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Aplicações de técnicas de deteção remota na monitorização de áreas de desgaseificação em São Miguel (Açores, Portugal)
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Authors
Abstract(s)
O enquadramento geodinâmico dos Açores, para além de propiciar intensa atividade sísmica e vulcânica, caracteriza-se pelo seu vulcanismo secundário, através da presença de fenómenos de desgaseificação como os campos fumarólicos, desgaseificação difusa, nascentes de água termal e de água gasocarbónica.
Em 2010, após a perfuração de um poço para exploração de energia geotérmica no flanco N do Vulcão do Fogo, na ilha de São Miguel, surgiu uma nova área de desgaseificação acompanhada de anomalia térmica com temperaturas máximas de 100ºC. Essa anomalia tem um importante papel para os estudos de anomalias térmicas nos Açores com recurso a imagens de satélite, considerando que esta foi a primeira área de desgaseificação conhecida a surgir no arquipélago desde o lançamento dos satélites MODIS, Landsat e ASTER.
O presente trabalho tem como objetivo demonstrar as capacidades e limitações dos sensores orbitais atualmente disponíveis para a deteção de alterações nos valores de temperatura à superfície.
Foi avaliada a pertinência do uso de imagens diurnas para identificação de anomalias térmicas recorrendo aos sensores MODIS, Landsat e ASTER, com base na série histórica dos valores medidos. Foi utilizada a plataforma Google Earth Engine (GEE) para extrair valores de Land Surface Temperature (LST) dos produtos MODIS e Landsat, e de temperatura de brilho (TB) do ASTER.
Foram comparados os valores do pixel incidente e da temperatura do solo a 30 cm de profundidade medida in situ na área abrangida pelas quatro estações permanentes de medição de fluxo de CO2 localizadas na ilha de São Miguel, nomeadamente duas no Vulcão do Fogo e duas no Vulcão das Furnas. O sensor MODIS, apesar da sua baixa resolução espacial (1 km), apresentou a maior correlação.
Deste modo, tentou-se também avaliar os fatores com influência nos valores obtidos com uso de imagens orbitais, comparando-se os valores medidos com a temperatura do ar no momento da passagem do satélite. A correlação foi sempre positiva para todos os satélites, sendo a menor correlação (r = 0,65) obtida com o ASTER e a maior (r = 0,93) com o Landsat.
A análise espacial de anomalias térmicas permitiu identificar á área de desgaseificação que se expandiu na zona envolvente ao poço RG4 a partir de 2010. Nesta análise, a estatística espacial de cada imagem é realizada de forma a avaliar a sensibilidade dos sensores para períodos diurnos (Landsat) e noturnos (ASTER). Os resultados obtidos revelam que o uso de imagens com infravermelho térmico (TIR) noturnas são as mais adequadas e uma importante ferramenta para a monitorização de anomalias térmicas de baixa temperatura (inferiores 100ºC) como as que ocorrem no arquipélago dos Açores.
Os sensores orbitais disponíveis atualmente demonstraram-se viáveis para a monitorização de anomalias térmicas em larga escala, contudo, fatores como a resolução espacial, período do dia de captura da imagem e a cobertura de nuvens podem dificultar a identificação de anomalias térmicas que possam vir a surgir. Assim, o uso de drones equipados com sensores térmicos TIR tende a ser a alternativa mais viável de curto prazo para a monitorização remotas de anomalias térmicas no arquipélago dos Açores, associando alta resolução espacial e temporal e operacionalização abaixo das nuvens, mitigando esse constrangimento frequente no arquipélago.
