Arouna Berthé UQÀM

4 octobre 2013 Salle A

Yves Baudouin (UQÀM) Amadou Idrissa Bokoye (EC) Philippe Martin (EC) Philippe Gachon (EC)

APPORT DE LA CORRECTION ATMOSPHÉRIQUE DE L’IMAGERIE SATELLITALE LANDSAT SUR L’IDENTIFICATION DES ÎLOTS DE CHALEUR URBAINS DE SURFACE DANS LA

RÉGION DE MONTRÉAL (QUÉBEC)

PLAN DE PRÉSENTATION

1.  Objectif de l’étude

2.  Définitions

Ø  îlot de chaleur urbain

Ø  correction atmosphérique

3.  Contexte

4.  Méthodologie

5.  Résultats

6.  Conclusion et perspectives

DRAFT – Page 3 – October 12, 2013

Améliorer l’identification des îlots de chaleur urbains (ICU) de surface de Montréal en tenant compte de l’influence des constituants atmosphériques.

1. Objectif de l’étude

Un ICU est une région métropolitaine qui est significativement plus chaude que ses zones rurales aux alentours.

ICU de la couche limite = température de l’air

ICU à la canopée urbaine = température de l’air

ICU de surface = température des surfaces

Définition

Particules dans l’air, COV (composé organique volatile)

smog et vapeur d’eau peuvent obstruer le signal des surfaces

reçu aux capteurs

Les corrections atmosphériques visent à soustraire du signal mesuré au capteur, celui induit par les effets de l’atmosphère en termes de processus d’absorption et de diffusion dus aux gaz comme l’ozone, la vapeur d’eau et les aérosols.

Définition

2. Contexte •  Changements climatiques, urbanisation galopante, rehaussement des

températures (IPCC, 2007) et augmentation de la pollution, canicule (été 2010 à Montréal);

•  Corrections atmosphériques embryonnaires dans la région de Montréal;

•  Utilisation de l’ imagerie satellitale brute, sans correction atmosphérique;

•  Non prise en compte de l’influence des éléments atmosphériques sur le signal reçu par le capteur et sur la formation des ICU de surface;

•  Liens entre ICU et qualité de l’air peu étudiés; •  Nécessité d’améliorer la caractérisation intra-urbaine du champs

thermique, le phénomène des ICU et l’étude du climat urbain; •  ICU est une problématique d’actualité qui intéresse nombres

d’institutions (municipalité, santé publique, sécurité publique, urbanistes, paysagistes, etc.)

DRAFT – Page 7 – October 12, 2013

3. Méthodologie

Logiciels •  REFLECT( Traitement des paramètres atmosphériques) •  PCI (Correction des images Landsat) •  ARGIS (Extraction des moyennes thermiques par taxon)

Occupation du sol: Ø  1996

Ø  2001

Données Images satellites Landsat-5 :

Ø  10 juillet 1984 Ø  29 juin 1994 Ø  27 juin 2005 Ø  5 juillet 2008 Ø  14 juillet 2011

Landsat-7 : 8 juin 2001

Métadonnées fournies avec les images «http://glovis.usgs.gov/»

Ø  Dates d’acquisition Ø Angle solaire Ø  Luminances maximales et minimales des bandes 3;4;6.

DRAFT – Page 8 – October 12, 2013

Conditions atmosphériques (on en tient compte)

Mét

hode

Mét

hode

Étape1 : Corrections radiométriques de canaux optiques et calcul de l’indice de végétation (NDVI)

Étape2: création d’une image approximative d’émissivité des matériaux en vue des calculs de température de surface

Transformation des valeurs numériques en luminances dans les bandes du rouge et du proche infrarouge

Transformation des luminances en réflectances au niveau du capteur dans les bandes rouge et proche infrarouge

Création d’un masque sans couvert végétal en fixant un seuil de 0.15 et qui exclue les surfaces d’eau.

Création d’un masque d’eau en lui attribuant un seuil de 0.1.

Transformation des réflectances au niveau du capteur dans les bandes rouge et proche infrarouge en réflectance au sol

Calcul de l’indice de végétation

Segmentation du NDVI

Création d’un masque de couvert végétal partiel en imposant le double seuil compris entre 0.15 et 0.7

Création d’un masque de couvert végétal complet incluant les pixels non assignés à aucune des classes des étapes (1, 2,3).

Création de l’image d’émissivité se fait en attribuant des valeurs (0.97) au masque d’eau; (0.88) au masque de matériaux à nu ; 1.00+0.05In(NDVI) au masque à couverture végétale partielle; (0,985) au masque à couverture végétale

Transformation des luminances obtenues dans l’étape 1 en température apparente au niveau du capteur; Landsat5 Landsat7

Calcul des températures apparentes au niveau du sol;

Transformation des luminances au niveau du capteur en luminance au sol (correction des effets atmosphériques).

