1

Productos BioPar: LST, Series Temporales

J. A. Sobrino, Y. Julien, G. Sòria, J. C. Jiménez (IPL-UCG)F. Camacho (EOLAB)

Reunión Grupo de Trabajo Baja Resolución. Plan Nacional De Teledetección, Madrid, 29/11/12

2

BioPar CMS Portfolio

ProductNRT /

Off-lineSpatial

ResolutionSpatial

coverageTemporal

ResolutionSensor

(back-up)

Land Surface Temperature NRT ~ 5 km Global 3 hours ΣΣΣΣGEO + AVHRR

Downwelling Shortwave Radiation, Downwelling Longwave Radiation

NRT ~ 5 km Global 3 hours ΣΣΣΣGEO + AVHRR

Surface Albedo - GEO NRT ~ 5 km Global 10-days ΣΣΣΣGEO + AVHRR

Surface Albedo - VGT NRT 1 km Global 10-days VGT

LAI, fCover, fAPAR, DMP, NDVI NRT 1 km Global 10-days VGT (MODIS)

Burnt areas + seasonality NRT 1 km Global Daily VGT

MERIS FR biophysical products NRT 300 m Test Areas 10-days MERIS

HR biophysical products Off-line < 50m Pilot Areas 2-3 months SPOT

Long time series of vegetation products + Climatology

Off-line 4 km Global 10-days AVHRR + VGT

Water Bodies + seasonality NRT 1 km Africa 10-days VGT

Soil Moisture + Freeze/Thaw NRT 25 km Global Daily ASCAT

Time series of soil moisture products Off-line 25 km Global Dailly ERS1&2 Scatt

3

Land Surface Temperature NRT 1 km Península daily MODISLand Surface Temperature NRT 3 km Península 15 min SEVIRI

BioPar

IPL

Validación en la zona de Doñana

4

II Reunión Grupo de Trabajo Baja Resolución. Plan Nacional De Teledetección, Madrid, 09/06/09

Algoritmo Split-Window (Sobrino et al. 2003) para las bandas MODIS 31 y 32Algoritmo operacional y ampliamente validado

Ts=T31+a1+a2(T31–T32)+a3(T31–T32)2+(a4+a5W)(1-εεεε)+(a6+a7W)∆∆∆∆εεεε

Productos internos

Vapor de agua (W)

Emisividad (ε) Thresholds method (Sobrino & Raissouni, 2000)

i) Mixed pixels (FVC=0):

ε = 0,971 + 0,018 FVC & ∆∆∆∆εεεε = 0,006 (1-FVC)

ii) Vegetated pixels (0<FVC<1):

ε = 0,985 + dεεεε & ∆ε∆ε∆ε∆ε=0.001

iii) Bare soil (FVC=0):

εεεε = 0,9832 – 0,058 ρρρρ1 1 1 1 & ∆∆∆∆εεεε = 0,0018 – 0,060 ρρρρ1

Emisividad: método de los umbrales

2L17L

2L18L

2L19L

Vapor de agua:

Cociente entre bandas de

absorción y no-absorción

PRODUCTOS RADIATIVOSTemperatura de la Superficie Terrestre

5

Ejemplo:Doy=177, año 2002

II Reunión Grupo de Trabajo Baja Resolución. Plan Nacional De Teledetección, Madrid, 09/06/09

PRODUCTOS RADIATIVOSTemperatura de la Superficie Terrestre

εεεε

∆ε∆ε∆ε∆ε

W

TST

6

II Reunión Grupo de Trabajo Baja Resolución. Plan Nacional De Teledetección, Madrid, 09/06/09

NOAA-AVHRR TERRA/AQUA-MODIS MSG-SEVIRI

Reception system

SISTEMA DE RECEPCIÓN DE IMÁGENES DEL IPL

7

Imágenes Software

SISTEMA DE RECEPCIÓN DE IMÁGENES DEL IPL

AVHRR

SEVIRI

MODIS

SENSOR IntervaloImágenes mensuales:

