CALIBRAÇAO E PROCESSAMENTO DOS DADOS DE AVHRR PARA ESTIMATIVA DE TEMPERATURA

CALIBRAÇAO E PROCESSAMENTO DOS DADOS DE AVHRR PARA ESTIMATIVA DE TEMPERATURA

Keiko Tanaka Carlos Ho Shih Ning Yoshihiro Yamazaki Valder Matos de Medeiros

Instituto de Pesquisas Espaciais - INPE 12225 - C.P. 515 - são José dos Campos, SP - Brasil

RESUMO

A análise quantitativa dos dados digitais do sensor de varredura AVHRR (Radiômetro Avançado de Resolução I1uito Alta) , do satélite NOAA nos canais termais, obtida a partir dos

coeficientes de calibração derivados dos parâmetros de referência, que incluem informações de dados de telemetria como: nível de energia detectada pelo sensor do AVHRR durante a visada do espaço e a do alvo interno, em cada varredura e em cada canal termal são apresentados. A cada 50 varreduras foi obtida uma função radiãncia linear. Estas funções lineares indicam, variações da radiãncia do sensor a cada alvo imageaào, e foram utilizadas para converter os valores digitais das imagens em radiãncia e consequentemcnte em temperaturas, atraves da função inversa de Plank.

1. INTRODUÇÃO

A configuração da distribuição térmica do campo de temperatura, sobre a superfície da Terra, em v.árias escalas

sejam elas temporais ou espaciais, tem sido um dos aspectos de grande importância em diversos campos científicos, especial!", ,::~

em meteorologia, oceanografia, agronomia e hidrologia. Por outro lado, a dificuldade em se ter urna rede de observações

convenciónais distribuída de forma homogênea e uniforme sobre o globo terrestre, limitada pela sua impraticabilidade, quer seja pela vasta região de difícil acesso sobre os continentes, ou pelas imensas ãreas oceânicas da Terra, tem sido de uma forma ou de outra, fatores preponderantes nas limitações ao desenvolvimento dessas ciências, até o final da década de 60. Com o advento dos

satélites meteorológicos, e dos sensores especiais que estes levam a bordo, tem sido possível o monitoramento de importantes fenõmenos ambientais.

O TIROS-N foi o primeiro satélite da série NOAA, do sistema de satélites ambientais operacional americano da terceira ger~çâo, lançado em outubro de 1978. Dentre os vários instrumentos a bordo dos satélites da série NOAA, o Radiõmetro ;w"nçado de Rc'so 1ução Hu ito AI ta (AVHRR), é um dos ma is

importantes. Trata-se de um radiômetro multicspectral aC0pl~Jo a um sistema de varredura transversal ã trajetória orbital, que provê <b<los ~n~lógicos nos campos de visada" instantânea e ban'],I:'>

('sp~'ct)·,-lis. O c"mpo de visada insttlntânea (CVI) de cada senso,' í~

sob-satélite de aproximadamente 1.1km para uma altitude nominal de 844km. A varredura transversal é feita por incrementos do CVI, perfazendo 2048 amostras po~ linha, à taxa de 360 linhas por minuto. Para o desenvolvimento do presente trabalho, e de outros associados aos dados dos satélites da série NOAA, foram

desenvolvidos "software" especificos de pré-processamento, para atender as necessidades dos aplicativos especificos (Ning, et alii, 1986).

2. CALIBRAÇÃO AVHRB E TEMPERATURA DO ALVO INTERNO

(1) X. ~m _j 1 .. a .. X. ; X. = M

I

~J ~ ~ m=1

A calibração radiométrica dos dados AVHRR foi feita seguindo a metodologia descrita por Lauritson, et all (1979). Assim, para a calibração dos dados nos Canais 3, 4 e 5, foram utilizados os dados da visada do espaço (AVE), do alvo de

calibração interno (ACI), e dos quatro term6metrosde resist~ncia

de platina (TRP) que medem a temperatura do ACI. Seguindo as sugestões da NESS foram consideradas 10 amostras de PRT para a determinação de um valor médio da contagem ("count") do TRP. Este valor médio foi assim considerado para a conversão em unidades de temperatura. Quanto aos dados do alvo interno e da visada do espaço, estes foram obtidos considerando valores médios de apenas 50 amostras.

