Harmonization of remote sensing land surface products : correction of clear-sky bias and characterization of directional effects

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Deteção Remota), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Land surface temperature (LST) is the mean radiative skin temperature of an area of land resulting from the mean energy balance at the surface. LST is an important climatological variable and a diagnostic parameter of land surface conditions, since it is the primary variable determining the upward thermal radiation and one of the main controllers of sensible and latent heat fluxes between the surface and the atmosphere. The reliable and long-term estimation of LST is therefore highly relevant for a wide range of applications, including, amongst others: (i) land surface model validation and monitoring; (ii) data assimilation; (iii) hydrological applications; and (iv) climate monitoring. Remote sensing constitutes the most effective method to observe LST over large areas and on a regular basis. Satellite LST products generally rely on measurements in the thermal infrared (IR) atmospheric window, i.e., within the 8-13 micrometer range. Beside the relatively weak atmospheric attenuation under clear sky conditions, this band includes the peak of the Earth’s spectral radiance, considering surface temperature of the order of 300K (leading to maximum emission at approximately 9.6 micrometer, according to Wien’s Displacement Law). The estimation of LST from remote sensing instruments operating in the IR is being routinely performed for nearly 3 decades. Nevertheless, there is still a long list of open issues, some of them to be addressed in this PhD thesis. First, the viewing position of the different remote sensing platforms may lead to variability of the retrieved surface temperature that depends on the surface heterogeneity of the pixel – dominant land cover, orography. This effect introduces significant discrepancies among LST estimations from different sensors, overlapping in space and time, that are not related to uncertainties in the methodologies or input data used. Furthermore, these directional effects deviate LST products from an ideally defined LST, which should correspond to the ensemble directional radiometric temperature of all surface elements within the FOV. In this thesis, a geometric model is presented that allows the upscaling of in situ measurements to the any viewing configuration. This model allowed generating a synthetic database of directional LST that was used consistently to evaluate different parametric models of directional LST. Ultimately, a methodology is proposed that allows the operational use of such parametric models to correct angular effects on the retrieved LST. Second, the use of infrared data limits the retrieval of LST to clear sky conditions, since clouds “close” the atmospheric window. This effect introduces a clear-sky bias in IR LST datasets that is difficult to quantify since it varies in space and time. In addition, the cloud clearing requirement severely limits the space-time sampling of IR measurements. Passive microwave (MW) measurements are much less affected by clouds than IR observations. LST estimates can in principle be derived from MW measurements, regardless of the cloud conditions. However, retrieving LST from MW and matching those estimations with IR-derived values is challenging and there have been only a few attempts so far. In this thesis, a methodology is presented to retrieve LST from passive MW observations. The MW LST dataset is examined comprehensively against in situ measurements and multiple IR LST products. Finally, the MW LST data is used to assess the spatial-temporal patterns of the clear-sky bias at global scale.Fundação para a Ciência e a Tecnologia, SFRH/BD/9646

Modeling the angular dependence of satellite retrieved Land Surface Temperature (LST)

