)
) en función de la
(
)
en
función de la radiancias de las bandas 19 y 2. Tambien, existe el método de radiosonda que
brinda la Universidad de Wyoming http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html que
utiliza información de Servicios Meteorologicos de los países (ver figura 13).
Representación grafica del entorno web para acceder a datos de radiosondeo. Para nuestra area
Figura N°13. de estudio Tandil, tenemos disponible el SAEZ (87576 SAEZ Ezeiza Aero Observations) y
SAZR (87623 SAZR Santa Rosa Aero Observations)
[email protected]
Página
La TST para una banda térmica como la del satélite Landsat 7 requiere utilizar la ecuación [12] y
[13] fundamenta por el algoritmo por Barsi et al 2003. La ecuación [15] usada para el satélite
TERRA sensor MODIS es la mostrada como
[
(
)](
)
(
)
[26].
La ecuación [83] representa la ecuación general para encontrar la TSS con imágenes modis.
Donde
,
es la temperatura de brillo en las bandas 31 y 32, la emisividad promedio de
las bandas 31 y 32,
la diferencia de emisividades entre las bandas 31 y 32,
(
)
(
) es una constante dependiente del vapor de agua y del angulo
cenital del sensor y finalmente
(
) dependiente del vapor de agua y
del angulo cenital del sensor.
Para el satélite Landsat 8, despues de realizar un análisis y comparación del ancho espectral de
cada banda térmica con el sensor MODIS (parecidos, ver figura N° 14) se ha procedido a utilizar
la ecuación [26] para obtener un valor relativo de TST. Motivado por la necesidad de analizar el
algoritmo Split window y encontrar sus constantes.
Figura N°14.
[email protected]
Respuesta Espectral de las bandas térmicas del Satelite Landsat 8 y Terra con el sensor
MODIS.
Página
IV. RESULTADOS
En esta sección, se muestran los resultados tomados en campo, procesados con imágenes y el
análisis ejecutado en cada procedimiento.
4.1. Emisividad de Librería Espectral
La información de emisividad obtenida de librerías espectrales (firmas espectrales de
laboratorio), en todo el rango espectral permite realizar clasificaciones de tipo de coberturas
en superficie como suelo, vegetación, rocas y agua (Baldridge et al., 2009). Para propósitos de
análisis el documento se usa información de vegetación y suelos (suelos arguidoles de la zona
pampeana), con la finalidad de identificar cual es la variabilidad de estas superficies en rangos
espectrales de sensores térmicos a bordos de satélites Landsat 7, Landsat 8 y Terra MODIS.
La librería espectral disponible1 solo considera 4 firmas espectrales de vegetación (gras seco,
gras, coníferas y plantas con hojas secas), 69 firmas espectrales de suelo con 9 muestras de
molisoles, típico de la región pampeana con su clase arguidol. Como se menciono
anteriormente, la emisividad es variable espectralmente y medirla es difícil de realizar en
especial en campo. Para nuestro caso “caja de emisividad” se usa un radiómetro térmico en el
rango espectral de 8 a 14 µm donde la emisividad para gras vigoroso tiene un valor de
, diferente a los rangos espectrales de las bandas térmicas de los sensores ETM, TIRS y
MODIS cuyas diferencias de emisividad son B6L7:
, B10L8:
, B11L8:
,
B31MOD:
,B32MOD:
. La mayor variabilidad se muestra en el rango espectral 11.5 a
µm donde se localizan las bandas B10 y B32 del sensor TIRS y MODIS. Para el suelo
arguidol se observa una mayor variabilidad de
produciendo unas diferencias de
B6L7:1.63% , B10L8:
%, B11L8:
% , B31MOD: 5% ,B32MOD:
%. De igual manera
que el caso de vegetación se observa que la mayor variabilidad se da las correspondientes
bandas 11 para Landsat 8 y banda 32 para Terra-Modis. Para la clase de suelo con 9 muestras
molisoles (arguidol, Agialboll, Argiustoll, Cryoboroll, Hapludoll, Paleustoll, Haplustall) se
observa que los valores de emisividad para todos los rangos espectrales considerados L7, L8,
Terra-Modis y Radiometro de campo, se tiene una desviación estándar de 0.21%,
0.24%,0.15%,0.23%, 0.13% y 0.97% para todas las muestras. Una variabilidad entre el promedio
de las clases de suelo (promedio) en el rango de 8 a 14 µm que es de
dandonos un
diferencia con B6L7:1.0% , B10L8:0.83%, B11L8:1.31% , B31MOD:0.82% ,B32MOD:1.38%.