Datos/ mes:

MODIS / AQUAMañana 21 (5 / semana)

50 GBNoche 21 (5 / semana)

MODIS / TERRAMañana 21 (5 / semana)

Noche 21 (5 / semana)

AVHRR / NOAA

10h – 14h 60 (2 diarias)

150 GB16h – 18h / 21h – 23h 60 (2 diarias)

1h – 3h / 5h – 7h 60 (2 diarias)

SEVIRI / MSG Cada 15 min 2880 (96 diarias) 950 GB

Imágenes de la Península Ibérica almacenadas en el IPL

9

Productos PNT

● Radiancia TOA(+reflectividad+Tbrillo)

RADIATIVOS● Temperatura de la Sup. Terrestre● Reflectividad de la Sup. Terrestre● Reflectividad Normalizada

BIOFÍSICOS● Índice de vegetación NDVI● Cobertura Vegetal (FVC)● Índice Área Foliar (LAI)● Frac. Rad. Fotos. Act. Abs. (FAPAR)

PROCESADO MODIS

10

PRODUCTOS RADIATIVOS

Reflectividad de laSuperficie Terrestre

(RST)

Las reflectividades TOA se convierten a reflectividades de la superficie realizando la corrección atmosférica.

Correc. Atm.:código SMACcódigo MODTRAN (LUTs)

Datos externos:aerosolesozono

11

PRODUCTOS RADIATIVOS

Temperatura de laSuperficie Terrestre

(TST)

Las temperaturas de brillo se corrigen del efecto atmosférico y de la emisividad para obtener la TST (algoritmo Split-Window ).

Correc. Atm.:Vapor de agua a partir de datos de la imagen

Correc. Emisividad:A partir de los productos RST y FVC

Resolución: 1-km

12

BRDFReflectividad Normalizada

PRODUCTOS BIOFÍSICOSNDVIFVCLAI

FAPAR

Productos generados cada 10 días,A partir de la RST-NORM.

Resolución de 250 metros

Tabla Comparativa

13

Cobertura espacial Resolución espacial Frecuencia temporal Acceso a los datos: Timeliness

ProductosMODIS

ProductosPNT

ProductosMODIS

ProductosPNT

Productos

MODIS

Productos PNT

Productos MODIS

Productos PNT

Radiancia en elsensor

(RAD-TOA)

Adquisición completaAcotada a 3 zonas de

interés:1-Península Ibérica, Ceuta y Melilla2-Islas Baleares3-Islas Canarias

Bandas 2: 250mBandas 7: 500m

Bandas 36: 1000mdiaria 1 día

Quasi-tiempo

realTemperatura de Superficie

Terrestre (TST)1000m diaria >4 días

Reflectividad de Superficie

Terrestre (RST)

Bandas 2: 250mBandas 7: 500m

diaria >4 días

a)Quasi-tiemporealb)4-5 días

Reflectividad de SuperficieTerrestre

Normalizada(RST-NORM)

500m

Bandas 2: 250m

Bandas 7: 500m

16 días

10 días

>15 días

Quasi-tiempo

real

Índice de vegetación NDVI

250m

250m

16 días >10 dias

Índice de área Foliar (LAI)

1000m 8 días >10 dias

Fracción de Radiación

fotosintéticamente activaabsorbida(FAPAR)

1000m 8 días >10 dias

Fracción de cubierta vegetal

(FVC)No se proporciona

No se proporciona

No se proporcio

na

No se proporcion

a

14

Productos

RADIATIVOS● Temperatura de la Superficie Terrestre (mar y tierra)

BIOFÍSICOS● Índice de vegetación NDVI

PROCESADO METEOSAT

15

PROCESADO METEOSAT

Imagen composite :

R – Temperatura de tierra y marG – Infrarrojo cercanoB – Rojo

Para el 1 de enero, abril, julio y octubre de 2012 a las 12:00 GMT

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDYESA ITT No: 1-6101/09/NL/BJ

PROJECT TEAMS:

Global Change Unit (IPL - University of Valencia)J. A. Sobrino (coordinator)

GEO-k (spin-off, University of Rome “Tor Vegata”)F. Del Frate

Summary of TIR remote sensing applicationsidentified during theFSS project

Solid Earth: 18Health & Haz.: 17Security & Surv.: 6Total: 41

Requirements table for Solid Earth applications

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

Requirements table for Solid Earth applications(cont.)

