Température de surface terrestre issue de Landsat : la LST étape par étape

La température de surface terrestre (LST - Land Surface Temperature) est l'un des produits de télédétection les plus demandés. Contrairement à la température de l'air, mesurée par les stations météorologiques, la LST indique à quel point la surface elle-même est chaude : le sol, la végétation, l'eau, l'asphalte ou les bâtiments.

Aujourd'hui, les données de température de surface sont utilisées en agriculture, en écologie, dans les études urbaines et dans la recherche sur le climat. Grâce aux données satellitaires ouvertes, ces informations sont disponibles gratuitement et sans mesures sur le terrain.

Différents types de surfaces absorbent et restituent la chaleur différemment. L'eau se réchauffe plus lentement que la terre, la végétation se refroidit par évaporation, et les zones urbaines avec de grandes quantités de béton et d'asphalte forment souvent ce que l'on appelle des îlots de chaleur.

Quels satellites mesurent la température de surface ?

Les satellites équipés de capteurs infrarouges thermiques sont utilisés pour déterminer la température de surface. Landsat 8 et Landsat 9 figurent parmi les sources les plus populaires. Ils offrent une résolution spatiale d'environ 100 mètres pour les canaux thermiques et conviennent à l'analyse détaillée de zones individuelles.

Portail de téléchargement d'images satellites USGS EarthExplorer

Les données MODIS des satellites Terra et Aqua sont largement utilisées pour la surveillance mondiale. Leur avantage réside dans la mise à jour quotidienne de leurs données, ce qui permet de suivre les changements de température en temps quasi réel.

Une autre source prometteuse est la mission ECOSTRESS sur la Station spatiale internationale. Elle fournit des données de température de surface à haute résolution et est utilisée pour étudier le stress hydrique des plantes et les îlots de chaleur urbains. Il est important de noter que le populaire satellite Sentinel-2 ne dispose pas de canaux thermiques, de sorte que les mesures directes de la température de surface à partir de ses données sont impossibles.

Comment les satellites déterminent-ils la température

Tout objet ayant une température supérieure au zéro absolu émet de l'énergie infrarouge. Les capteurs des satellites enregistrent ce rayonnement thermique et le convertissent en valeurs numériques pour chaque pixel.

Cependant, ce n'est pas la température elle-même qui est mesurée, mais l'intensité du rayonnement thermique. Pour obtenir la température finale, il est nécessaire de prendre en compte les propriétés de la surface, notamment son émissivité — sa capacité à émettre de l'énergie thermique.

Par exemple, l'eau, le sol, le béton et la végétation ont des émissivités différentes, de sorte que des objets chauffés de manière similaire peuvent apparaître différemment sur une image satellite. Les algorithmes modernes de traitement des données tiennent compte de ces caractéristiques et produisent des estimations assez précises de la température de surface.

Cela permet d'obtenir des cartes où chaque pixel correspond à une valeur de température spécifique.

Comment obtenir des données de température de surface

Il existe deux approches principales.

La première consiste à utiliser des produits LST prêts à l'emploi. De nombreuses organisations effectuent déjà les calculs nécessaires et publient des cartes de température prêtes à l'emploi. Par exemple, la NASA distribue les produits MODIS Land Surface Temperature, et des couches prêtes à l'emploi de température de surface sont disponibles pour Landsat.

Si les produits prêts à l'emploi sont insuffisants, la température de surface peut être calculée indépendamment à l'aide des données de bandes thermiques des satellites Landsat en utilisant un calculateur raster dans n'importe quel programme SIG disponible, tel que QGIS ou ArcGIS. Cette approche vous permet d'obtenir des résultats pour des dates, des zones et des objectifs de recherche spécifiques.

Dans la méthode classique, le calcul est effectué en plusieurs étapes. Tout d'abord, les valeurs numériques des pixels (DN) sont converties en rayonnement spectral.

