SEBCS modul pro prostorový výpočet energetické bilance, intenzity evapotranspirace a vodního stresu porostu z družicových dat

Transkript

1 SEBCS modul pro prostorový výpočet energetické bilance, intenzity evapotranspirace a vodního stresu porostu z družicových dat SEBCS - a module for spatial computing of energy balance, intensity of evapotranspiration and crop water stress using satellite data Jakub Brom Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, Katedra krajinného managementu, Studentská 13., České Budějovice, jbrom@zf.jcu.cz Abstrakt Příspěvek představuje softwarové řešení výpočtu složek energetické bilance zemského povrchu a ukazatelů vodního stresu vegetace na základě kombinace družicových multispektrálních a termálních dat a meteorologických měření. Jedná se tedy o výpočet v prostorové škále. Software SEBCS (Module for Spatial Computing of Surface Energy Balance and Crop Water Stress) je modulem vytvořeným pro softwarový balík IDRISI. SEBCS je primárně určen pro zpracování dat z družic Landsat 5 TM a 7 ETM+, nicméně je možné využít i jiných datových zdrojů, např. kombinace leteckých hyperspektrálních a termálních dat. Výpočet složek energetické bilance je založen na dvou přístupech. První je založen na Moninově-Obuchovově teorii similarity, druhý přístup je založen na škálování teploty povrchu ve sledovaném prostoru. V obou případech je respektována geometrie záření a geometrie povrchu. Klíčová slova: dálkový průzkum Země, energetická bilance, evapotranspirace, vodní stres Abstract The proposed paper introduces a software solution of the spatial computing of surface energy balance and vegetation water stress features, based on the combination of satellite multispectral and thermal data and meteorological measurement. The SEBCS software (Module for Spatial Computing of Surface Energy Balance and Crop Water Stress) was created as an add-on module for the IDRISI software package. The SEBCS is primarily designed for an analysis of Landsat 5 TM and 7 ETM+ satellite data; however, other spatial data sources can be used, e.g. the combination of aerial hyperspectral and thermal data. The calculation of energy balance features is based on two different approaches. The first draws on the Monin-Obukhov similarity theory, the second is based on the scaling of surface temperature in the area of interest. The solar beam and surface geometry is respected in both cases. Key Words: remote sensing, energy balance, evapotranspiration, water stress Úvod Problematika energetické bilance území a otázky územního výparu nacházejí uplatnění jak ve výzkumu, tak i v praktických oblastech hydrologie a vodohospodářství, klimatologie, zemědělství, lesnictví, v ochraně přírody a v krajinné tvorbě. Znalost energetické bilance daného území nebo plochy, její dynamiky a prostorových charakteristik má široké možnosti uplatnění, nicméně získat informace o prostorové distribuci těchto dějů je poměrně náročné. Významnou pomůckou k získání informací o energetické bilanci v prostoru může být dálkový průzkum Země (DPZ), ať už letecký nebo satelitní, který umožňuje získávat informace o vlastnostech povrchu, jeho spektrálních projevech, teplotě apod. Výhodou je, že je v jeden okamžik, respektive v krátkém časovém intervalu, zachyceno rozsáhlé území. V současnosti existuje celá řada přístupů k výpočtu složek energetické bilance na základě dat DPZ, 8

2 které jsou různě náročné na vstupní data a na vlastní zpracování (přehled viz např. Kalma et al. 2008, Li et al. 2009). Zde prezentovaný modul SEBCS (Module for Spatial Computing of Surface Energy Balance and Crop Water Stress) umožňuje výpočet jednotlivých složek energetické bilance a ukazatele vodního stresu vegetačního krytu na základě kombinace řady různých výpočetních přístupů, kdy pro výpočet tepelné bilance byly zvoleny dva přístupy, přístup aerodynamický a přístup gradientový. Cílem příspěvku je představit modul SEBCS z uživatelského pohledu, přinést přehled vstupních dat a popsat výstupy modulu. Popis modulu Modul SEBCS je modulem pro GIS software IDRISI (Clark Labs, Clark University Worcester, USA, Modul byl testován ve verzích IDRISI Tajga, Andes a Selva. Modul SEBCS je napsán v programovacím jazyce Python TM verze 2.x. Vlastní program SEBCS má formu spustitelného skriptu, který není potřeba instalovat. Modul SEBCS je licencován v rámci otevřené licence BSD 3 Clause License, lze jej tedy volně používat a upravovat. Detailní popis je uveden v manuálu programu (Brom 2012). Aktuální verzi modulu lze stáhnout z adresy: Vstupy modulu Modul SEBCS respektuje prostředí a práci s daty v programu IDRISI, je tedy přímo asociován s aktivním pracovním adresářem, ze kterého načítá datové vstupy a ukládá do něj výstupy. Pro zadávání dat slouží vstupní formulář programu SEBCS, který se objeví po jeho spuštění. Formulář je zobrazen na obr. 1. Obr. 1: Vstupní formulář modulu SEBCS. Prvním vstupem formuláře je volba použité metody. V modulu SEBCS je využito v podstatě dvou přístupů výpočtu složek energetické bilance povrchu. První je založen na výpočtu toku zjevného tepla z vertikálního gradientu teploty a odporu mezní vrstvy atmosféry pro přenos tepla a hybnosti, analo- 9

