Εφαρμογή τεχνικών τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση του μεγέθους σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς από δασικές φυλλωσιές

Από RemoteSensing Wiki

Εφαρμογή τεχνικών τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση του μεγέθους σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς από δασικές φυλλωσιές
Πρωτότυπος τίτλος : Remote sensing of forest canopies to quantify burn severity.
Πηγή : Boer et al., Remote Sensing of Environment 2008[8]

Περίληψη

Η ψηφιακή τηλεπισκόπηση είναι η πιο πρακτική μέθοδος για τη χαρτογράφηση και την εκτίμηση των επιπτώσεων της πυρκαγιάς σε τοπική κλίμακα. Μία απλή προσέγγιση του μεγέθους της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς μπορεί να εκλαμβάνεται με την ποσοτικοποίηση κάποιων διαφορών, σε ορισμένους δείκτες, οι οποίοι συνάγονται από δορυφορικές απεικονίσεις, πριν και μετά την πυρκαγιά. Αντικείμενο αυτής της μελέτης είναι η ανάπτυξη βελτιωμένων τεχνικών για την αξιολόγηση των επιπτώσεων μιας πυρκαγιάς, με σκοπό τον κατάλληλο διαχειριστικό έλεγχο για τη μείωση των κινδύνων από μια πυρκαγιά, την διατήρηση όσο γίνεται της βιοποικιλότητας και την προστασία των υδάτινων πόρων. Στη συγκεκριμένη εργασία είναι οι μεταβολές του δείκτη LAI (Leaf Area Index) και NLAI (Normalised LAI) και η χρησιμοποίηση αυτών των μεταβολών, ως μέτρο αξιολόγησης του μεγέθους της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς. Πρέπει να παρατηρήσουμε, ότι για τα περισσότερα περιβάλλοντα, είναι ασαφές με ποιον τρόπο οι μεταβολές στην ανακλαστικότητα που ανιχνεύονται στις ψηφιακές εικόνες, σχετίζονται με το μέγεθος των επιπτώσεων μιας πυρκαγιάς, λόγω της ιδιαιτερότητας του κάθε οικοσυστήματος. Το γεγονός αυτό καθιστά δύσκολη την χρησιμοποίηση και άλλων φασματικών δεικτών (εκτός του LAI)όπως του NBR (Normalised Burn Ratio) για την ερμηνεία και την ανίχνευση αλλαγών στη δομή της βλάστησης, της παραγωγικότητας ή άλλες βασικές οικολογικές διεργασίες

Εικόνα 1 : Πρακτικός υπολογισμός του δείκτη LAI, [1]πηγή

Ο δείκτης LAI (Leaf Area Index)

Ο δείκτης LAI (θα τον ονομάζαμε φυλλικό δείκτη επιφανείας, ο οποίος προσιδιάζει το συνολικό φύλλωμα μιας περιοχής) είναι ο λόγος της συνολικής βλαστικής επιφάνειας μιας δασώδους έκτασης, διαιρούμενος δια την επιφάνεια του εδάφους την οποία η βλάστηση καλύπτει. Είναι αδιάστατο μέγεθος που συνήθως κυμαίνεται από 0 για το γυμνό έδαφος εώς 6 για ένα πυκνό δάσος. Ο δείκτης LAI αποτελεί βασικό στοιχείο για την δημιουργία πειραματικών και θεωρητικών μοντέλων λειτουργίας των δασικών οικοσυστημάτων και του ελέγχου θεμελιωδών βλαστικών διεργασιών όπως η φωτοσύνθεση και η περιεκτικότητα της βλάστησης σε νερό. Επιπλέον, το μέγεθος της μεταβολής του κανονικοποιημένου δείκτη (NLAI) μετά από μια πυρκαγιά, αποτελεί ενδεικτικό στοιχείο του μεγέθους μιας πυρκαγιάς (του μετώπου και του ύψους της φλόγας) κατά το πέρασμα της πυρκαγιάς. Ο δείκτης αυτός μπορεί να υπολογιστεί προσεγγιστικά σε ικανοποιητικό βαθμό, με τη χρησιμοποίηση τεχνικών τηλεπισκόπησης .

