A New Material-Oriented TES for Land Surface Temperature and SUHI Retrieval in Urban Areas: Case Study over Madrid in the Framework of the Future TRISHNA Mission
Un nouveau algorithme TES orienté matériaux pour estimer la température de surface et l'îlot de chaleur urbain de surface : étude sur Madrid dans le contexte de la future mission TRISHNA
Résumé
The monitoring of the Land Surface Temperature (LST) by remote sensing in urban areas is of great interest to study the Surface Urban Heat Island (SUHI) effect. Thus, it is one of the goals of the future spaceborne mission TRISHNA, which will carry a thermal radiometer onboard with four bands at a 60-m spatial resolution, acquiring daytime and nighttime. In this study, TRISHNA-like data are simulated from Airborne Hyperspectral Scanner (AHS) data over the Madrid urban area at 4-m resolution. To retrieve the LST, the Temperature and Emissivity Separation (TES) algorithm is applied with four spectral bands considering two main original approaches compared with the classical TES algorithm. First, calibration and validation datasets with a large number of artificial materials are considered (called urban-oriented database), contrary to most of the previous studies that do not use a large number of artificial material spectra during the calibration step, thus impacting the LST retrieval over these materials. This approach produces one TES algorithm with one empirical relationship, called 1MMD TES. Second, two empirical relationships are used, one for the artificial materials and the other for the natural ones. These relationships are defined thanks to two calibration datasets (artificial-surface-oriented database and natural-surface-oriented database, respectively), one containing mainly artificial materials and the other mainly natural ones. Finally, in order to use two empirical relationships, a ground cover classification map is given to the TES algorithm to separate artificial pixels from natural ones. This approach produces one material-oriented TES algorithm with two empirical relationships, called 2MMD TES. In order to perform a complete comparison of these two addenda in the TES algorithm and their impact on the LST retrieval, both AHS and TRISHNA spatial resolutions are studied, i.e., 4-m and 60-m resolutions, respectively. Relative to the calibration of the TES algorithm, we conclude that (1) the urban-oriented database is more representative of the urban areas than previous databases from the state-of-the-art, and (2) using two databases (artificial-surface-oriented and natural-surface-oriented) instead of one prevents the overestimation of the LST over natural materials and the underestimation over artificial ones. Thus, for both studied spatial resolutions (AHS and TRISHNA), we find that the 2MMD TES outperforms the 1MMD TES. This difference is especially important for artificial materials, corroborating the above conclusion. Furthermore, the comparison with ground measurements shows that, on 4-m spatial resolution images, the 2MMD TES outperforms both the 1MMD TES and the TES from the state-of-the-art used in this study. Finally, we conclude that the 2MMD TES method, with only four spectral bands, better retrieves the LST over artificial and natural materials and that the future TRISHNA sensor is suited for the monitoring of the LST over urban areas and the SUHI effect.
Le suivi de la température de surface terrestre (LST) par télédétection dans les zones urbaines est d'un grand intérêt pour étudier l'effet d'îlot de chaleur urbain de surface (SUHI). C'est donc l'un des objectifs de la future mission spatiale TRISHNA, qui transportera à bord un radiomètre thermique à quatre bandes avec une résolution spatiale de 60 m, faisant des acquisitions de jour et de nuit. Dans cette étude, des données de type TRISHNA sont simulées à partir des données d’AHS (Airborne Hyperspectral Scanner) sur la zone urbaine de Madrid à une résolution de 4 mètres. Pour récupérer la LST, l'algorithme de séparation température et émissivité (TES) est appliqué avec quatre bandes spectrales en considérant deux approches originales principales par rapport à l'algorithme TES classique. Tout d'abord, des ensembles de données d’apprentissage et de validation avec un grand nombre de matériaux artificiels sont considérés (appelés base de données orientée urbain), contrairement à la plupart des études précédentes qui n'utilisent pas un grand nombre de spectres de matériaux artificiels pendant l'étape d’apprentissage, ce qui a un impact sur l’estimation de la LST sur ces matériaux. Cette approche produit un algorithme TES avec une relation empirique, appelé 1MMD TES. Ensuite, deux relations empiriques sont utilisées, une pour les matériaux artificiels et l'autre pour les matériaux naturels. Ces relations sont définies grâce à deux ensembles de données d'étalonnage (base de données axée sur les surfaces artificielles et base de données axée sur les surfaces naturelles, respectivement), l'une contenant principalement des matériaux artificiels et l'autre principalement des matériaux naturels. Enfin, afin d'utiliser ces deux relations empiriques, une carte de classification de la couverture du sol est donnée à l'algorithme TES pour séparer les pixels artificiels des pixels naturels. Cette approche produit un algorithme TES orienté matériau avec deux relations empiriques, appelé 2MMD TES. Afin d'effectuer une comparaison complète de ces deux ajouts à l'algorithme TES et de leur impact sur l’estimation de la LST, les résolutions spatiales AHS et TRISHNA sont étudiées, c'est-à-dire des résolutions de 4 et 60 mètres, respectivement. En ce qui concerne l’apprentissage de l'algorithme TES, nous concluons que (1) la base de données orientée urbain est plus représentative des zones urbaines que les bases de données précédentes de l'état de l'art, et (2) l'utilisation de deux bases de données (orientée vers les surfaces artificielles et orientée vers les surfaces naturelles) au lieu d'une seule prévient la surestimation de la LST sur les matériaux naturels et la sous-estimation sur les matériaux artificiels. Ainsi, pour les deux résolutions spatiales étudiées (AHS et TRISHNA), nous constatons que le 2MMD TES est plus performant que le 1MMD TES. Cette différence est particulièrement importante pour les matériaux artificiels, ce qui corrobore la conclusion ci-dessus. En outre, la comparaison avec les mesures au sol montre que, sur les images à résolution spatiale de 4 m, le 2MMD TES surpasse à la fois le 1MMD TES et le TES de l'état de l'art utilisé dans cette étude. Enfin, nous concluons que la méthode 2MMD, avec seulement quatre bandes spectrales, permet d’estimer plus précisément la LST sur les matériaux artificiels et naturels et que le futur capteur TRISHNA est adapté au suivi de la LST sur les zones urbaines et de l'effet SUHI.
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