1
http://speclib.jpl.nasa.gov/
[email protected]
Página
EMISIVIDAD
Librería Espectral
MUESTRAS DE SUPERFICIE
LIBRERIAS ESPECTRALES
Landsat 7 (ETM)
Landsat 8 (OLI-TIRS)
B06
B10
- . )
µm
µm
Terra (Modis)
B11
)
.
- .
µm
)
B31
B32
µm
µm
Banda Espectral
-
µm
Gras Seco
Gras
Coniferas
Deciduos
Dark grayish brown silty loam (mollisol-Agialboll)
Vary dark grayish brown loam (mollisol-Agriudoll)
Very dark grayish brown silty loam (mollisol-Argiustoll)
Black loam(mollisol-Cryoboroll)
Very dark grayish brown loam (mollisol-Cryoboroll)
Gray silty clay (mollisol-Haplaquoll)
Brown to dark brown sandy loam (mollisol-Hapludoll)
Grayish brown loam(mollisol-Haplustall)
Very dark grayish brown loam (mollisol-Paleustoll)
Desviación Estandar Vegetación
Emisividad Promedio Vegetación
Desviación Estandar Molisol
Emisividad Promedio Suelo
[email protected]
Página
4.2. Emisividad con instrumento “Caja de emisividad” con tapa fria
La metodología hace referencia a los pasos a realizar con la caja emisividad, que con el
radiómetro EVEREST en el rango espectral de 8- µm nos permite obtener la emisividad. En la
tabla N° XXX se muestra medidas de prueba realizadas para los dís 6, 9 ,13, 23 y 30 de mayo
para superficies césped, concreto, suelo (agrícola y mixto) ver figura N° .
Figura N°15.
Areas de medida con la caja de emisividad para los días 6, 9, 13, 23 y 30 de
mayo del 2013.
El procedimiento ecuación de calibración entre el radiómetro y el fuente de calibración de
cuerpo negro, nos permiten encontrar unas constantes de ajuste lineal que permite mejorar
las medidas realizadas con el radiómetro EVEREST. Hay que considerar que el instrumento
tiene un rango de funcionamiento de -40° a 100°C (ver tabla N° E) como extremos y que el uso
actual registra valores de -26° como valor máximo negativo. El ajuste lineal solamente hace
referencia a las medidas postivias del instrumento, teniendo como limitante la medida de
radiancia descendente que es la que nos brinda la información del extremo negativo. Porque
no abordar el tema máximo negativo es por las características del instrumento de cuerpo negro
de referencia que trabaja a temperatura ambiente (ver tabla N° F)
[email protected]
Página
Tabla N° D. Datos de campo medidos con la caja de emisividad, el radiómetro y la fuente de calibración
FECHA
Ecuación EVERESTBlack
06May
Y=1.145X-
09May
Y=1.145X-
EMISIVIDAD OBTENIDA CON EL METODO DE LA CAJA
Temperatura Brillo Ajustada
Muestra
Sin Caja
Con Caja
Cielo
Sin Caja
Radiancia
Con Caja
Cielo
Emisividad
- µm
Cesped
Cemento
Cesped
13May
Y=1.145XVereda
23May
Y=1.424X-
[email protected]
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Página
FECHA
Ecuación EVERESTBlack
EMISIVIDAD OBTENIDA CON EL METODO DE LA CAJA
Temperatura Brillo Ajustada
Muestra
Sin Caja
Con Caja
Cielo
Sin Caja
Radiancia
Con Caja
Cielo
Emisividad
- µm
Suelo-Mixto
Suelo-Mixto
Suelo-Mixto
Suelo-Mixto
Suelo-Mixto
23May
Suelo-Mixto
Y=1.424X-
Suelo-Mixto
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo
Suelo Mixto
30May
Y=0.763X+2.860
Suelo Mixto
Suelo Mixto
Suelo Mixto
Suelo Mixto
Suelo Mixto
Suelo
Suelo
Suelo
[email protected]
Página
4.3. Emisividad con satelite
Obtener un valor de emisividad para datos de campo y de satélite requiere de los valores de
Radiancia (ver ecuación N° [74], Tabla N° I Tabla N° J ) que desde el punto de vista físico es la
información del flujo de energía que llega a un pixel y que para poder calibrarla en función de
la distancia Tierra-Sol y del angulo de observación se tiene que convertir en valores de
reflectividad ( ver Tabla N° K)
La emisividad con satélite se estima a partir del método de coberatura vegetal que requiere
del índice de vegetación “NDVI” y de valores de emisividad vegetal y de suelo de la zona de
estudio. Es asi, que las ecuaciones [78], [81] y [82] son usados para estimar la ESS. Nuestra
metodología hace uso de imágenes del satélite Landsat 7, Landsat 8 y Terra-Modis adquiridas
para nuestra area de estudio Tandil. La grafica muestra la hora de adquisición de las imagenes
(figura N° 26) en este trabajo. De donde obsrevamos que el area de estudio Tandil donde se
encuentra la estación de balance de energía del IHLLA, usa los path 224 y 225 para los satélites
L7 y L8 y el mismo row 086. Con un periodo de toma cada 7 dias.
