Αλγόριθμος βάσης δεδομένων χρονοσειρών MODIS για τη χαρτογράφηση καμένων δασικών περιοχών.
Από RemoteSensing Wiki
"A MODIS Time Series Data Based Algorithm for Mapping Forest Fire Burned Area"
Συγγραφείς:YANG Wei,ZHANG Shuwen,TANG Junmei,BU Kun,YANG Jiuchun,CHANG Liping
Έκδοση:Chinese Geographical Science,(2013), 23(3): 344–352
Περιγραφή - Μέθοδοι - Συμπεράσματα
Η χαρτογράφηση των καμένων περιοχών είναι ένα σημαντικό βήμα στην έρευνα των δασικών πυρκαγιών για τη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ των δασικών πυρκαγιών και της κλιματικής αλλαγής και την επίδραση των δασικών πυρκαγιών για τους υπολογισμούς των εκπομπών άνθρακα. Αυτή η μελέτη πρότεινε έναν αλγόριθμο για τη χαρτογράφηση των καμένων δασικών περιοχών με τη χρήση των Moderate-Resolution Imaging Spectroradiameter (MODIS) δεδομένα χρονοσειρών στο Heilongjiang της Κίνας.
Ο αλγόριθμος χωρίζεται σε δύο στάδια: Πρώτον, τα «βασικά» εικονοστοιχεία (pixels) χρησιμοποιήθηκαν ώστε να αντιπροσωπεύουν όσο το δυνατόν περισσότερες καμένες περιοχές σε εικονοστοιχεία (pixels) με βάση τη σύγκριση της χρονικής μεταβολής του Δείκτη Παγκόσμιας Περιβαλλοντικής Παρακολούθησης (Global Environmental Monitoring Index, GEMI), δείκτες καμένων περιοχών (Burned Area Index, BAI) και ενεργά προϊόντα φωτιάς MODIS μεταξύ του πριν και του μετά των πυρκαγιών.
Δεύτερον, ορίστηκε μια περιοχή 15 χιλιομέτρων για να εξαγάγετε το σύνολο των καμένων περιοχών κοντά στα «πυρήνα» των pixels καθώς πιο χαλαροί όροι χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των καμένων pixels για τη μείωση του σφάλματος όσο το δυνατόν περισσότερο. Ο αλγόριθμος εξέτασε διεξοδικά τα θερμικά χαρακτηριστικά και τη φασματική αλλαγή μεταξύ προ- και μετα-πυρκαγιάς, οι οποίες αντιπροσωπεύονται από τα MODIS παράγωγα της πυρκαγιάς και το φασματικό δείκτη, αντίστοιχα. Οι πόλεις Tahe, Mohe και Huma της επαρχίας Heilongjiang της Κίνας επελέγησαν ως περιοχές μελέτης για τη χαρτογράφηση των καμένων περιοχών και παρήχθησαν χάρτες κατά χρονική σειρά των καμένων περιοχών από το 2000 έως το 2011. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο αλγόριθμος μπορεί να εξάγει καμένες περιοχές με μεγαλύτερη ακρίβεια, με την υψηλότερη να φτάνει στο 96,61%.
Η περιοχή που επιλέγεται για αυτή τη μελέτη βρίσκεται στα σύνορα μεταξύ της Ρωσίας και της Κίνας, μεταξύ των οποίων υπάρχουν τρεις κομητείες (Mohe, Tahe και Huma) της επαρχίας Heilongjiang της Κίνα. Υπό τον έλεγχο του κλίματος των ηπειρωτικών μουσώνων, η περιοχή μελέτης έχει ευδιάκριτες τέσσερις εποχές με μεγάλο, εξαιρετικά ψυχρό και ξηρό χειμώνα και σύντομο, ήπιο και υγρό καλοκαίρι. Η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι χαμηλή και υπάρχει μια μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ μέρας και νύχτας. Η κατεύθυνση του ανέμου είναι κατά βάση βορειοδυτική και την άνοιξη υπάρχουν μέρες πιο θυελλώδεις με τους ανέμους να είναι πέντε βαθμούς υψηλότερη από οποιεσδήποτε άλλες εποχές. Ο κύριος τύπος κάλυψης γης στην περιοχή μελέτης είναι η βλάστηση και ο τύπος δάσών είναι τα κωνοφόρα στο νότιο τμήμα του βορείου δάσους με κυρίαρχα τα είδη όπως Larix gmelinii. Η μεγάλη ποσότητα της βλάστησης και η κατάσταση του κλίματος καθώς και η θύελλα και η ξηρασία στην περιοχή μελέτης, καθιστούν στην περιοχή ευάλωτη σε πυρκαγιές. Προκειμένου να παρακολουθηθεί η δυναμική των δασικών πυρκαγιών και να ερευνηθεί η διαδικασία των οικολογικών όρων μετά την πυρκαγιά, είναι κρίσιμο να αναπτυχθεί μια μέθοδος για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση της καμένης έκτασης σε μια μεγάλη κλίμακα σε συνεχείς τομείς.