A temperatura média do alvo de calibração interna, T, em graus Kelvin (oK), é obtida convertendo os valores médio das contagens (" coun t.s") dos term6metros de resist~ncia da platina (TRPs) fornecido pelo satélite e dada por:

~ ~

T

=

0.25

L

Ti

=

L

i=1 j=O

onde, aij são coeficientes obtidos na calibração dos term6metros antes do lançamento dos satélites, e são fornecidos pela NESS para cada satélite, Xi o valor médio das contagens dos TRPs. A conversão de

T

para unidades de radiância (N

_T)

foi feita usando a equação de Planck, como descrito no Ap~ndice A de Lauritson et alI (1979).

3. C~LCULO DA FuNÇÃO RADIÃNCIA LINEAR

A obtenção da radiância é feita supondo que ela pode ser descrita, para cada canal, como uma combinação linear do valor da contagem (X) e da radiância (N), isto é:

N = GX + I (2)

onde, N é o valor da radiância detectada em miliwatts/m2

steroradiano cm-l ; X, o valor das contagens (que variam de O a 1023 para dados gravados com resolução de 10 bits); G, o valor do CJ.:inho de cada canal em miliwatts/m2 _{steroradiano cm-}1 _por

cont~0cm; I, o parâmetro de intersecção do canal em miliwatts/m2

stcroLlcHano em-I, definido corno radiância para contagem (X) nula. O ganho de cada canal e o par~metro de interscc~~o

N N-.

G

₌

sp T

.

I N GX (3)

"

=

-X

-

X

_T sp sp

sp

onde Nsp é a radiância do espaço fornecido também pela NESS, valores estes que mudam de um satélite para outro; N

_T,

a

radiância à temperatura média

T

já definido;

X

_{sp o valor médio} das contagens nas visadas do espaço. Estes parâmetros médios sâo calculados tomando-se 10 amostras de cada canal, em cada

varredura do AVHRR.

X

_T

são as médias dos valores das contagens obtidas em 50 amostras com os radíômetros visando o espaço e o alvo de calibração interno (ACI). Assim, tendo-se a função radiãncia linear, substitui-se o valor das contagens X em cada ponto do alvo terrestre observado pelo satélite e obtém-se a radiãncia (N) correspondente. E, finalmente a conversão da

radiãncia detectada N para a temperatura de brilho foi efetuada através da equação de radiação de Planck, na forma inversa,

seguindo o procedimento descrito por Kidwell (1985).

4. RESULTADOS E CONCLUSÕES

No presente trabalho, foram tomados os valores dos números de onda centrais dados para a NOAA-9; conforme sugeridos pela NESS, aplicados aos dados de NOAA-9, do dia 18 de Abril de

1986, órbita n9 6945. Na Figura 1 é apresentada a região 'coberta pelo satélite durante essa passagem particular, e a delimitação da área onde os dados foram processados para obtenção da

tempera tura de- brilho. Ela é constituída por 256 x 256 .. pixels" , está apresentada na Figura 2 de forma ampliada, e trata-se de uma região com pouca cobertura de nuvens na área oceânica, localizada nas vizinhanças de Ilha Bela/Estado de são Paulo.

Nas Figuras 3 e 4 são apresentados os histogramas das frequéncias dos "ccunts", respectivamente para 6s canais 4 e

5. Nesses histogramas, a distribuição é relativamente semelhante, com os respectivos máximos nos "counts" de 340 e 380. Tendo em vista que, quanto maior os valores dos "counts" (representados pelos valores 485 para o canal 4 e 500 para o canal 5 nestas figuras) menores serão as temperaturas de brilho, espera-se que a região em q~cstão apresente-se relativamente "quente". Na Figura 5 são plotadas as respectivas relações, para os canais 4 e 5, entre os "counts" e as temperaturas de superfície de brilho, obtidas através das funções radiâncias lineares discutidas

anteriormente. Com as Figuras 5 e 3 do Canal 4, e as

correspondentes para o Canal S, deduz-se que os limites de

temperatura (OK) estâo respectivamente entre 298,93 e 277,62para o Canal 4, e 298,7 a 273,93 para o Canal 5. Na Figura 6 é

apresentada a distribuição das temperaturas de brilho obtidas para os dois canais, para 16384 pontos. Nota-se que os pontos estão distribuídos relativamente ao longo da reta sem grandes desvios, C0m valores dos Canal 5 pouco menores que os do Canal4.

