Characterization of the surface emissivity and temperature at heterogeneous sites for different zenith viewing angles using remote sensing

Para estimar con precisión la temperatura de la superficie terrestre (TST) es necesario conocer con exactitud la emisividad de dicha superficie. Sobre zonas vegetadas, la estimación de la emisividad es más compleja debido a las reflexiones múltiples de la radiación (emitida y reflejada) entre los distintos elementos que forman la vegetación (suelo y elementos de la planta). En la literatura pueden encontrarse diversos métodos que modelan la emisividad de la vegetación. En este trabajo, se ha profundizado en el análisis y evaluación de los modelos de transferencia radiativa (MTR) para la obtención de la emisividad direccional de la vegetación. Los modelos utilizados para este estudio han sido: FR97 (François et al., 1997), Mod3 (François, 2002), Rmod3 (Shi, 2011), REN15 (Ren et al., 2015), CE-P (Cao et al., 2018) y 4SAIL (Verhoef et al., 2007). Estos modelos han sido validados con medidas in-situ, aplicados a datos de satélite y evaluados cuando las emisividades resultantes se usan como entrada de un algoritmo split-window (SW) para la obtención de la TST. Validación de los MTR Los MTR fueron evaluados realizando medidas in-situ de emisividad sobre una muestra de rosales y dos suelos con características distintas: un suelo orgánico con alta emisividad y un suelo inorgánico (arena) con baja emisividad. Para la realización de medidas in-situ se utilizaron dos radiómetros CE312 con cinco canales estrechos entre 8 y 13 µm, los cuales permitieron aplicar un método de separación temperatura-emisividad (TES). En un primer estudio, donde se utilizó un suelo orgánico, se realizaron 15 medidas de radiancia para 7 ángulos de observación y 6 valores de LAI en cada caso. En un segundo estudio, el suelo orgánico se cambió por arena y se tomaron 15 medidas de radiancia para 2 ángulos de observación distintos y 6 valores de LAI. Además, para la aplicación de los modelos se midieron las muestras de hoja de rosal y de los dos suelos. De estas medidas se obtuvo una emisividad constante en el caso de las hojas, cercana a 0,98. Para el suelo orgánico, la emisividad obtenida varió entre 0,949 y 0,967 según el canal espectral, mientras que para el suelo inorgánico la emisividad mostró tener un mayor contraste espectral, con una emisividad entre 0,732 y 0,962. La emisividad derivada de los MTR se comparó primero con la emisividad medida en observación a nadir. Para el suelo orgánico, los resultados mostraron que las medidas de emisividad TES no diferían con la variación del LAI. Sin embargo, sobre el suelo inorgánico se observó en la emisividad TES el incremento en emisividad predicho por los MTR, principalmente debido a la mayor diferencia entre la emisividad del suelo inorgánico y de las hojas. Esta variación de la emisividad con el LAI, observada con las medidas in-situ, fue ajustada mediante regresión, obteniendo coeficientes de correlación entre 0,986 y 0,999 según el canal espectral. El MTR Mod3 obtuvo valores más cercanos a las medidas TES que el resto de modelos, teniendo en cuenta el análisis estadístico tanto del suelo orgánico como inorgánico. Estos mejores resultados del MTR Mod3 destacaron especialmente en aquellos canales donde la diferencia entre la emisividad de suelo y hoja era mayor. La evaluación de la emisividad obtenida en función del ángulo de observación mostró poca variación, tanto en el caso de los MTR como en el de las medidas TES, sobre cualquiera de las muestras con los distintos suelos utilizados. Por lo tanto, para condiciones similares a las analizadas en este estudio no se espera ninguna variación de la emisividad de la vegetación con el ángulo. En cuanto a la comparación entre los MTR y el método TES, para el suelo orgánico, donde la diferencia en emisividad entre suelo y hoja es mínima, el modelo Mod3 en global obtuvo los valores más cercanos a la emisividad TES en términos de RMSE. Sin embargo, estos valores fueron muy próximos a los obtenidos por los modelos FR97, REN15, CE-P y 4SAIL, con diferencias inferiores a la