Calcul de la luminance de l’objet due à sa propre température;

Calcul des températures des objets (températures de surface)

Transformation des valeurs numériques en luminance dans la bande infrarouge thermique

Étape3 : Création d’une image de température de surface

( ) [ ]112* −−−+−−

−= msrWmLVNVNLLVNVNL MIN

MINMAX

MINMAXMINSAT µ

)sin ELELp

sol

satsat ∗

∗∗=

ππ

atm

atmsatsol T

PPp −=

ROUGEPIR

ROUGEPIR

pppPNDVI

+

−=

( ) [ ]112* −−−+−−

−= msrWmLVNVNLLVNVNL MIN

MINMAX

MINMAXMINSAT µ

27376.6071ln

56.1262−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

sat

sat

L

T

27309.6661ln

71.1282−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

sat

sat

L

T

( )atm

atmsatsol T

LLL

−=

27376.6071ln

56.1262−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

sol

sat

L

T

)(( )εε cielsol

objetLLL *1−

=273

76.6071ln

56.1262−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

objet

sat

L

T

Exemple avec une image Landsat 5 TM

du 5 juillet 2008 à 10h30 à Montréal (température de surface)

1.  Résultat; études de cas sur six images Landsat en période estivale à Montréal

APRÈS CORRECTION

Landsat 5TM du 5 juillet 2008

AVANT CORRECTION

Landsat 5TM du 5 juillet 2008

APRÈS CORRECTION

Les corrections atmosphériques rehaussent systématiquement les températures de surface des images Landsat.

Hydrographie et champs agricoles (ou espaces verts)

Tissu urbain

Différence APRÈS-AVANT correction atmosphérique pour le 5 juillet 2008 température de surface

Fleuve

Secteur résidentiel

Secteur industriel

IRNear IR MidIRNear - IR Mid

+=NDBINormalized Difference

Build-up Index

Image Google Earth AVANT

Exemples sur des secteurs résidentiels et industriels

Températures de surface

Image Google Earth APRÈS

Exemples sur des secteurs résidentiels et industriels

Températures de surface

AVANT correction atmosphérique

APRÈS correction atmosphérique

Exemple avec le projet de l’école St-Clément (INSPQ) La correction permet d’affiner les résultats et l’analyse

5 juillet 2008 LANDSAT 5TM 10h30

34°C

32°C

31.5°C 33.5°C 28.5°C

Étude de cas avec 6 images Landsat 5 TM

POS:1996 et 2001

SIG °C en surface

Les centres commerciaux et industriels, les édifices à bureaux obtiennent plus de gain.

1 - Terre bac = 20.2°C 2 - Gravier = 43.4°C 3 - Piste cyclable = 34.4°C 4 - Bloc béton = 28.4°C 5 - Piste gravier = 38.8°C 6 - Gazon ombre = 19.5°C 7 - Gazon soleil = 30.5°C 8 - Gazon+terre = 36.1°C

1 2

3 5

4 8

7

6

Prises de mesure In Situ à 10h30 (14/7/2011) Site de Brossard (INSPQ)

Correspond à un passage Landsat 5TM

Types de surface

Validation des résultats

42.5°C 31.7°C

Validation des résultats

Les toits de l’UQÀM (gravier similaire)

25.6°C

26.08°C

30.29°C

36.08°C

14 juillet 2011 Landsat 5TM

10h30

Hippodrome de Montréal (gazon et gazon+terre)

avant après avant après

31 août 2011 Landsat 5TM 10h26

CIRRUS

AVANT APRÈS

Validation des résultats

Température de surface d’un parc urbain avant correction 7°C versus 10°C après correction.

Conclusion

• Les corrections atmosphériques rehaussent systématiquement les températures de surface. • Les surfaces très minéralisées sont les plus affectées thermiquement (avec +8 °C en moyenne), puis viennent les secteurs résidentiels (+5 °C) et enfin les espaces végétalisés (+4 °C). • La différence est moins d’un degré dans les trois types d’occupation du sol (minéralisé, secteur résidentiel, et végétalisé) après correction atmosphérique, mais varie entre 4.9 et 11.7 oC avant correction. • Les corrections atmosphériques appliquées avec le logiciel REFLECT sont très pertinentes en zone urbanisée et le suivi des îlots de chaleur de surface à partir de la télédétection multispectrale. • Les études antérieures sur les climats urbains (via l’imagerie satellitale) sous-estimeraient la capacité des matériaux de surface à emmagasiner la chaleur (sans correction atmosphérique). La température de surface des villes est sans doute plus chaude que l’on ne le pense.

Travaux futurs

Amélioration de la carte de

vigilance

• Réévaluer au regard des corrections atmosphériques les plans de reverdissement, d’ intervention et de sensibilisation de la sécurité publique, et de la santé publique lors des canicules à Montréal. • Quantifier l’apport de la température de surface à la température de l’air sur l’île de Montréal, et de proposer un outil d’aide à la décision pour les avertissement de chaleur accablante permettant de mieux cibler dans l’espace et le temps, les secteurs de la ville où ces seuils seront atteints.

Exemple d’application en santé publique avec la superposition des températures de surface sur les secteurs résidentiels

Remerciements

•  Yves Baudouin (UQÀM) Directeur de stage et de Maîtrise

•  Philippe Martin (EC) Superviseur du stage