Finalmente, na Figura 7 é apresentado o mapeamento das isolinhas de temperatura (OC) de brilho. Nota-se um campo de

m5xima

nas proximidades das coordenadas -23,5 de latitude e

Outro maxlmo ê obs~rvado na reglao da cidade de Santos. Como pode ser observado, há uma grande área oceânica com baixa

tempera ttira de brilho. Esta regiâo está coberta por nuvens baixas, conforme pode ser visto na Figura 2. Nas proximidades da costa, observa-se que as isotermas apresentam maiores gradientes a leste de Ilha Bela. O gradeamento dos dados de temperatura de brilho foram produzidos por um sistema de navegação desenvolvido no INPE por Medeiros et alii (1986). Esse sistema utiliza as

informaç~es das efemérides de satélites, recebidas em forma de

mensagens codificadas (TBUS) através do canal de comunicações do satélite geoestaciGnário GOES-E.

Diversos estudos devem ser feitos para se comprovar a validade dos resultados apresentados. Para isso é necessário dispor de dados observados por navios e estações meteorológicas convencionais de superfície. Com os dados da verdade terrestre e os resultados dos parâmetros para os dois canais, deverá ser conduzido um estudo para se obter um coeficiente de regressâo múltipla linear para levar em consideração os dados dos dois canais na definição da temperatura final. Por exemplo, para o caso do NOAA-9 a NESS utilizam as seguintes equações, para

inclusão das temperaturas de brilho dos canais 4 e 5, na obtenção da temperatura final:

Observações diurnas - SST = 3,6569*T4 - 2,6705*T5 - 268,92 Observações noturnas - SST

=

3,6836*T4 - 2,690*T5 - 270,42

Um outro aspecto a ser considerado no processamento é o do efeito da atenuação atmosférica. Enfim, várias outras pesquisas poderão ser conduzidas especificamente com dados do AVHRR ou em conjunto com outros dados de satélites tais como TOVS e VASo

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

KID\\TELL, K.B. NOAA polar orbiter data (TIROS-N, NOAA-6, NOAA-8, and NOAA-9) Users Guide, Satellite Data Services Division, National Climatic Data Center, Washington, DC, 1985.

h~URITSON, L.G.; NELSON, C.G.; PORTO, F.W. Data extraction and

calibration of TIROS-N/NOAA radiometers. NOAA Technical Memorandum NESS 107, U.S. Dept. of Commerce, Washington, DC,

58p., 1979.

l-1EDEIROS, V.M.; TANAKA, K.; YAMAZAKI, Y. Sistema de navegaçao de

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A

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Fig. 1 - Região de cobertura do satélite NOAA-9, data 18[0-1/86,

órbita 6945, canal 4 (IR).

Fig. 2 - Área ampl iada (256 x 256 "pixels") . o o o "" ~ o o o

...

N o o _ o o~

•

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o o Q' 250.0; ~. . :'j

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350.00 ~20.CO ~90.CO 5~0.CO

COUNT - CANAL 5

Fig. 3 - lIi'stograma de frequência

de ocorrência dos "counts" (contagem) versus "counts" do

Can~l 4.

Fig. 4. - Histograma de frequência de ocorrência dos "counts", versus "count" do canal 5.

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1 - 0 o o ~+---,----.----,---....- - , 270.00 200.C: JIO.OQ T (K) CANAL 4 o o 11)é -,n < Z <o <.J~ o ~C'l ~N ~ I ~J.o.oo o o o ~i - - , - - , - - ) I I

no.co JSO.OC A~O.CO ~9:l.C:l

COUN T - CANAL 5 o o ~o ~o n <o 0::0 ~. o 1--("> <'" O:: LIJ 0...₀ LU LIJ • I--g N

Fig. 5 - Tempera tura de

superficie de brilho, obtida através da função radiãncia linear, para o Canal 4 e CanaIS.

Fig. 6 - Relação entre as

temperaturas de brilho para os canais 4 e 5.