incertidumbre de las medidas. Si analizamos los resultados en función del intervalo de variación del LAI, el MTR que mejor se ajustó a los valores TES obtenidos de las medidas realizadas cuando LAI > 1,5 m2/m2 fue el MTR Mod3, pero para LAI < 1,5 m2/m2 el modelo con resultados más próximos a la emisividad TES fue el FR97. Cuando la diferencia entre la emisividad de suelo y hoja aumentó, como fue el caso de las medidas en el intervalo espectral 8,0 – 9,5 µm sobre la muestra con suelo inorgánico, el MTR Mod3 obtuvo los mejores resultados comparando con las medidas de emisividad TES para todos los valores de LAI. En este caso, los modelos FR97, REN15, CE-P y 4SAIL sobreestimaron considerablemente las medidas TES y el MTR Rmod3 la subestimó, especialmente para valores de LAI < 2 m2/m2. Aplicación a satélite Los MTR se utilizaron para generar mapas de emisividad direccional de la vegetación para imágenes del sensor MODIS a bordo del satélite EOS – Aqua sobre la Península Ibérica. El MTR Rmod3 fue excluido de este estudio debido a las grandes diferencias observadas en las medidas in-situ y su mayor coste computacional en la generación de los mapas. Estos mapas fueron generados para una rejilla de coordenadas constante con proyección WGS84 a una resolución espacial de 500 m, como máxima resolución, y a una resolución de 1 km para la comparación directa con los productos de emisividad MYD11 y MYD21 del sensor MODIS. Para generar los mapas de emisividad direccional de la vegetación se utilizaron distintos productos MODIS: el producto de LAI MCD15A2H, el producto de tipo de cobertura de superficie MCD12Q1 y el producto de temperatura y emisividad MYD21A1 (obtenido con el uso de un método TES), el cual fue utilizado tanto para obtener el ángulo de observación de cada pixel, así como para una posterior comparación con los datos obtenidos. Además, para la asignación de la emisividad de suelo, se utilizó un mapa mundial de clasificación de taxonomía de suelo. Las emisividades seleccionadas tanto para cada suelo como tipo de hoja fueron obtenidas a partir de los distintos espectros de la librería espectral ECOSTRESS (Meerdink et al., 2019). La emisividad obtenida al aplicar los MTR con datos de satélite fue comparada con datos de referencia tomados en una zona experimental de validación en Cortes de Pallás. Esta zona es una planicie de ~200 km2 de matorrales. Al tratarse de una zona con poca variación de la cantidad de vegetación a lo largo del año, no se observó ninguna variación temporal. En cuanto a los MTR, estos mostraron una diferencia entre ellos inferior a 0,015, siendo la mayor diferencia la observada entre los modelos CE-P (emisividad ~0,985) y Mod3 (emisividad ~0,970). Esta emisividad fue comparada con la obtenida por los productos MODIS MYD11A1, MYD11B1 y MYD21A1 y el producto de emisividad IREMIS de la Universidad de Wisconsin. Los valores de emisividad extraídos de los productos MODIS eran concordantes con los valores obtenidos con los MTR sobre la zona de estudio. El producto MYD21A1 mostró una mayor dispersión de datos, especialmente con valores de emisividad inferiores a los esperados. Esta dispersión pudo ser debida a la mayor sensibilidad en la corrección atmosférica del método TES utilizado para su generación. Tal como ocurrió en las medidas experimentales, para el suelo orgánico y valores de LAI cercanos a 1 m2/m2, el MTR FR97 se ajustó mejor a los valores obtenidos con los productos MODIS. Por otra parte, el producto IREMIS mostró valores de emisividad poco realistas, con valores propios de suelo sin vegetación, los cuales no coinciden con la descripción de la zona de estudio. La emisividad direccional de los MTR fue comparada frente al producto MYD21A1 sobre las distintas clases de coberturas de superficie de la Península Ibérica. El Mod3 mostró, en términos globales, un resultado más cercano a la emisividad obtenida con el producto MYD21A1 en los canales centrados en 11 y 12 µm. En cambio, en el canal centrado en 8,55 µm se observaron resultados similares en todos los modelos. Todos ellos obtuvieron mejores resultados en los canales de 11 y 12 µm, donde las diferencias