Modelling of directional anisotropy of surface temperature : application to forest and urban canopies

• Auteur / Autrice : Britta Kurz
• Direction : Jean-Pierre Lagouarde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télédétection. Modélisation. Infrarouge thermique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Température urbaine

Énergie géothermique

Anisotropie

Mots clés libres

Infrarouge thermique

Température de surface

Pin maritime

Anisotropie directionnelle

Urbain

Maquette 3D

Transfert

Radiatif

Résumé

La variabilité des températures de surface résultant du couplage entre transferts énergétiques et radiatifs au sein des couverts induit une forte anisotropie directionnelle des mesures dans l'infrarouge thermique (IRT). Une approche de modélisation de l'anisotropie directionnelle sur des couverts à géométrie complexe est décrite. Elle repose sur la combinaison de maquettes informatiques 3D fournissant l'information sur les éléments vus par le capteur et de modèles de transfert calculant les températures des facettes. L'agrégation des luminances élémentaires permet alors de calculer la température de surface directionnelle, puis l'anisotropie par différence avec la température au nadir. Deux cas de couverts sont traités : un couvert forestier de pin maritime (Landes de Gascogne) et un milieu urbain (centre ville de Toulouse étudié dans le cadre du projet CAPITOUL). Pour le couvert forestier une maquette simplifiée concentrant le feuillage au sein de cylindres opaques est associée à un modèle paramétrique de hot spot destiné à reproduire les effets de micro-structure liés aux aiguilles et à leur agencement dans l'espace. Le modèle de transfert MuSICA (INRA) fournit les températures élémentaires des houppiers et de la strate herbacée du sous-bois. Pour le milieu urbain, le modèle SOLENE (CERMA Nantes) étendu à l'IRT et le modèle TEB (Météo France) ont été combinés avec la maquette 3D de Toulouse afin de simuler l'anisotropie en conditions diurnes et nocturnes. Les simulations de l'anisotropie directionnelle sont comparées à des mesures aéroportées. En conditions diurnes les effets de hot spot sont bien restitués, malgré une sous-estimation d'environ 15%, tandis que l'anisotropie directionnelle nocturne sur le milieu urbain est correctement simulée. Les résultats sont discutés et des perspectives d'améliorations proposées

The variability of the surface temperatures resulting from the coupling between energy and radiative transfers within canopies is prone to induce a strong directional anisotropy of measurements in the thermal infrared (TIR). A modelling approach developed for complex canopies is described. It is based on the combination of 3D models providing the information about the distribution of the elements of the canopy seen by the sensor, with transfer models computing the surface temperatures of the facets. The aggregation of radiances allows one to derive the directional temperature and the anisotropy by subtracting the nadir temperature. Two canopies are studied: a stand of maritime pine (in Landes de Gascogne, SW France) and a urban area (Toulouse city studied in the framework of the CAPITOUL experiment). For the forest canopy, a simplified 3D model concentrating all the foliage within cylinders is associated to a parametric model of hot spot which allows one to take into account the microscale effects related to needles and to their spatial distribution. The MuSICA model (developed at INRA) provides the temperatures of the crowns and herbaceous underneath layer at the ground. For the urban canopy, the SOLENE model (developed at CERMA, Nantes ) and the TEB model (developed at Météo France) are combined with the 3D model of Toulouse to simulate the TIR anisotropy both in daytime and nightime conditions. The simulations are compared against airborne measurements of anisotropy. For daytime conditions, the hot spot effects are satisfactorily reproduced with however a 15% underestimation, while the nightime directional anisotropy over the urban canopy is correctly simulated. The results are discussed and improvements proposed.