Tese de mestrado em Ciências Geofísicas, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A temperatura de superfície do solo (Land Surface Temperature - LST) é definida como a temperatura radiométrica da superfície sobre terra, correspondendo à radiação emitida no infravermelho (IV) térmico por uma camada com espessura da ordem da profundidade de penetração da radiação IV, da ordem do comprimento de onda. A LST é uma variável climatológica importante e, também, um parâmetro de diagnóstico das condições da superfície do solo. Pode ser utilizada para estimar fluxos de calor sensível à superfície, a humidade do solo, a evapotranspiração e propriedades da vegetação, incluindo o seu stress hídrico. A deteção remota, nomeadamente a efetuada através de satélites, constitui o único meio disponível para a obtenção de LST a uma escala espacial global e regular e com elevada frequência temporal. A Land Surface Analysis Satellite Application Facility (LSA-SAF) dissemina, de forma operacional e em tempo quase real, um produto de LST obtido por aplicação de um algoritmo do tipo “generalized split-window” a observações de temperatura de brilho no topo da atmosfera efetuadas pelo Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) a bordo dos satélites da série Meteosat Second Generation (MSG). A validação da LST da LSA-SAF envolve não só a sua comparação com medições in situ mas também com a LST obtida por sensores a bordo de outros satélites. As principais fontes de discrepâncias de LST entre satélites são: 1) a calibração do sensor, 2) as funções de resposta, 3) a resolução espacial e temporal, 4) a correção atmosférica aplicada, 5) as estimativas de emissividade de superfície adotadas, 6) a máscara de nuvens utilizadas e 7) a anisotropia angular. Destas, a sensibilidade da LST à anisotropia angular é um dos tópicos menos estudados. No entanto, os produtos de satélite de LST são, em geral, variáveis direcionais, isto é, a LST obtida para uma dada cena, utilizando o mesmo sensor, mas com ângulos de visão diferentes, frequentemente apresenta valores diferentes, dependendo de fatores como o tipo de superfície, as características do solo e a inclinação do terreno. A estrutura da superfície tem uma influência importante na temperatura, devido particularmente a efeitos de sombreamento pelos elementos de vegetação e inclinação do terreno que resultam numa dependência da LST dos ângulos zenital e azimutal de visão. Para superfícies homogéneas, a variabilidade da LST é essencialmente função da direccionalidade da emissividade, enquanto para superfícies heterogéneas a variabilidade angular está na sua maioria associada às proporções observadas pelo satélite de diferentes componentes que possuem as suas próprias temperatura e emissividade. Existem diversos modelos de transferência radiativa que tratam de diferentes formas a anisotropia da radiação em zonas vegetadas. Os modelos Ótico-Geométricos foram desenvolvidos em particular para descrever florestas e outros cobertos vegetais descontínuos. Estes modelos operam assumindo que a copa da vegetação pode ser descrita por objetos geométricos distribuídos espacialmente de acordo com determinado modelo estatístico. A interseção e reflecção de luz são calculadas analiticamente a partir de considerações geométricas. Nestes modelos a radiância de uma dada região é estimada como sendo uma média pesada das radiâncias de cada componente básico (normalmente, o solo ao sol e à sombra e a copa ao sol e à sombra). Neste estudo apresenta-se um modelo geométrico que permite estimar as áreas projetadas de cada componente utilizando geometria de raios paralelos para descrever a iluminação de um único elemento de vegetação tridimensional e a sombra que origina. Dada a forma e tamanho do elemento de vegetação e a geometria de visão e iluminação, as diferentes proporções podem ser estimadas recorrendo ao formalismo do modelo Booleano, desde que se possa assumir que os objetos possuem uma distribuição espacial aleatória. O modelo Booleano inclui ainda a possibilidade de sombreamento mútuo entre objetos e a sobreposição de copas. Este tipo de modelo ótico-geométrico tem sido bastante utilizado por vários autores em estudos de anisotropia de temperatura da superfície. O procedimento proposto no presente trabalho tem a vantagem de recorrer a um método computacional simples para calcular as projeções, em vez de utilizar um método analítico mais rígido e complexo. O método consiste em projetar um elemento de vegetação tridimensional (copa elipsoidal ou cónica) numa malha de elevada resolução, o que permite a utilização de qualquer forma e tamanho para a vegetação e até mesmo a combinação de diferentes formas e tamanhos. As radiâncias das componentes são obtidas a partir de medições in situ da temperatura de brilho provenientes da estação de validação de LSA-SAF em Évora. Estas medições são efetuadas a cada minuto por quatro radiómetros que observam o solo ao sol (em dois pontos diferentes), a copa de uma árvore e o céu a um ângulo zenital de 53º, sendo a última medição utilizada para estimar a componente de fluxo radiativo descendente refletido. Assume-se ainda que a temperatura da sombra é determinada pelos valores máximos diários das temperaturas do ar e do solo ao sol. O modelo é posteriormente aplicado ao pixel do MSG que contém a estação de Évora, utilizando-se informação de terreno sobre a densidade de árvores e a sua forma e tamanho médios. A temperatura do compósito resultante da combinação do modelo geométrico e das medições in situ é então comparada com a LST operacional disseminada pela LSA-SAF. Os resultados mostram uma boa concordância entre a temperatura do compósito e a LST, apresentando um viés de cerca de 1ºC e um erro médio quadrático de cerca de 1.5ºC. Acresce que os resultados mostram que existe um impacto significativo de heterogeneidades da superfície na LST e, especialmente, que esse impacto varia ao longo do dia e do ano uma vez que depende das temperaturas relativas do solo ao sol e à sombra e da copa. Em relação a outros estudos efetuados, o presente trabalho proporciona uma avaliação mais pormenorizada deste efeito, em particular graças à análise efetuada a uma grande variedade de ângulos de visão e iluminação, emissividades de superfície e coberto vegetal. A simplicidade do modelo permite a sua aplicação a qualquer satélite, geoestacionário ou de orbita polar. A LST foi, assim, igualmente comparada com o respetivo produto do sensor MODIS. A comparação dos dois produtos mostra a presença de um viés e de um desvio padrão dos erros de cerca de 3ºC. O modelo geométrico foi mais uma vez aplicado às medições in situ, de forma a estimar e corrigir desvios entre as estimativas de LST com base nos dois sensores, que estão associados a geometrias de visão diferentes. A aplicação desta correção resulta numa redução significativa do desvio padrão dos erros, resultado este expectável, dada a geometria de visão variável do MODIS. Quanto ao viés observado entre os dois sensores, este não pode ser atribuído a diferenças na geometria de visão, estando provavelmente relacionado com outras fontes persistentes de erro. As diferenças observadas podem eventualmente ser atribuídas às discrepâncias significativas observadas entre as emissividades utilizadas pela LSA-SAF e pelo MODIS. Com efeito, no período de estudo, as diferenças variam entre 0.005 e 0.01, com o MODIS a apresentar sempre valores mais elevados, facto consistente com o viés negativo observado. Os resultados obtidos sugerem que o procedimento proposto pode constituir uma ferramenta útil para a validação e comparação de LST de diferentes sensores. O modelo geométrico apresentado representa um ponto de partida para a compreensão dos efeitos direcionais na LST. Pode antecipar-se que este modelo virá a ser utilizado num estudo alargado de sensibilidade, a ser realizado para todo o disco MSG – e por isso para uma vasta variedade de tipos de superfície e geometrias de visão e iluminação – de modo a que sejam identificadas áreas e períodos do dia e do ano em que estes efeitos são mais pronunciados.Satellite retrieved values of Land Surface Temperature (LST) over heterogeneous pixels generally depend on viewing and illumination angles as well as on the characteristics of the land cover. A geometrical model is presented that allows estimating LST of a given pixel for any viewing and illumination angles. The Boolean scene model is used to estimate the per-pixel fractions covered by the following three scene components: sunlit background, shaded background and vegetation. Estimates of the average area covered by canopies and by shadow are derived from the projection of a single arbitrarily-shaped vegetation element (e.g. ellipsoidal or conical tree canopies) onto a fine scale regular grid. The model is applied to time-series of continuous in situ brightness temperature measurements as obtained at the LSA-SAF validation site in Évora (Portugal) during 2011 and 2012. Measurements are performed every minute by four radiometers, two of them observing the sunlit background and the other two a tree crown and the sky at 53° zenith angle. It is assumed that the shadow temperature is determined by daily maxima of air and sunlit background temperatures. The resulting composite temperature is compared against LSA-SAF operational LST data as retrieved from the SEVIRI instrument on-board Meteosat-8. Results show a bias of order of 1 K and a RMSE of about 1.5K. LST data are also compared against MODIS (level 3) daily LST. The LST difference between MSG and MODIS shows a strong dependence on viewing geometry that suggests relying on the geometrical model to generate estimates of LST differences between the two sensors.Results obtained with the model reveal a significant decreasing of the standard deviation error between the sensors

