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Apport des maquettes 3D dans la modélisation de l’anisotropie directionnelle IRT en milieu urbain :
application au cas de Toulouse
Britta Kurz, Jean-Pierre Lagouarde, Patrick Moreau, Mark Rankin Irvine, James A. Voogt, Valéry Masson, Grégoire Pigeon
To cite this version:
Britta Kurz, Jean-Pierre Lagouarde, Patrick Moreau, Mark Rankin Irvine, James A. Voogt, et al..
Apport des maquettes 3D dans la modélisation de l’anisotropie directionnelle IRT en milieu urbain :
application au cas de Toulouse. Atelier PNTS – La très haute résolution spatiale en télédétection
urbaine, Sep 2007, Nantes, France. 1 p., 2007. �hal-02816505�
Britta Kurz(1), Jean-Pierre Lagouarde(1), Patrick Moreau(1), Mark Irvine(1), James A. Voogt(2), Valéry Masson(3), Grégoire Pigeon(3)
(1)INRA, UR1263 EPHYSE, 71 avenue E. Bourlaux, 33140 Villenave d’Ornon, France (2)Dept. of Geography, Univ. Western Ontario, London, ON, Canada N6A 5C2 (3)Météo France CNRM, 42 av Coriolis, 31057 Toulouse, France
Apport des maquettes 3D dans la modélisation de l'anisotropie
directionnelle IRT en milieu urbain : application au cas de Toulouse ATELIER PNTS – La très haute résolution spatiale en télédétection urbaine
Ecole Centrale de Nantes, 25-26 sept.2007
La maquette 3D de Toulouse Introduction
Les mesures aéroportées de température de brillance réalisées sur le centre ville de Toulouse lors de la campagne CAPITOUL ont (1) confirmé l’importance de l’anisotropie directionnelle dans l’infrarouge thermique (IRT) en milieu urbain déjà mise en évidence sur Marseille (Lagouarde et al., 2004) et (2) permis de caractériser ses variations de façon plus complète (conditions saisonnières très différentes, conditions nocturnes).
La caractérisation de l’anisotropie directionnelle IRT et sa modélisation sont indispensables pour :
• accéder aux températures des éléments de la canopée en vue de l’assimilation des données spatiales dans les modèles de surface et de l’amélioration des estimations de flux (chaleur sensible),
• corriger les données satellitaires à large champ en vue du suivi de la variabilité spatiale ou temporelle de la température de surface,
• fournir des recommandations pour la définition de futurs systèmes spatiaux dans l’IRT
Modélisation semi-empirique de l’anisotropie directionnelle IRT
Nadir temperature
% composition directional T
θv
ϕv Obs 1
Obs2
T(θθθθv1,ϕ,ϕ,ϕ,ϕv1) T(θθθθv2,ϕ,ϕ,ϕ,ϕv2)
% composition directional T
Sun
L’analyse de l’imagerie IRT à haute résolution spatiale (caméra aéroportée FLIR SC2000) et des mesures au sol permet de mettre en évidence une variabilité des températures diurnes des facettes élémentaires au sein d’une classe donnée en relation (en première approximation) avec l’orientation et le rayonnement solaire direct reçu.
Celui-ci est caractérisé de façon semi-empirique par un indice d’éclairement estimé par le produit scalaire entre le vecteur direction du soleil et le vecteur normal à la surface. Les indices calculés sur toute la surface sont ensuite pondérés selon les directions de visée et fournissent un coefficient de modulation α(θ,φ) normalisé entre 0 et 1.
Une modulation de la température au sein des 2 classes façades et toits au soleil est ainsi introduite. Les rues étant supposées orientées uniformément dans toutes les directions, le calcul se fait en réduisant l’ensemble des façades à un cylindre et l’ensemble des toits à un cône. L’hypothèse est faite que les températures des facettes suivent le même histogramme que les coefficients de modulation α(θ,φ) : Tj(θ,φ) = Tmoyj+ ∆Tj(α(θ,φ) - 0.5) [i=façades, toits éclairés].
En conditions nocturnes le modèle (1) est appliqué directement
i=1,2 (ensoleillé/ombré) j=1,2,3 (façades/sols/toits) Principe :calcul de la température directionnelle de brillance par pondération de l’émission IRT (σT4) des facettes par leur taux d’occupation dans la direction visée :
4 ,
4, ,(, ) ( ) ,
( =
∑
j i
j j i
i T
A
Tθθθθϕϕϕϕ θθθθϕϕϕϕ (1)
modulation température toits soleil 15/07/ 2004 11:18TU
20°
30°
40°
50°
60°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
210°
240°
270°
300°
330°
360°
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
modulat ion température façades soleil 15/07/2004 11:18TU
20°
30°
40°
50°
60°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
210°
240°
270°
300°
330° 360°
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Premiers résultats
Températures élémentaires des façades, sols et toits fournies par TEB
• absence d’effet azimutal
• bon accord entre les simulations (TEB + maquette 3D) et l’anisotropie issue des mesures aéroportées
anisotropie directionnelle nocturne IRT 25 février 2005 22:50 TU
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 10 20 30 40 50 60
Angle zénithal de visée (°)
Tb (off-nadir) - Tb (nadir) (°C)
mesures avion simulation maquette + TEB anisotropie directionnelle nocturne IRT 24 février 2005 22:50 TU
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 10 20 30 40 50 60
Angle zénithal de visée (°)
Tb (off-nadir) - Tb (nadir) (°C)
mesures avion simulation maquette + TEB anisotropie directionnelle nocturne IRT 5 octobre 2004 0:45 TU
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 10 20 30 40 50 60
Angle zénithal de visée (°)
Tb (off-nadir) - Tb (nadir) (°C)
mesures avion simulation maquette + TEB
Conclusions
Simulation de l’anisotropie nocturne satisfaisante compte tenu de la précision de la caméra INFRAMETRICS M 740 utilisée
Faiblesse de l’hypothèse de température uniforme →nécessité d’introduire la variabilité intra-classe pour une bonne restitution du hot spot
Conditions nocturnes
Conditions diurnes Test (sens direct) de l’apport de la modulation sur les températures façades / toits ensoleillés ⇒ amélioration de la simulation pour un jeu de paramètres cohérent avec les mesures locales effectuées au sol simultanément aux acquisitions aéroportées.