Εικόνα 2 : Επίγειες εργασίες στην περιοχή μελέτης, [2]πηγή

Εικόνα 3 : Ευκάλυπτος στο Perth, Eucalyptus marginata, [3]πηγή

Η περιοχή μελέτης και η συλλογή των δεδομένων

Η περιοχή μελέτης είναι το δάσος Jarrah της πολιτείας Perth, στη Δυτική Αυστραλία. Είναι φυλλοβόλο δάσος και αποτελείται κυρίως από ευκαλύπτους (Eucalyptus marginata, βλέπε εικόνα 3). Τον Ιανουάριο του 2005 υπέστη σοβαρές ζημιές από τις πυρκαγιές που έγιναν στην περιοχή, με αποτέλεσμα να καούν περισσότερα από 27.000 δασικά εκτάρια (270.000 στρέμματα δάσους). Ένα εμπειρικό μοντέλο για τον υπολογισμό των τιμών του δείκτη LAI από φασματικές απεικονίσεις αναπτύχθηκε, χρησιμοποιώντας εδαφικές μετρήσεις (Οκτώβριος 2006) σε συνδυασμό με ψηφιακές απεικονίσεις Landsat TM (Ιανουάριος 2007). Οι επίγειες εργασίες συμπεριλαμβάνουν επίσης επίγειες ψηφιακές φωτογραφίες (βλέπε και εικόνα 1) για την ποσοτικοποίηση των τιμών του δείκτη LAI στην περιοχή μελέτης. Δημιουργήθηκαν με στατιστικό τρόπο, ιστογράμματα φυλλικής κάλυψης (40m x 40m) τα οποία κάλυψαν θεωρητικά (και πρακτικά) με στατιστικό τρόπο, την πυκνότητα των φυλλωσιών στην περιοχή μελέτης καθώς και τις μεταβολές τους στο χρόνο, μετά την τελευταία πυρκαγιά λίγο πριν από τον Ιανουάριο του 2005.

Μεθοδολογία

Αναπτύχθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης για τη στατιστική πρόβλεψη των τιμών του δείκτη LAI χρησιμοποιώντας τον δείκτη NBR (Normalised Burn Ratio), τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) αλλά και τον απλό φασματικό λόγο SR (Simple Ratio), ως ανεξάρτητη μεταβλητή. Ο NBR υπολογίζεται ως λόγος της ανακλαστικότητας στο εγγύς (NIR, κανάλι 4 σε μια απεικόνιση του Landsat TM) και μεσαίο υπέρυθρο (MIR, κανάλι 5 σε μια απεικόνιση του Landsat TM), ενώ ο NDVI και ο SR είναι λόγοι της ανακλαστικότητας στο εγγύς υπέρυθρο και στο ορατό μήκος κύματος του κόκκινου (κανάλι 3 σε μια απεικόνιση του Landsat TM). Τα LAI μοντέλα παλινδρόμησης είχαν εξίσου υψηλούς συντελεστές προσδιορισμού (R2: 0,87) και σχετικά μικρά σφάλματα ελαχίστων τετραγώνων (RMSE : 0,27-0,28). Χάρτες που απεικονίζουν το δείκτη LAI πριν και μετά την πυρκαγιά, δημιουργήθηκαν, με τη χρησιμοποίηση στατιστικής παλινδρόμησης με ελεύθερη μεταβλητή το φασματικό λόγο SR με τη βοήθεια δυο απεικονίσεων Landsat TM οι οποίες συλλέχθηκαν στις 15 Ιανουαρίου του 2004 και στις 2 Φεβρουαρίου του 2005 (πριν και μετά την πυρκαγιά). Η διαφορά του κανονικοποιημένου NLAI υπολογίστηκε αριθμητικά, από τους δείκτες NLAI των απεικονίσεων πριν και μετά την πυρκαγιά. Τα στατιστικά όρια των επιπέδων εμπιστοσύνης για τoυς προβλεπόμενους κανονικοποιημένους δείκτες NLAI ποσοτικοποιήθηκαν με τη στατιστική τεχνική 'bootstrapping' (μια τεχνική δειγματοληψίας).