Retrieval Consistency between LST CCI Satellite Data Products over Europe and Africa

The assessment of satellite-derived land surface temperature (LST) data is essential to ensure their high quality for climate applications and research. This study intercompared seven LST products (i.e., ATSR_3, MODISA, MODIST, SLSTRA, SLSTRB, SEVIR2 and SEVIR4) of the European Space Agency’s (ESA) LST Climate Change Initiative (LST_cci) project, which are retrieved for polar and geostationary orbit satellites, and three operational LST products: NASA’s MODIS MOD11/MYD11 LST and ESA’s AATSR LST. All data were re-gridded on to a common spatial grid of 0.05° and matched for concurrent overpasses within 5 min. The matched data were analysed over Europe and Africa for monthly and seasonally aggregated median differences and studied for their dependence on land cover class and satellite viewing geometry. For most of the data sets, the results showed an overall agreement within ±2 K for median differences and robust standard deviation (RSD). A seasonal variation of median differences between polar and geostationary orbit sensor data was observed over Europe, which showed higher differences in summer and lower in winter. Over all land cover classes, NASA’s operational MODIS LST products were about 2 K colder than the LST_cci data sets. No seasonal differences were observed for the different land covers, but larger median differences between data sets were seen over bare soil land cover classes. Regarding the viewing geometry, an asymmetric increase of differences with respect to nadir view was observed for day-time data, which is mainly caused by shadow effects. For night-time data, these differences were symmetric and considerably smaller. Overall, despite the differences in the LST retrieval algorithms of the intercompared data sets, a good consistency between the LST_cci data sets was determined