Publications
Simulation de l’anisotropie directionnelle dans le plan principal sur Toulouse
TEB simulated surface temperatures (2005 February IOP)
-5 0 5 10 15 20 25
55 55.5 56 56.5 57 57.5 58
DOY
Surface temperature of elements Ts (°C)
walls roads roofs Série4
Simulation TEB (Masson et al., 2000)
Toits / soleil
0 0 0 0 0 0
21
0 6
0 10
39
0 0
10 20 30 40 50
38 40 42 44 46 48 50
Température (C°)
Effectifs
Sol / ombre
0 3
9 18
14
3 2
3 15
6
0 4
11
0 0
4 8 12 16 20
21 23 25 27 29 31 33
Température (C°)
Effectifs
Sol / soleil
0 1
00 5
3 6
5 4
0 15
4 7
18
14
3 2
3 13
12
4
000
2
0 0
4 8 12 16 20
29 33 37 41 45 49 53
Température (C°)
Effectifs
Façade / soleil
0 7
8
000
10 8
0 3 2
28
1 5
0 5
21
0 3
0 0
5 10 15 20 25 30 35
25 29 33 37 41
Température (C°)
Effectifs
Façade / ombre
0 2221
41 65
59
30
9 15
000002
0 0
10 20 30 40 50 60 70
23 25 27 29 31 33 3537
Température (C°)
Effectifs
mesure simulation
Histogrammes des mesures locales de température au sol
Génération de scènes dans les directions de visée (θ,φ) et pour une position solaire donnée partir de la BD de la mairie de Toulouse à l’aide de POV-Ray
αToitsαFaçades
A étudier :
• impact de l’émissivité et des effets de réflexion
• inversion des mesures angulaires →estimation des températures élémentaires
• validation sur l’ensemble du jeu de données (acquisitions été / automne / hiver) Remerciements :Ce travail a été réalisé avec le soutien du PNTS (projet CLU/TUE). Les auteurs remercient également l’équipe SAFIRE (réalisation des campagnes aéroportées) Lagouarde, J. P., Moreau, P., Irvine, M., Bonnefond, J. M., Voogt, J. A., and Solliec, F. (2004). Airborne experimental measurements of the angular variations in surface temperature over urban areas: case study of Marseille (France). Remote Sensing of Environment93, 443-462.
Lagouarde J.-P., Irvine M., Moreau P., Kurz B., Pigeon G., Masson V., (2007). Caractérisation expérimentale de l’anisotropie directionnelle des mesures dans l’infrarouge thermique sur un milieu urbain en conditions hivernales : premiers résultats obtenus sur Toulouse lors de la campagne CAPITOUL. AMA, Météo France, Toulouse, 16-18 janvier 2007. CD ROM.
Lagouarde J.-P., Pigeon G., Irvine M., Masson V., (2006). Analysis of the urban heat island from TIR airborne data : first results obtained during the CAPITOUL experiment over the city of Toulouse, 2ndInt. Symp. ‘Recent Advances in Quantitative Remote Sensing’, Valencia, Espagne, sept 2006. 5 pp.
Lagouarde J.-P., Irvine M., Moreau P., Kurz B., Pigeon G., Masson V., (2006). Experimental characterization of directional anisotropy of thermal infrared measurements over a urban area in nighttime conditions, 2ndInt. Symp.‘RAQRS, Valencia, Espagne, 25-29 septembre 2006. 7 pp.
Lagouarde J-P., Irvine M. (2007). The directional anisotropy in thermal infrared mesurements over Toulouse city centre during CAPITOUL experiment:
first results. Soumis àMeteorology and Atmospheric Physics, special issue CAPITOUL.
15/07/2004 07:49-08:51TU
20°
30°
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50°
60°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
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240°
270°
300°
330° 360°
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
15/07/2004 11:15-12:10TU
20°
30°
40°
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30°
60°
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150°
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210°
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-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
15/07/2004 13:48-14:44TU
20°
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30°
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-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
4/10/2004 22:41-23:17TU
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30°
60°
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-1 0 1 2
3 24/02/2005 21:45-22:42TU
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25/02/2005 21:56-22:50TU
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300°
330° 360°
-1 0 1 2 3
Conditions diurnes
Conditions nocturnes
Quelques résultats expérimentaux CAPITOUL…