ABSTRACT: Besides providing intense seismic and volcanic activity, the geodynamic framework of the Azores is characterized by its secondary volcanism, such as the presence of degassing phenomena, as: fumarolic fields, diffuse degassing, and thermal and gas-carbonic mineral water springs. In 2010, after drilling a well for geothermal energy exploration on the N flank of Fogo Volcano, on the island of São Miguel, a new degassing area accompanied by thermal anomaly appeared. This anomaly has an important role in studies of thermal anomalies in the Azores using orbital imaging, considering that this was the first known new degassing area in the archipelago to appear since the launch of MODIS, Landsat and ASTER satellites. This thesis aims to demonstrate the capabilities and limitations of currently available orbital sensors in capturing changes in surface temperature values. Thus, the relevance of using daytime images to identify thermal anomalies using MODIS, Landsat, and ASTER sensors was assessed, based on the time series of measured values. The Google Earth Engine (GEE) platform was used to extract Land Surface Temperature (LST) values from MODIS and Landsat products and brightness temperature (TB) values from ASTER. Accordingly, the pixel values and soil temperature were compared at 30 cm depth measured in situ in the area covered by every permanent stations located on the island of São Miguel: two at Fogo Volcano and two at Furnas Volcano. Despite its low spatial resolution (1 km), the MODIS sensor showed the highest correlation. To evaluate the factors influencing the values obtained with orbital images, we compared those with the air temperature at the time of the satellite pass. The correlation was always positive for all satellites, where the lowest was r = 0.65 with ASTER, and the highest was r = 0.93 with Landsat. The statistical analysis considering each thermal image as a sample allowed to evaluate the sensitivity of the sensors for daytime (Landsat) and nighttime (ASTER) periods. The results obtained revealed that night thermal infrared (TIR) images constitute an important tool for monitoring low-temperature thermal anomalies (below 100ºC) such as those occurring in the Azores archipelago. Currently available orbital sensors have proven to be viable for large-scale monitoring of thermal anomalies. However, factors such as spatial resolution, period of the day of image acquisition, and cloud cover may delay the identification of thermal anomalies that may arise. Therefore, using UAVs with TIR thermal sensors might be the best short-term alternative for monitoring thermal anomalies in the Azores archipelago, coupling high spatial and temporal resolution and operationalization below the clouds, mitigating this frequent constraint in the archipelago.
ABSTRACT: Besides providing intense seismic and volcanic activity, the geodynamic framework of the Azores is characterized by its secondary volcanism, such as the presence of degassing phenomena, as: fumarolic fields, diffuse degassing, and thermal and gas-carbonic mineral water springs. In 2010, after drilling a well for geothermal energy exploration on the N flank of Fogo Volcano, on the island of São Miguel, a new degassing area accompanied by thermal anomaly appeared. This anomaly has an important role in studies of thermal anomalies in the Azores using orbital imaging, considering that this was the first known new degassing area in the archipelago to appear since the launch of MODIS, Landsat and ASTER satellites. This thesis aims to demonstrate the capabilities and limitations of currently available orbital sensors in capturing changes in surface temperature values. Thus, the relevance of using daytime images to identify thermal anomalies using MODIS, Landsat, and ASTER sensors was assessed, based on the time series of measured values. The Google Earth Engine (GEE) platform was used to extract Land Surface Temperature (LST) values from MODIS and Landsat products and brightness temperature (TB) values from ASTER. Accordingly, the pixel values and soil temperature were compared at 30 cm depth measured in situ in the area covered by every permanent stations located on the island of São Miguel: two at Fogo Volcano and two at Furnas Volcano. Despite its low spatial resolution (1 km), the MODIS sensor showed the highest correlation. To evaluate the factors influencing the values obtained with orbital images, we compared those with the air temperature at the time of the satellite pass. The correlation was always positive for all satellites, where the lowest was r = 0.65 with ASTER, and the highest was r = 0.93 with Landsat. The statistical analysis considering each thermal image as a sample allowed to evaluate the sensitivity of the sensors for daytime (Landsat) and nighttime (ASTER) periods. The results obtained revealed that night thermal infrared (TIR) images constitute an important tool for monitoring low-temperature thermal anomalies (below 100ºC) such as those occurring in the Azores archipelago. Currently available orbital sensors have proven to be viable for large-scale monitoring of thermal anomalies. However, factors such as spatial resolution, period of the day of image acquisition, and cloud cover may delay the identification of thermal anomalies that may arise. Therefore, using UAVs with TIR thermal sensors might be the best short-term alternative for monitoring thermal anomalies in the Azores archipelago, coupling high spatial and temporal resolution and operationalization below the clouds, mitigating this frequent constraint in the archipelago.
Description
Dissertação de Mestrado, Vulcanologia e Riscos Geológicos, 27 de janeiro de 2023, Universidade dos Açores.
Keywords
Desgaseificação Difusa Fumarolas Monitorização Sismovulcânica Sismicidade Vulcanismo Activo Vulcanologia Vulcão das Furnas Vulcão do Fogo Ilha de São Miguel (Açores) Açores
Citation
Uchôa, Jéssica Garcia (2023). "Aplicações de técnicas de deteção remota na monitorização de áreas de desgaseificação em São Miguel (Açores, Portugal)", 152 p.. Mestrado em Vulcanologia e Riscos Geológicos. Ponta Delgada: Universidade dos Açores. [Consult. Dia Mês Ano]. Disponível em www:<http://hdl.handle.net/10400.3/6656>