3 gicky Ohmovu zákonu. Výpočet aerodynamických vlastností povrchu a stability atmosféry je odvozen z Moninovy-Obuchovovy teorie similarity. V důsledku je výpočetní přístup odvozen z modelu SE- BAL (Bastiaanssen et al., 1998), s úpravami stanovení maximální a minimální teploty a teplotního gradientu podle Koloskova et al. (2007) a Jacksona et al. (1981, 1988). Druhý přístup je založen na stanovení horizontálního gradientu teploty povrchu, kdy lze předpokládat, že minimální teplota povrchu v daném prostoru odpovídá maximální úrovni intenzity výparu a maximální teplota naopak odpovídá plochám s minimálním výparem nebo bez výparu (Jackson et al., 1981, Jones et al., 2009, Möller et al., 2007). Tímto gradientovým přístupem lze odvodit evaporativní frakci a z ní následně jednotlivé tepelné toky (Suleiman et Crago, 2004). Vlastní volba použité metody obsahuje tři položky. V prvních dvou případech je volena aerodynamická metoda (první) pro data z družice Landsat a pro data z ostatních datových zdrojů. V třetím případě je volena gradientová metoda. Rozdíl prvních dvou přístupů spočívá ve způsobu výpočtu albeda povrchu, kdy pro data Landsat je použita metoda odvozená ze systému METRIC (Tasumi et al. 2008) a doplňkově je albedo počítáno podle Lianga (Liang 2001, Liang et al. 2003). Ve druhém případě je albedo počítáno empirickým přístupem (Duffková et al. 2012). V rámci gradientové metody je způsob výpočtu albeda optimalizován v závislosti na použitých datech. Druhá volba formuláře umožňuje zvolit použitý systém družicových, případně leteckých dat. Vlastní datové vstupy lze rozdělit do čtyř skupin. První skupinou jsou spektrální data, kdy je nutno zadat alespoň data pro červené a blízké infračervené spektrální pásmo. Pokud jsou zadána všechna spektrální pásma, je proveden výpočet albeda podle modelu METRIC, v ostatních případech je použit empirický přístup. Druhou skupinu vstupních dat představuje vstup termálních dat buď v podobě hrubých dat družic Landsat, kdy program sám provádí radiometrickou korekci nebo je zadána přímo teplota povrchu. Možnou volbou je i výpočet emisivity a korekce termálních dat na emisivitu. Třetí skupinou dat jsou doplňková data: teplota vzduchu, digitální model terénu, pole rychlosti proudění vzduchu, maximální a minimální výška porostu a volba masky území, pro kterou je prováděn výpočet. Vrstvy polí teploty vzduchu a rychlosti proudění vzduchu jsou zadávány jako prostorové vrstvy z důvodu možnosti definovat heterogenní prostředí uživatelem. Čtvrtou skupinou jsou numerické vstupy: globální radiace (krátkovlnná radiace dopadající na vodorovnou plochu v okamžiku vzniku snímků nebo jako krátkodobý průměr), relativní vlhkost vzduchu, výška měření rychlosti proudění větru, průměrná zeměpisná šířka a délka použitých prostorových dat, datum a čas pořízení snímků. Vstupy všech prostorových dat jsou asociovány s aktivním pracovním adresářem IDRISI, to znamená, že jsou datové vrstvy ve formuláři pouze vybírány ze seznamu vrstev, které jsou v adresáři k dispozici. Při zadávání dat je potřeba přidržet se zásad pro výpočty v programu IDRISI - musí být shodná výpočetní oblast, shodné rozlišení a shodné použité geografické zobrazení. Výstupy modulu Výstupy výpočtu jsou ukládány do aktivního pracovního adresáře IDRISI ve formátu.rst a.rdc (metadata). Jak ukazuje tabulka 1., je výstupů značné množství, nicméně je možné jednoduchou úpravou zdrojového kódu seznam výstupních dat rozšířit o další data, případně zúžit. Tabulka 1: Přehled vypočtených výstupů programem SEBCS a jejich význam. Zkratka uvádí název výstupního souboru. Název souboru Popis albedo Albedo (rel.) bowen Bowenův poměr (bezrozm.) CWSI Crop Water Stress Index, Stresový plodinový index (bezrozm.) EF Evaporativní frakce (rel.) G Tok tepla do půdy (W.m -2 ) H Tok zjevného tepla (W.m -2 ) 10