Google Earth Engine Open-Source Code for Land Surface Temperature Estimation from the Landsat Series

Land Surface Temperature (LST) is increasingly important for various studies assessing land surface conditions, e.g., studies of urban climate, evapotranspiration, and vegetation stress. The Landsat series of satellites have the potential to provide LST estimates at a high spatial resolution, which is particularly appropriate for local or small-scale studies. Numerous studies have proposed LST retrieval algorithms for the Landsat series, and some datasets are available online. However, those datasets generally require the users to be able to handle large volumes of data. Google Earth Engine (GEE) is an online platform created to allow remote sensing users to easily perform big data analyses without increasing the demand for local computing resources. However, high spatial resolution LST datasets are currently not available in GEE. Here we provide a code repository that allows computing LSTs from Landsat 4, 5, 7, and 8 within GEE. The code may be used freely by users for computing Landsat LST as part of any analysis within GEE

Impact of High Concentrations of Saharan Dust Aerosols on Infrared-Based Land Surface Temperature Products

An analysis of three operational satellite-based thermal-infrared land surface temperature (LST) products is presented for conditions of heavy dust aerosol loading. The LST products are compared against ERA5’s skin temperature (SKT) across the Sahara Desert and Sahel region, where high concentrations of dust aerosols are prevalent. Large anomalous differences are found between satellite LST and ERA5’s SKT during the periods of highest dust activity, and satellite–ERA5 differences are shown to be strongly related to dust aerosol optical depth (DuAOD) at 550 nm, indicating an underestimation of LST in conditions of heavy dust aerosol loading. In situ measurements from two ground stations in the Sahel region provide additional evidence of this underestimation, showing increased biases of satellite LST with DuAOD, and no significant dependence of ERA5’s SKT biases on dust aerosol concentrations. The impact of atmospheric water vapor content on LST and SKT is also examined, but dust aerosols are shown to be the primary driver of the inaccurate LSTs observed. Based on comparisons with in situ data, we estimate an aerosol-induced underestimation of LST of approximately 0.9 K for every 0.1 increase in DuAOD. Analysis of brightness temperatures (BTs) in the thermal infrared atmospheric window reveals that dust aerosols have the opposite effect on BT differences compared to water vapor, leading to an underestimation of atmospheric correction by the LST retrieval algorithms. This article highlights a shortcoming of current operational LST retrieval algorithms that must be addressed

"Antes da estrelinha brilhar" : abordagem preparatória ao volume I do método Suzuki para violoncelo em crianças entre os 3 e os 5 anos

Dissertação de mestrado em Ensino de Música, Universidade Lusíada de Lisboa, 2015Exame público realizado em 24 de Julho de 2015A presente dissertação foi desenvolvida no âmbito do mestrado em Ensino da Música da Universidade Lusíada de Lisboa. Tem como objetivo principal problematizar, partindo de uma contextualização pedagógica, a abordagem preparatória ao Volume I do método Suzuki para violoncelo em crianças entre os 3 e os 5 anos. Servem de fundamentação teórica os conceitos: jogo, método e filosofia Suzuki no ensino pré-escolar. A estratégia e métodos de investigação tiveram em conta o estudo empírico suportado numa abordagem indutiva no âmbito da vivência da investigadora com o objeto e ambiente do estudo. Ambiciona-se com o presente trabalho de investigação contextualizar e procurar evidenciar a importância da questão do jogo no âmbito da preparação ao volume I do método Suzuki para violoncelo e como resultado é proposta uma compilação de jogos, músicas e exercícios para ser aplicada pelo professor de instrumento de cordas numa primeira fase, antes do início do método que tem como música introdutória a “Estrelinha” e as suas variações. Esta primeira abordagem, de carácter vincadamente preparatório, exige um nível de criatividade e inovação do professor, que visa estimular a criança na aprendizagem do instrumento, partindo de pressupostos não apenas musicais ao englobar de igual modo a postura e a própria relação física com o mesmo. Acresce que ao nível técnico há também uma preparação inicial para o manuseamento do arco que não está contemplado no método Suzuki, mas que exige uma planificação cuidada no sentido do progressivo desenvolvimento do processo de aprendizagem. Por último, pretende-se assim analisar de que modo os exercícios preparatórios devem convergir com os pressupostos da filosofia, pedagogia e valores que pautam o método Suzuki bem como de que forma é que os jogos podem auxiliar neste processo, propondo-se uma compilação de exercícios que ajudam e motivam os alunos e fornecem aos docentes mais recursos pedagógicos