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

Requirements table for Solid Earth applications(cont.)

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

Requirements table for Health & Hazards applications

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

Requirements table for Health & Hazards applications(cont.)

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

Requirements table for Security & Surveillance applicati ons

FUEGOSAT SYNTHESIS STUDY (1-6101/09/NL/BJ)

TIR remote sensing applications selected after the consolidation review (workshop) and priority level

25

APLICACIONES:

SERIES TEMPORALES

81 82 83 84 85 87 88 89 90 9186 92 93 94 95 96 98 99 00 01 0297 04 0503 07 09 100806

NPP

NPOESS

11

AVHRR

VIIRS

Land Climate Data Record

Multi instrument/Multi sensor Science Quality Data Records used to quantify

trends and changes

N07 N09 N11 N14

N16 N17

N09

MODIS

Terra

Aqua

N16

AVHRR (GAC) 1982-1999 + 2003-2006

MODIS (MO(Y)D09 CMG) 2000-present

VIIRS 2010 – 2020

SPOT VEGETATION 1999-2000

VEGETATION

ANALISIS MULTITEMPORAL

0.99 0.95

Figure 3.a

a

Emisividad superficie terrestre NDVITHM

AVHRR/NOAA

Figure 4.a

a

330 K 240 K

GLOBAL SURFACE TEMPERATURE

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7ju

l-81

oct-

81en

e-82

abr-

82ju

l-82

oct-

82en

e-83

abr-

83ju

l-83

oct-

83en

e-84

abr-

84ju

l-84

oct-

84en

e-85

abr-

85ju

l-85

oct-

85en

e-86

abr-

86ju

l-86

oct-

86en

e-87

abr-

87ju

l-87

oct-

87en

e-88

abr-

88ju

l-88

oct-

88en

e-89

abr-

89ju

l-89

oct-

89en

e-90

abr-

90ju

l-90

oct-

90en

e-91

abr-

91ju

l-91

oct-

91en

e-92

abr-

92ju

l-92

oct-

92en

e-93

abr-

93ju

l-93

oct-

93en

e-94

abr-

94ju

l-94

ND

VI

región 1 región 2 región 3 región 4 región 5 región 6

NDVIMAX

• Regiones 1 y 2: pequeña variación.

• Regiones 3 y 4: Primavera (Abril).

• Regiones 5 y 6: Verano (Julio)

Comportamiento Cíclico

280

285

290

295

300

305

310

315

320

325

330ju

l-81

oct-

81en

e-82

abr-

82ju

l-82

oct-

82en

e-83

abr-

83ju

l-83

oct-

83en

e-84

abr-

84ju

l-84

oct-

84en

e-85

abr-

85ju

l-85

oct-

85en

e-86

abr-

86ju

l-86

oct-

86en

e-87

abr-

87ju

l-87

oct-

87en

e-88

abr-

88ju

l-88

oct-

88en

e-89

abr-

89ju

l-89

oct-

89en

e-90

abr-

90ju

l-90

oct-

90en

e-91

abr-

91ju

l-91

oct-

91en

e-92

abr-

92ju

l-92

oct-

92en

e-93

abr-

93ju

l-93

oct-

93en

e-94

abr-

94ju

l-94

Tem

pera

tura

(K

)

región 1 región 2 región 3 región 4 región 5 región 6

Conservación de la jerarquía de evolución de Ts

TsMAX

Verano (Julio-Agosto)

∆∆∆∆T=Tregión1-Tregión6≈≈≈≈ 23 K

TsMIN

Invierno (Diciembre-Enero)

∆∆∆∆T=Tregión1-Tregión6≈≈≈≈ 14 K

Método VLCD

Vector Land Cover Dynamic

Map of the total average value of NDVI

for the period (1981-2001).

