Thermal remote sensing of urban areas: the case study of the urban heat island of Madrid

L'illa de calor urbana (ICU) es un dels exemples de la modificacio del clima local que implica el proces d'urbanitzacio. I es defineix com la diferencia de temperatura entre la zona urbana i la zona rural que l'envolta. Es pot definir-se a distints nivells atmosferics, depenent si la temperatura de l'aire es pren dins de la capa dosser urbana (CDU) o si es fa en la capa limit urbana (CLU). No obstant aixo, quan s'utilitza la teledeteccio termica per a quantificar i seguir l'evolucio del fenomen, l'ICU es defineix a nivell de superficie (ICU de superficie, ICUS) i es mesura com la diferencia entre la temperatura de la superficie del terra (TST) de la zona urbana i la TST de la zona no urbana. Els objectius d'aquesta tesi doctoral son quantificar l'efecte d'ICUS de la ciutat de Madrid a partir de les dades adquirides durant la campanya DESIREX, que va tindre lloc a Madrid els mesos de juny i juliol de 2008; comprovar l'eficacia de l'algoritme Temperature and Emissivity Separation (TES) sobre una zona urbana; i determinar les caracteristiques de resolucio espacial i hora de pas idonies que deuria de posseir un sensor destinat a l'estudi de l'efecte ICUS. S’utilitzen tres algoritmes (el metode dels llindars de NDVI, el TES i el TISI) per a obtenir l’emissivitat de la superficie del terra (EST) a partir de les imatges del sensor Airborne Hyperspectral Scanner (AHS). Els resultats es comparen amb mesures in situ obtenint un error del 5.6% per al metode dels llindars de NDVI, del 3.9% per al TES i del 3.0% per al TISI. A continuacio els mapes de EST s’introdueixen en un algoritme Split Window per a obtenir la TST de la ciutat, la qual tambe es valida amb mesures in situ, obtenint un error de 2.9 K per al metode dels llindars de NDVI i de 2 K per al TES i per al TISI. Tenint en compte els resultats i les necessitats de resolucio espectral i espacial de cada algoritme, finalment es recomana la utilitzacio de l’algoritme TES. L’ICUS es analitzada a diferents resolucions espacials. El resultat per a distints sensors no es directament comparable, perque els distints angles zenitals d’observacio de cada adquisicio fan que, fins i tot quan s’examina la mateixa area, les superficies observades siguen distintes. No obstant aixo, el comportament de l’ICUS mesurat es similar en tots els sensors, amb valors positius durant la nit i prop de zero (o fins i tot negatius) durant el dia. La temperatura de l’aire enregistrada sobre els edificis s’ha utilitzat per a estimar l’ICU atmosferica a la CLU, metre que a la CDU s’ha obtingut de mesures mobils realitzades dins de la ciutat. Ambdos fenomens evolucionen de manera semblant i, quan es comparen amb l’efecte ICUS, concloem que durant la nit l’efecte atmosferic i el de superficie concorden millor que a migdia. A continuacio, s’estudien els errors introduits a la TST i l’EST durant tot el processament de les imatges. Es proposen tres fonts d’error. Primer l’algoritme mateix, que pot no respondre de manera adequada per a tots els materials artificials que es troben en una ciutat. Segon, la correccio atmosferica feta amb sondejos que poden no reproduir fidelment l’atmosfera. I tercer, es te en compte l’estructura tridimensional de l’entorn urba, utilitzant la ferramenta de simulacio TITAN. La influencia de la rugositat de la superficie s’ha estudiat sobre l’asfalt, que es el material utilitzat comunament al fons dels canons urbans. Aixi, les tres fonts d’error sobre aquest material donen un error global del 0.7% en l’EST i de 0.5 K en la TST. Quan tenim en compte els materials mes representatius de la ciutat, sols es cosideren les dues primeres fonts d’error, trobant un error del 1.8% en l’EST i de 1 K en la TST. A la fi, s’obtenen imatges de TST agregada a partir de la resolucio original de 4 m de les imatges AHS. S’introdueix el concepte d’ICUS maxima per a avaluar la resolucio espacial adient per a observar la ciutat i trobem que la resolucio llindar per a diferencial el comportament termic de diferents arees de la ciutat es de 50 m. L’hora de pas del sensor que minimitza la influencia de la geometria d’adquisicio i facilita la relacio entre l’ICU atmosferica i de superficie es abans de l’eixida del sol.