Figura N° 16. Descripción de la hora de paso del satélite Landsat 7, Landsat 8 y Terra Modis
[email protected]
Página
Los valore de ndvi brindan información de la vegetación y lo hace a partir del rango -1 a +1
realizada con información del sensor y atmosférica (método de corrección atmosférica,
Dark Subtract). La zona de estudio es “Tandil” es una zona agrícola de maíz y soja que para
los meses de abril a junio la vegetación es ya en muchos lugares escasa (alrededores de la
estación de balance de energía). Las ecuaciones de emisividad, anteriormente mostradas
también requieren de la proporción de vegetación que es una información de la cantidad
representa en un pixel en vegetación ( no discrimina el tipo de vegetación). La tabla N° L
muestra un resumen de los datos para el pixel de la estación de balance de energía del
IHLLA.
Los valores de emisividad para nuestra area de estudio de muestran en la Tabla N° M y Tabla N° N.
En ellas se muestran los valores de emisividad para las imágenes sin corregir atmosféricamente y las
corregidas atmosféricamente. También el caso especial que usamos para el satélite Landsat 8 el
cual llamamos ESUN. ESUN, es un producto que ha sido elaborado a partir de la información
modelada de la irradiancia exoatmosferica. La infomacion ESUN no cambia abruptamente con
respecto a la información brindada del header de la imagen.
[email protected]
Página
Tabla N° E. Valores de Radiancia de las imágenes Landsat y Terra
RADIANCIA
Información obtenida del Header de la Imagen
Dato de un pixel (- ° ’
’’ y - ° ’
’’) (Estación de Balance de Energía)
Landsat 7 (ETM)
Terra (Modis)
B04
B61
B62
B04
B05
B10
B11
B04 B05 B10
B11
-
FECHA
B03
13-Abr
-
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
-
22-May
07-Jun
FECHA
B03
13-Abr
20-Abr
-
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
[email protected]
-
RADIANCIA
Dato Kernel 3x3 pixel (- ° ’
’’ y - ° ’
’’ Estación de Balance de Energía)
Landsat 7 (ETM)
Terra (Modis)
B04
B61
B62
B04
B05
B10
B11
B04 B05 B10 B11
-
Página
Tabla N° F. Valores de reflectividad para los satélites Landsat y Terra. El valor de reflectividad considera la reflectancia Toa y la
Reflectancia con corrección atmosférica.
FECHA
13-Abr
20-Abr
B03
-
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
-
FECHA
13-Abr
20-Abr
B03
-
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
-
[email protected]
REFLECTIVIDAD
’’ y - ° ’
’’ Estación de Balance de Energía
Landsat 7 (ETM)
Terra (Modis)
ESUN
DOS
Header
ESUN
DOS
MOD021KM
DOS
B04
B03
B04
B04
B05
B04
B05
B04
B05
B
B
B
B
-
REFLECTIVIDAD
’’ y - ° ’
Landsat 7 (ETM)
Terra (Modis)
ESUN
DOS
Header
ESUN
DOS
MOD021KM
DOS
B04
B03
B04
B04
B05
B04
B05
B04
B05
B01
B02
B01
B02
-
Página
Tabla N° G. Valores del índice de vegetación para las imágenes del satélite Landsat y terra
ÍNDICE DE VEGETACIÓN(NDVI) – PROPORCIÓN DE VEGETACIÓN (Pv)
’’ y - ° ’
Fecha
NDVI
Pv
NDVI
Pv
NDVI
Pv
Landsat 7 (ETM)
Terra (Modis)
ESUN DOS
ESUN DOS
Header ESUN DOS
Header ESUN DOS
ESUN DOS
ESUN DOS
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
-
ÍNDICE DE VEGETACIÓN(NDVI) – PROPORCIÓ DE VEGETACIÓN (Pv)
’’ y - ° ’
’’ Estación de Balance de Energía)
Fecha
NDVI
Pv
NDVI
Pv
NDVI
Pv
Landsat 7 (ETM)
Terra (Modis)
ESUN DOS
ESUN DOS
Header ESUN DOS
Header ESUN DOS
ESUN DOS
ESUN DOS