A Comprehensive Clear-Sky Database for the Development of Land Surface Temperature Algorithms

Land surface temperature is linked to a wide range of surface processes. Given the increased development of earth observation systems, a large effort has been put into advancing land surface temperature retrieval algorithms from remote sensors. Due to the very limited number of reliable in situ observations matching the spatial scales of satellite observations, algorithm development relies on synthetic databases, which then constitute a crucial part of algorithm development. Here we provide a database of atmospheric profiles and respective surface conditions that can be used to train and verify algorithms for land surface temperature retrieval, including machine learning techniques. The database was built from ERA5 data resampled through a dissimilarity criterion applied to the temperature and specific humidity profiles. This criterion aims to obtain regular distributions of these variables, ensuring a good representation of all atmospheric conditions. The corresponding vertical profiles of ozone and relevant surface and vertically integrated variables are also included in the dataset. Information on the surface conditions (i.e., temperature and emissivity) was complemented with data from a wide array of satellite products, enabling a more realistic surface representation. The dataset is freely available online at Zenodo

Assessing the potential of parametric models to correct directional effects on local to global remotely sensed LST

International audienc

Evaluation of Methods for Estimating Lake Surface Water Temperature Using Landsat 8

Changes in lake water temperature, observed with the greatest intensity during the last two decades, may significantly affect the functioning of these unique ecosystems. Currently, in situ studies in Poland are conducted only for 38 lakes using the single-point method. The aim of this study was to develop a method for remote sensing monitoring of lake water temperature in a spatio-temporal context based on Landsat 8 imagery. For this purpose, using data obtained for 28 lakes from the period 2013–2020, linear regression (LM) and random forest (RF) models were developed to estimate surface water temperature. In addition, analysis of Landsat Level-2 Surface Temperature Science Product (LST-L2) data provided by United States Geological Survey (USGS) and the National Aeronautics and Space Administration (NASA) was performed. The remaining 10 lakes not previously used in the model development stage were used to validate model performance. The results showed that the most accurate estimation is possible using the RF method for which RMSE = 1.83 °C and R^2 = 0.89, while RMSE = 3.68 °C and R^2 = 0.8 for the LST-L2 method. We found that LST-L2 contains a systematic error in the coastal zone, which can be corrected and eventually improve the quality of estimation. The satellite-based method makes it possible to determine water temperature for all lakes in Poland at different times and to understand the influence of climatic factors affecting temperature at the regional scale. On the other hand, spatial presentation of thermics within individual lakes enables understanding the influence of local factors and morphometric conditions

A Methodology to Simulate LST Directional Effects Based on Parametric Models and Landscape Properties

The correction of directional effects on satellite-retrieved land surface temperature (LST) is of high relevance for a proper interpretation of spatial and temporal features contained in LST fields. This study presents a methodology to correct such directional effects in an operational setting. This methodology relies on parametric models, which are computationally efficient and require few input information, making them particularly appropriate for operational use. The models are calibrated with LST data collocated in time and space from MODIS (Aqua and Terra) and SEVIRI (Meteosat), for an area covering the entire SEVIRI disk and encompassing the full year of 2011. Past studies showed that such models are prone to overfitting, especially when there are discrepancies between the LSTs that are not related to the viewing geometry (e.g., emissivity, atmospheric correction). To reduce such effects, pixels with similar characteristics are first grouped by means of a cluster analysis. The models’ calibration is then performed on each one of the selected clusters. The derived coefficients reflect the expected impact of vegetation and topography on the anisotropy of LST. Furthermore, when tested with independent data, the calibrated models are shown to maintain the capability of representing the angular dependency of the differences between LST derived from polar-orbiter (MODIS) and geostationary (Meteosat, GOES and Himawari) satellites. The methodology presented here is currently being used to estimate the deviation of LST products with respect to what would be obtained for a reference view angle (e.g., nadir), therefore contributing to the harmonization of LST products