entre la emisividad de las componentes de la superficie son, generalmente, más pequeñas. En el canal de 8,55 µm tanto la emisividad de suelo como de las hojas cubren un mayor intervalo, esto provocó una mayor dispersión en los datos observados, así como un mayor error sistemático en las distintas clases de superficie. Evaluación del efecto de la emisividad de los MTR sobre la TST La validación de los productos de TST es una tarea necesaria para el control del funcionamiento de los sensores térmicos a bordo de satélites, así como la mejora de la precisión de los algoritmos utilizados para la obtención de la TST. Con el fin de evaluar el efecto de la emisividad estimada a partir de cada MTR sobre la TST, la emisividad de los canales de 11 y 12 µm se utilizó en el algoritmo SW usado como operativo para MODIS (Wan, 2014), con los coeficientes propuestos por Wang et al. (2019). La TST obtenida con la emisividad de cada modelo, así como con la emisividad de los distintos productos MODIS, fue comparada con datos tomados in-situ en la zona de validación de Cortes de Pallás, tanto con los datos obtenidos con un sistema de barrido angular como con los radiómetros instalados con ángulo de observación fijo. Los resultados obtenidos de la comparación con ambos sistemas fueron similares. En los dos casos, se observó un error sistemático entre +0,0 y +0,6 K y un error aleatorio cercano a ±1 K para todos los MTR y productos MODIS, excepto para el producto de emisividad IREMIS, que obtuvo un error sistemático superior a +1 K. Dentro de estos resultados, la TST obtenida con la emisividad de los MTR CE-P, REN15, 4SAIL y FR97 obtuvo el menor error sistemático (< 0,2 K). En cuanto a la TST obtenida con la emisividad de los productos de MODIS MYD11A1, MYD11B1 y MYD21A1, mostraron resultados muy próximos a los obtenidos con los MTR, ya que la emisividad de estos productos es similar a la obtenida por los MTR en esta zona. La validación de la TST realizada para estos mismos productos sobre la zona obtuvo buenos resultados en términos de exactitud, con un error sistemático de +0,3 K y +0,4 K para los productos MYD11A1 y MYD21A1, respectivamente. Finalmente, se realizó complementariamente una validación R-based sobre dos zonas en la Península Ibérica: una de olivos y una de viña. En esta validación se observó un error aleatorio inferior a ±1 K en ambas zonas para la temperatura obtenida con la emisividad proporcionada por los MTR. En cuanto al error sistemático obtenido por los MTR fue distinto para cada una de las zonas, siendo entre -0,6 y -0,1 K en la zona de olivos y entre -0,1 y +0,2 K en la viña. Para la temperatura determinada con la emisividad del producto MYD11A1 se obtuvo un error sistemático y aleatorio igual que los MTR 4SAIL y REN15 sobre la zona de olivos y un error sistemático ligeramente superior en la zona de viña. Por lo tanto, se observaron mejores resultados con el MTR Mod3 que con la emisividad de los otros MTR y de los productos MODIS sobre la zona de olivos. En cambio, estos resultados fueron similares tanto en la zona de validación de Cortes de Pallás, con datos de validación in-situ, como sobre la zona de viña, con datos de validación R-based. En este último caso, a pesar del valor reducido de fracción de cobertura vegetal (< 0,27) y de LAI (< 0,7 m2/m2), la emisividad obtenida por el producto MYD11A1 era muy elevada, propia de una superficie vegetada (> 0,984). Sin embargo, la emisividad obtenida por los MTR (entre 0,97 y 0,98) resultaba más realista, teniendo en cuenta el tipo de superficie de la zona de estudio. Con todo ello, los MTR demuestran proporcionar buenos resultados en la estimación de la emisividad requerida para la determinación de la TST desde satélites con sensores térmicos como el MODIS, ya que los resultados son similares o, en algunos casos, incluso mejores a los obtenidos mediante los procedimientos actualmente operativos. Estos resultados hacen interesante la extensión de los MTR a otros sensores satelitales, para los que permitiría obtener la emisividad de la superficie considerando las posibles variaciones en la cubierta vegetal en términos de LAI.