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
-
[email protected]
Página
Tabla N° H. Emisividad superficial de imágenes Landsat 7 y Landsat 8
EMISIVIDAD SUPERFICIAL DEL SUELO
Información obtenida del Header de la Imagen - Dato de un pixel (-
07-Jun
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
DOS
DOS
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
DOS
-
ESUN
-
Header
-
ESUN
DOS
Mean
ESUN
DIF
-
-
Header
B11
ESUN
Header
B10
-
21-Abr
14May
15May
22May
° ’
Header
20-Abr
’’ y -
DOS
13-Abr
Landsat 7
(ETM
’
ESUN
FECHA
°
-
-
-
[email protected]
-
’’ y -
° ’
-
-
-
-
-
-
-
-
DOS
-
ESUN
-
Header
-
DOS
-
Mean
ESUN
Header
DOS
ESUN
Header
DIF
-
-
’
B11
DOS
-
B10
ESUN
-
°
Header
DOS
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
ESUN
FECHA
Landsat 7
(ETM
-
Página
Tabla N° I. Emisividad superficial de imágenes del sensor MODIS del satélite TERRA
°
’
’’ y -
° ’
Terra (Modis)
-
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
DOS
DOS
DOS
DOS
Mean
ESUN
DIF
ESUN
B32
ESUN
B31
ESUN
FECHA
-
’’ y -
° ’
-
DOS
DOS
Mean
ESUN
DIF
ESUN
ESUN
B32
DOS
B31
ESUN
[email protected]
’
DOS
FECHA
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
°
Terra (Modis)
-
Página
Tabla N° J. Temperatura Superficial del suelo par aun pixel que representa la estación de balance de energia
TEMPERATURA SUPERFICIAL DEL SUELO
Fecha
13-Abr
20-Abr
Landsat 7 (ETM)
Atmosfera
ESUN
TB61
TB62
-
-
-
-
-
°
’
22-May
07-Jun
-
-
-
-
DOS
B61
B62
B61
B62
-
-
-
-
-
14-May
-
° ’
MODIS
21-Abr
15-May
’’ y -
-
-
TB10
TB11
-
-
wv
WVR
EZE
SRosa
Header
ESUN
DOS
-
-
-
-
Tabla N°K. Temperatura supercial del suelo del satélite TERRA MODIS
Fecha
°
’
’’ y -
° ’
TERRA (MODIS)
WVR
EZE
SRosa
WV
MODIS
TBrillo
TB31
TSS
TB32
ESUN
DOS
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
[email protected]
Página
Tabla N°
Fecha
13-Abr
20-Abr
L.
Información de temperatura superficial del suelo para imágenes del satélite Landsat.
Información obtenida del Header de la Imagen -Dato Kernel 3x3 pixel (- ° ’
’’ y - ° ’
Landsat 7 (ETM
Atmosfera
ESUN
DOS
TB10
TB11
TB61
TB62
B61
B62
B61
B62
-
-
-
-
-
-
-
-
-
14-May
22-May
07-Jun
-
-
-
-
-
-
-
MODIS
WV
WVR
EZE
SRosa
Header
ESUN
DOS
-
-
-
-
21-Abr
15-May
-
-
-
Tabla N° M. Información de temperatura superficial del suelo del satélite MODIS
Información obtenida del Header de la Imagen -Dato Kernel 3x3 pixel (- ° ’
’’ y Fecha
TERRA (MODIS)
WVR
EZE
SRosa
WV
MODIS
° ’
TBrillo
TB31
TSS
TB32
ESUN
DOS
13-Abr
20-Abr
21-Abr
14-May
15-May
22-May
07-Jun
[email protected]
Página
4.4.
Temperatura Superficial del suelo con satelite
La temperatura superficial del suelo estimadas para los satélites Landsat 7, Landsat 8 y
Terra Modis se muestra en las tablas N° 0, P, Q, R donde se reporta los valores de
emisividad para la estación de balance de energía del IHLLA. Tambien, se identifico un
valor de nueve pixeles para mostrar como cambia los valores de emisividad a medida que
espacialmente vamos cambiando la resolución espacial del sensor (pixel normal 30m).
[email protected]
Página
I.
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Mapping Land Surface Emissivity from NDVI :
Application to European , African , and South American Areas. Remote Sensing of
Environment, , 167–
[email protected]
Página

josé jesús pasapera gonzales - Instituto Gulich

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