Map of the total average value of NDVI

for the period (1981-2001).

Map of the total average value of LST

(K) for the period (1981-2001).

Map of the total average value of LST

(K) for the period (1981-2001).The map of mean air temperature (K) for

the period (1981-2001).

The map of mean air temperature (K) for

the period (1981-2001).

The map of mean precipitation (mm/day)

for the period (1981-2001).

The map of mean precipitation (mm/day)

for the period (1981-2001).

Análisis series temporales NDVI y LST identificar cambios vegetación en Europa 1982-86/1995-99

•Rosa: zonas áridas del Sur en proceso de desertización (aumento 2.5 LST, disminución 0.02 NDVI)

•Verde oscuro: zonas centro Europa mejora su vegetación (disminución 1.5 LST, aumento 0.1 NDVI)

-2 1 4 7 10NDVI (x0.01)

LST(x0.1 K)

-15 -5 5 15 25

desertisation

plantregrowth

longergrowingseason

shortergrowingseason

Cambios en la vegetación europea entre 1982/1986 y 1995/1999.

Remote sensing of Environment 2006

GIMMS: Ts frente NDVI (2000-2006)

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90º

Imagen presentada con IHS: el color (H) representa el ángulo de la pendiente Ts/NDVI, (I) la intensidad del color (oscuro a claro) la amplitud del ciclo anual de Ts/NDVI, y (S) la saturación del color el coeficiente correlación del ajuste Ts/NDVI (gris = bajo, color intenso = alto)

Cambio en longitud estación crecimiento a escala global (1982-2003)

-4.2 -1.9 0.4 2.7 5.0 día/año

36

Datos:- NDVI GIMMS- LST MODIS

Parámetros:A partir de modelos de fenología logísticos, harmón icos, umbrales, etc.- Comienzo temporada crecimiento (start of season)- Fin temporada crecimiento (end of season)- Duración temporada crecimiento (length of season)- Estadística: promedio, desviación estándar, máximo, mínimo

Tendencias:A partir de métodos de análisis de Mann-Kendall y Se n- Valor de la pendiente- Nivel de confianza

PROCESADO DE SERIES TEMPORALES

37

Requisitos:Fenología:- Parámetros biofísicos (LAI, Fcover, FAPAR, NDVI, NPP, albedo, …)- Datos diarios- Resolución espacial del orden de 100 metros

Estadística:- Parámetros biofísicos (LAI, Fcover, FAPAR, NDVI, NPP, albedo, …)- Parámetros térmicos (TST, EST, vapor de agua)- Datos diarios- Resolución espacial del orden de 1000 metros

PROCESADO DE SERIES TEMPORALES

38

PROCESADO DE SERIES TEMPORALES

Tendencias a 90% de

confianza para la fecha de

comienzo de la temporada

de crecimiento

-3.6 -2.8 -2.1 -0.7 0.0 0.7 1.4 2.1 2.8 dia por año

Duración promedio de la

temporada de crecimiento

1 50 100 150 200 250 300 365 doy

GIMMS NDVI 1981-2003

39

PROCESADO DE SERIES TEMPORALES

Tendencias a 90% de

confianza para el NDVI

máximo anual

Tendencias a 90% de

confianza para el NDVI

mínimo anual

-9 -6 -3 0 3 6 9 x10-3 NDVI por año

-9 -6 -3 0 3 6 9 x10-3 NDVI por año

GIMMS NDVI 1981-2003

40

PROCESADO DE SERIES TEMPORALES

Valor de la pendiente para

la TST máxima anual

Nivel de confianza para las

tendencias de TSTmáxima

anual

12.5 25.0 37.5 50.0 62.5 75.0 87.5 %

MODIS LST 2000-2011

-.75 -.50 -.25 0.0 .25 .50 .75 K por año