Η χαρτογράφηση της καμένης περιοχής βασίζεται στη φασματική διαφορά μεταξύ προ- και μετα-πυρκαγιάς και είναι απαραίτητο για να επιλεγεί ο προσαρμοσμένος φασματικός δείκτης που αντιπροσωπεύει τη διαφορά. Οι συνήθως χρησιμοποιούμενοι δείκτες περιλαμβάνουν Κανονικοποιημένες Διαφορές Δεικτών Βλάστησης (Normalized Difference Vegetation Index-NDVI), Δείκτης Καμένων Αρκτικών Δασών (Burned Boreal Forest Index-BBFI), Δείκτης Παγκόσμιας Περιβαλλοντικής Παρακολούθησης (Global Environmental Monitoring Index-GEMI) και Δείκτης Καμένης Περιοχής (Burned Area Index-BAI). Μεταξύ αυτών των δεικτών, ο NDVI έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς διότι παρέχει μια ακριβή εκτίμηση της κάλυψης βλάστησης. Ωστόσο, αν και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη χαρτογράφηση καμένων περιοχών, υπάρχουν αρκετά προβλήματα με αυτό. Για παράδειγμα, ο NDVI θα φτάσει τη μέγιστη τιμή, ιδίως στον τομέα κάλυμμα υψηλής βλάστησης και θα οδηγήσει σε ενδεχόμενα σφάλματα της χαρτογράφησης των καμένων περιοχών.
Σε αυτή τη μελέτη, έχει επιλεχθεί ένας εναλλακτικός δείκτης, GEMI, όπου προτείνεται από τους Pinty και Verstraete (1992) για την εκτίμηση των συνθηκών βλάστησης όπως:
GEMI = η × (1 - 0.25η) - (ρred - 0.125) / (1- ρred)
η = (2 (ρnir^2 - ρred^2) + 1.5ρnir + 0.5ρred) / (ρ NIR + ρred + 0.5)
όπου ρred και ρnir είναι το κόκκινο και το εγγύς υπέρυθρη χρώμα στις MODIS εικόνες. Για να αποφευχθούν τα πιθανά σφάλματα χρησιμοποιώντας έναν απλό φασματικό δείκτη, ο BAI (Martin, 1998) επιλέχθηκε για την περαιτέρω διάκριση της καμένης έκτασης, που ορίζεται από:
BAI = 1 / ((ρnir - ρcnir)^2 + (ρred - ρcred)^2)
όπου ρcred και ρcnir είναι οι τιμές σύγκλισης για την καμένη βλάστηση (που ορίζεται ως 0,1 και 0,06 αντίστοιχα). Επιπλέον, μετά τη σύγκριση της διαφοράς του φασματικού δείκτη μεταξύ του πριν και μετά των πυρκαγιών, τα θερμικά χαρακτηριστικά κατά τη διάρκεια της φωτιάς θεωρείται ως ένας άλλος περιορισμός της χαρτογράφησης των καμένων περιοχών.
Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο που αναφέραμε παραπάνω, εξήχθει η καμένη έκταση της περιοχής μελέτης από το 2000-2011. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η περιοχή μελέτης ήταν σημαντικά επηρεασμένη από τις δασικές πυρκαγιές καθώς και το επίπεδο και η έκταση της πυρκαγιάς που συνέβη σε κάθε έτος ήταν διαφορετικά. Μεταξύ των τριών κομητειών, η Mohe είχε την μικρότερη επιρροή από την πυρκαγιά, η οποία έχει το μικρότερο αριθμό και έκταση από την πυρκαγιά. Κατά τη διάρκεια της περιόδου που μελετήθηκε, υπήρχε μόνο μία καταστροφική δασική πυρκαγιά με την περιοχή της πυρκαγιάς να είναι μεγαλύτερη από 1000 ha (εκτάρια) στην περιοχή Mohe. Η Tahe κομητεία έχει επηρεαστεί σημαντικά από τη φωτιά, με περισσότερους αριθμούς και μεγαλύτερο κομμάτι γης από τη Mohe. Συγκριτικά με τις δύο κομητείες που αναφέρονται παραπάνω, η Huma έχει επηρεαστεί από πιο καταστροφικές δασικές πυρκαγιές και επηρεάζονται μεγαλύτερες περιοχές. Υπήρχαν δύο μεγάλες πυρκαγιές το Φεβρουάριο του 2003 και τον Οκτώβριο του 2005, η μια ήταν μεταξύ των συνόρων Huma και της Tahe και η άλλη ήταν στα νοτιοανατολικά της Huma. Η περιοχή αυτών των δύο μεγάλων δασικών πυρκαγιών είναι μεγαλύτερη από 100000 ha (εκτάρια).