Εικόνα 4 :χάρτης δείκτη LAI πριν την πυρκαγιά, [4]πηγή

Εικόνα 5 :χάρτης δείκτη LAI μετά την πυρκαγιά, [5]πηγή

Εικόνα 6 :χάρτης πρόβλεψης δείκτη LAI, [6]πηγή

Εικόνα 7 : Τα καταστροφικά ίχνη της πυρκαγιάς, [7]πηγή

Αποτελέσματα και Συμπεράσματα

Οι τιμές του δείκτη LAI πριν την πυρκαγιά κυμάνθηκαν περίπου από 0,5 εώς 1,0 για τα ανατολικά τμήματα της περιοχής τα οποία παρουσιάζουν χαμηλές βροχοπτώσεις και από 3,0 εώς 3,5 στα δυτικά τμήματα της περιοχής τα οποία παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές βροχόπτωσης. Η υπολογιζόμενη μέση απώλεια των τιμών του δείκτη LAI, λόγω της πυρκαγιάς του Ιανουαρίου του 2005 ήταν από 0,8 εώς 0,9 σε ολόκληρη την περιοχή. Ο κανονικοποιημένος NLAI που υπολογίστηκε με τη σύγκριση των τιμών NLAI στις δύο ψηφιακές απεικονίσεις Landsat TM, συμβαδίζει με τις ποιοτικές παρατηρήσεις της σοβαρότητας των ιχνών της πυρκαγιάς που απέμειναν στο έδαφος. Χρησιμοποιώντας την αναλογία των τιμών των δεικτών NLAI και LAI πριν την πυρκαγιά και αναγωγή των τιμών αυτών σε ποσοστό φυλλόπτωσης, περίπου το 70% της πυρόπληκτης περιοχής έχασε το 50% ή και περισσότερο της φυλλικής επιφάνειας της. Εντούτοις, οι τιμές NLAI παρουσίασαν έντονες χωρικές (εδαφικές) διακυμάνσεις. Αυτές οι χωρικές διακυμάνσεις για τη διερεύνηση της σοβαρότητας της φωτιάς και των επιπτώσεων της, αποτελεί ένα βασικό κλειδί για τη βελτίωση της κατανόησης της συμπεριφοράς μιας πυρκαγιάς και των παραγόντων που την όρισαν (π.χ. καύσιμος ύλη, κλίσεις και κάλυψη εδάφους και καιρικές συνθήκες). Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής, μας προσφέρουν μια βάση για περαιτέρω εμπεριστατωμένη αξιολόγηση των επιπτώσεων μιας πυρκαγιάς αλλά και της παρακολούθησης της διαδικασίας αναγέννησης του δάσους, εφόσον η σοβαρότητα των εγκαυμάτων της πυρκαγιάς στο έδαφος, εκφρασμένη ως αριθμητική διαφορά του δείκτη LAI, έχει άμεση συνάφεια με την ανάπτυξη των δάσων και την ύπαρξη ή την απουσία υδάτινων πόρων. Διάφοροι υφιστάμενοι φασματικοί δείκτες οι οποίοι δείχνουν έμεσα τη σοβαρότητα μιας πυρκαγιάς, όπως είναι ο ευρέως χρησιμοποιούμενος δείκτης dNBR (differenced Normalized Burn Ratio, Key and Benson, 2006), ο οποίος μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στην παρακολούθηση των μεταβολών που παρουσιάζουν οι ανακλαστικές ιδιότητες του εδάφους και της βλάστησης, συνεπώς και στην εκτίμηση των επιπτώσεων μιας πυρκαγιάς, απαιτούν και τη συμπληρωματική χρήση του δείκτη LAI μέσω του οποίου γίνεται σχετικά εύκολα η χωρική και χρονική σύγκριση των τιμών της ανακλαστικότητας της φυλλικής βλάστησης μιας περιοχής, πριν και μετά την εκδήλωση μιας πυρκαγιάς. Η εργασία αυτή, είναι η πρώτη που αντιμετώπισε αυτό το ζήτημα. Η συγκεκριμένη έρευνα έδειξε ότι οι τιμές του δείκτη LAI μπορούν να χαρτογραφηθούν επακριβώς με περιορισμένη αλλά υψηλής ποιότητας συλλογή επίγειων δεδομένων σε συνδυασμό με απεικονίσεις Landsat TM και ότι το μέγεθος της μεταβολής του δείκτη ΔLAI μπορεί να αποτελέσει μέτρο αξιολόγησης του μεγέθους της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς.