3D modeling of the radiative budget of urban landscapes via the inversion of satellites images into urban materials reflectance and temperature maps
Modélisation 3D du bilan radiatif des milieux urbains par inversion d'images satellites en cartes de réflectance et de température des matériaux urbains
Résumé
Optical remote-sensing imagery provide a unique and very needed information, but still a partial one, because only in the observation configuration of the satellite sensor (i.e. viewing direction and spectral bands), whereas Q* is an integrated quantity over all the directions and over the whole shortwave (Qsw*) and longwave (Qlw*) spectral domain. These integrations applied to satellite images are very complicated because of the complexity of the urban tri-dimensional (3D) architecture, and because of the urban materials temperature and optical properties spatial heterogeneity. Over the course of this PhD, an innovative approach has been conceived in order to achieve those integrations and thus obtain temporal series of Q* maps at the spatial resolution of the used satellite sensors (i.e. Sentinel-2, Landsat-8, etc.). This approach is using solely a 3D radiative transfer model, satellite images, and a geometrical urban database including the topology, the urban constructions (i.e. buildings, roads, etc.) and the vegetation (i.e. trees, gardens, etc.). Schematically speaking, the radiative transfer model DART (www.cesbio.ups-tlse/dart), developed at CESBIO, is used in inverse mode in order to transform satellite images into urban materials optical properties and temperature maps, and then in direct mode in order to compute radiative budget Q*Δλ maps for each spectral band of the used satellite sensor. Then, the spectral integral of those Q*Δλ maps leads to the desired Q* maps. Each temporal series of Qsw* maps is then generated efficiently from direct albedo maps (i.e. black sky albedo) and diffuse (i.e. white sky albedo) pre-computed using DART from the geometrical urban database of the considered city and optical properties derived from the closest satellite image. These maps are complemented by external thermal data for the computation of the temporal series. This method has been conceived and refined using 3 cities with very varying geometries and optical properties: London (United- Kingdom), Basel (Switzerland), and Heraklion (Greece). The H2020 project URBANFLUXES of the European Community used the simulated Q* maps in order to estimate the urban anthropogenic heat fluxes using the derivation of urban energy budget computed from satellite imagery. The precision of the developed method has been estimated using the relative error ER between the radiance images simulated by DART and measured by satellite sensors (ER<2% for any spectral band) and the relative error EQ* between Q* simulated and measured by flux towers. For the year 2016, |EQ*|< 4.5% for 321 Q* maps over Basel, and |EQ*|< 4.4% for 278 London Q* maps. This capacity of deriving from satellite imagery precis Q* maps is really promising in light of the always increasing availability of urban geometrical databases, of high resolution temporal series of satellite images, and of the improvement of 3D radiative transfer modeling.
Du fait de son impact sur le climat urbain, le suivi temporel du bilan radiatif urbain Q*, avec prise en compte de sa variabilité spatiale, est un axe de recherche en développement. Q* est la différence entre l'éclairement (i.e., rayonnement incident) et l'exitance (rayonnement sortant) sur le domaine spectral qui englobe l'essentiel du rayonnement solaire (i.e., courtes longueurs d'ondes ) et de l'émission thermique terrestre (i.e., grandes longueurs d'ondes). Les images satellites optiques fournissent une information unique et indispensable mais très partielle, car uniquement pour la configuration d'observation (direction de visée et bandes spectrales du capteur satellite), alors que Q* est une quantité intégrée sur toutes les directions de l'espace et sur l'ensemble des courtes (Qsw*) et grandes (Qlw*) longueurs d'onde. Ces intégrations appliquées aux images satellites sont très compliquées du fait de la complexité de l'architecture tridimensionnelle (3D) urbaine, et de l'hétérogénéité spatiale des propriétés optiques et températures des matériaux urbains. Durant cette thèse, une approche originale a été conçue pour effectuer ces intégrations et ainsi obtenir des séries temporelles de cartes de Q* à la résolution spatiale des images satellites utilisées (i.e., Sentinel-2, Landsat-8, etc.). Elle s'appuie uniquement sur un modèle de transfert radiatif 3D, des images satellites et une base de données géométriques urbaine incluant le relief, le bâti (i.e., immeubles, maisons, routes, etc.) et la végétation (i.e., arbres, pelouses, etc.). De manière schématique, le modèle de transfert radiatif DART (www.cesbio.ups-tlse.fr/dart), développé au CESBIO, est utilisé en mode inverse pour transformer des images satellites en cartes de propriétés optiques et de température de matériaux urbains, puis en mode direct pour calculer des cartes de bilan radiatif par bande spectrale satellite Q*Δλ. L'intégration spectrale des cartes Q*Δλ donne alors les cartes Q* recherchées. Toute série temporelle de carte Qsw* est alors générée efficacement à partir de cartes d'albédo direct (i.e., black sky albedo) et diffus (i.e., white sky albedo) pré- calculées par DART avec la base de données géométrique urbaine et des cartes de propriétés des matériaux dérivées de l'image satellite la plus proche. Ces cartes sont complétées par des données externes thermiques pour la construction des séries temporelles. Cette approche a été conçue et mise au point avec 3 villes de géométries et propriétés optiques très diverses : Londres (Royaume-Uni), Bâle (Suisse), et Héraklion (Grèce). Le projet H2020 URBANFLUXES de la Communauté Européenne a utilisé les cartes de Q* simulées pour estimer les flux urbains de chaleur anthropogénique via le calcul du bilan énergétique urbain à partir d'images satellites. La précision de l'approche développée a été évaluée via l'écart relatif EL des luminances des images DART et satellites (EL < 2% pour toute bande spectrale) et via l'écart relatif EQ* des bilans Q* simulés et mesurés par les tours de flux. En 2016, |EQ*|< 4.5% pour la série temporelle de 321 cartes de Q* de Bâle, et |EQ*|< 4.4% pour les 278 cartes de Q* de Londres. Cette possibilité de dériver d'images satellites des cartes précises de Q* est très prometteuse au vu de la disponibilité croissante des bases de données urbaines et des séries temporelles d'images satellites à haute résolution spatiale, et de l'amélioration des modèles de transfert radiatif 3D.
Domaines
Climatologie
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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