Formule de calcul de la luminance spectrale

où :

Lλ = luminance spectrale au sommet de l'atmosphère (TOA) (Watts/(m2 * srad * μm))

ML = facteur d'échelle multiplicatif spécifique à la bande provenant des métadonnées (RADIANCE_MULT_BAND_x, où x est le numéro de la bande)

AL = facteur d'échelle additif spécifique à la bande provenant des métadonnées (RADIANCE_ADD_BAND_x, où x est le numéro de la bande)

Qcal = valeurs de pixels du produit standard quantifiées et calibrées (DN)

Ensuite, la température de brillance est calculée :

Formule de température de brillance

où :

Lλ = luminance spectrale au sommet de l'atmosphère (TOA) (Watts/(m2 * srad * μm))

K1 = constante de conversion thermique spécifique à la bande provenant des métadonnées (K1_CONSTANT_BAND_x, où x est le numéro de la bande thermique)

K2 = constante de conversion thermique spécifique à la bande provenant des métadonnées (K2_CONSTANT_BAND_x, où x est le numéro de la bande thermique)

Lors de l'étape finale, une correction de l'émissivité de la surface est effectuée et la température de surface (LST) est calculée :

Formule de température de surface terrestre

Où :

ε = émissivité de la surface ;

λ = longueur d'onde du canal thermique ;

ρ = une constante physique.

En pratique, la plupart des utilisateurs effectuent rarement tous ces calculs manuellement. QGIS propose pour cela des outils et des extensions prêts à l'emploi :

Semi-Automatic Classification Plugin (SCP)

L'une des extensions les plus populaires pour le traitement des données Landsat et Sentinel. Elle télécharge automatiquement les données, effectue la correction atmosphérique et calcule la température de surface à partir des données Landsat.

Idéal pour :

calculer la LST ;
classer des images ;
calculer l'NDVI et d'autres indices.

Google Earth Engine + QGIS

Pour les grandes surfaces, on utilise souvent une combinaison de Google Earth Engine et de QGIS. Les calculs de température sont effectués dans le cloud à l'aide des collections Landsat Surface Temperature ou MODIS LST, et les résultats sont exportés vers QGIS pour une analyse et une visualisation plus approfondies.

Pour la plupart des tâches pratiques (îlots de chaleur urbains, analyse agricole, surveillance de la sécheresse), il est désormais plus facile d'utiliser des produits prêts à l'emploi Landsat Collection 2 Surface Temperature ou MODIS LST que de calculer la température à partir de zéro. Cependant, comprendre les étapes de calcul de base aide à interpréter correctement les résultats et à évaluer leur précision.

Où la température de surface est-elle utilisée

Les cartes de température sont utilisées dans de nombreux domaines.

En agriculture, elles aident à identifier les zones de stress hydrique et à évaluer la santé des cultures. Des températures de surface élevées indiquent souvent un stress hydrique des plantes et peuvent être utilisées pour prendre des décisions d'irrigation.

Dans les études urbaines, les données LST aident à identifier les îlots de chaleur — des zones où la température est nettement plus élevée que celle des environs. Cela aide à planifier la végétalisation et le développement des infrastructures urbaines. Dans la recherche environnementale, la température de surface est utilisée pour surveiller les sécheresses, la dégradation des terres et les impacts du changement climatique.

De plus, les données de température sont utilisées dans la détection des incendies de forêt, l'analyse des masses d'eau et l'évaluation de la santé des écosystèmes.

Exemple de produit scientifique Landsat Surface Temperature dans le parc national de Yellowstone le 11 septembre 2018. Source : USGS

FAQ

Quelle est la différence entre la température de surface et la température de l'air ?

La température de surface mesure le réchauffement du sol, de la végétation, de l'eau ou des zones urbaines, tandis que la température de l'air est mesurée à une altitude d'environ 2 mètres au-dessus du sol.

Quels satellites sont utilisés pour déterminer la température de surface ?

Les plus courants sont Landsat 8/9, MODIS et ECOSTRESS, qui sont équipés de capteurs infrarouges thermiques.

Puis-je obtenir des données de température de surface gratuitement ?

Oui. De nombreuses données satellites et produits LST sont disponibles gratuitement via des catalogues ouverts et des plateformes d'analyse de données.