4 LE Tok latentního tepla výparu (W.m -2 ) LE_p Tok latentního tepla výparu pro potenciální výpar (W.m -2 ) LE_PT Tok latentního tepla výparu podle Priestley-Taylora (W.m -2 ) msavi Index MSAVI - Modified Soil Adjusted Vegetation Index (bezrozm.) ndvi Index NDVI - Normalizovaný rozdílový vegetační index (bezrozm.) ndmi Index NDMI - Normalizovaný rozdílový vlhkostní index (bezrozm.). Pouze pro data z družice Landsat. omega Omega faktor (bezrozm.) ra Aerodynamický odpor povrchu (s.m -1 ) rc Odpor povrchu pro přenos vodní páry (s.m -1 ) Rl_dop Dlouhovlnná složka dopadající radiace (W.m -2 ) Rl_emit Dlouhovlnná složka radiační bilance emitovaná povrchem (W.m -2 ) Rn Celková čistá radiace (W.m -2 ) Rs_dop Krátkovlnná složka dopadající radiace - globální záření (W.m -2 ) RS_odr Krátkovlnná složka odražené radiace - globální záření (W.m -2 ) Ts Teplota povrchu ( C) Přestože modul SEBCS používá celou řadu přístupů k zamezení vzniku chyb, případně k jejich odstranění (např. adaptivní filtry), je po provedení výpočtu potřeba velmi pečlivě vážit získanou informaci a data interpretovat s uvážením. Namístě je provedení postprocessingu dat. Závěr Modul SEBCS je dostupným nástrojem pro výpočet složek energetické bilance bez potřeby využití nákladných softwarových produktů. S ohledem na další možnosti výpočetních přístupů a využití dat je vítán každý námět na zlepšení funkce programu. Poděkování Tato práce vznikla na základě řešení a finanční podpory výzkumného projektu NAZV QH92034 a projektu OPVK CZ 1.07/2.4.00/ Nejnovější technologie dálkového průzkumu Země ve službách výzkumu, vzdělávání a aplikací pro rozvoj regionů Literatura Bastiaanssen, W. G., Menenti, M., Feddes, R.A., Holtslag, A. A. M., A remote sensing surface energy balance algorithm for land (SEBAL). 1. Formulation. Journal of Hydrology , doi: /s (98) Brom, J., Modul pro prostorový výpočet energetické bilance a vodního stresu vegetace (Module for Spatial Computing of Surface Energy Balance and Crop Water Stress) - SEBCS 0.1. Software + Návod k použití. Suleiman, A., Crago, R., Hourly and Daytime Evapotranspiration from Grassland Using Radiometric Surface Temperatures. Agronomy Journal 96, doi: /agronj Jackson, R. D., Idso, S. B., Reginato, R. J., Pinter, P. J., Canopy temperature as a crop water stress indicator. Water Resources Research 17, doi: /wr017i004p01133 Jackson, R. D., Kustas, W. P., Choudhury, B. J., A reexamination of the crop water stress index. Irig. Sci. 9, Koloskov, G., Mukhamejanov, K., Tanton, T., Monin Obukhov length as a cornerstone of the SEBAL calculations of evapotranspiration. Journal of Hydrology 335, doi: /j.jhydrol Kalma, J. D., McVicar, T. R., McCabe, M. F., Estimating Land Surface Evaporation: A Review of Methods Using Remotely Sensed Surface Temperature Data. Surveys in Geophysics 29, doi: /s z 11

5 Li, Z. L., Tang, R., Wan, Z., Bi, Y., Zhou, C., Tang, B., Yan, G., Zhang, X., A Review of Current Methodologies for Regional Evapotranspiration Estimation from Remotely Sensed Data. Sensors 9, doi: /s Jones, H. G., Serraj, R., Loveys, B. R., Xiong, L., Wheaton, A., Price, A. H., Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field. Functional Plant Biol. 36, 978. doi: /fp09123 Möller, M., Alchanatis, V., Cohen, Y., Meron, M., Tsipris, J., Naor, A., Ostrovsky, V., Sprintsin, M., Cohen, S., Use of thermal and visible imagery for estimating crop water status of irrigated grapevine. Journal of Experimental Botany 58, doi: /jxb/erl115 Tasumi, M., Allen, R. G., Trezza, R., At-Surface Reflectance and Albedo from Satellite for Operational Calculation of Land Surface Energy Balance. Journal of Hydrologic Engineering 13, doi: /(asce) (2008)13:2(51) Liang, S., Narrowband to broadband conversions of land surface albedo I. Remote Sensing of Environment 76, doi: /s (00) Liang, S., Shuey, C. J., Russ, A. L., Fang, H., Chen, M., Walthall, C. L., Daughtry, C. S.., Hunt, R., Narrowband to broadband conversions of land surface albedo: II. Validation. Remote Sensing of Environment 84, doi: /s (02) Duffková, R., Brom, J., Žížala, D., Zemek, F., Procházka, J., Nováková, E., Zajíček, A., Kvítek, T., Určení infiltračních oblastí pomocí vodního stresu vegetace na základě dálkového průzkumu Země a pozemních měření. Metodika. VÚMOP, v.v.i., Praha. 12