Η συμβολή της τηλεπισκόπησης στην παρακολούθηση και ανάλυση των πυρκαγιών στο δάσος του Αμαζονίου
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο εφαρμογής: Η συμβολή της τηλεπισκόπησης στην παρακολούθηση και ανάλυση των πυρκαγιών στο δάσος του Αμαζονίου
Πρωτότυπος τίτλος: Amazon Fire Monitoring and Analysis Based on Multi-source Remote Sensing Data
Συγγραφείς: J Q Yao, H R Zhai , X M Tang, X M Gao and X D Yang
DOI: 10.1088/1755-1315/474/4/042025
Εισαγωγή
Το τροπικό δάσος του Αμαζονίου βρίσκεται στη λεκάνη του Αμαζονίου της Νότιας Αμερικής, με συνολική έκταση 5,5 εκατομμύρια τετραγωνικά χιλιόμετρα, αντιπροσωπεύοντας το ήμισυ της συνολικής έκτασης του παγκόσμιου τροπικού δάσους. Το καλοκαίρι του 2019 οι πυρκαγιές αυξήθηκαν 83% σε σχέση με την ίδια περίοδο το 2018 και προκλήθηκαν κυρίως από ανθρώπινες δραστηριότητες με σκοπό την επέκταση γης που χρησιμοποιείται για βοσκή ή γεωργία. Τον Αύγουστο του 2019 ξέσπασε μια μεγάλης κλίμακας πυρκαγιά στο τροπικό δάσος του Αμαζονίου που προκάλεσε σοβαρή βλάβη τόσο στο οικοσύστημα όσο και στον άνθρωπο. Για την ακριβή παρακολούθηση και την ανάλυση των επιπτώσεων της, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα NPP VIIRS που καλύπτουν την περιοχή πυρκαγιάς του Αμαζονίου με τη μέθοδο sliding window για την εξαγωγή του σημείου πυρκαγιάς. Επιπλέον, με δεδομένα CALIPSO, εντοπίζονται και αναλύονται οι κατακόρυφες μεταβολές κατανομής των ατμοσφαιρικών ρύπων. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι μόνο τα δεδομένα NPP VIIRS χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της πυρκαγιάς, ενώ ο συνδυασμός των δεδομένων CALIPSO μπορεί να προβλέπει καλύτερα την εξάπλωση της. Ο συνδυασμός οπτικής εικόνας και ραντάρ λέιζερ έχει μεγαλύτερο πλεονεκτήματα στη δυναμική παρακολούθηση της πυρκαγιάς και στην ανάλυση του αντικτύπου της. Η μέθοδος που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο μπορεί να παρέχει βασικές αναφορές δεδομένων για ακριβή και σε πραγματικό χρόνο πρόβλεψη δασικών πυρκαγιών και νέες ιδέες για τη δυναμική παρακολούθηση τους.
Υλικά και Μέθοδοι
Η μέθοδος threshold χρησιμοποιείται ευρέως στον αλγόριθμο εξαγωγής σημείου πυρκαγιάς των δεδομένων NPP VIIRS. Στο άρθρο επιλέγεται η μέθοδος εξαγωγής σημείων πυρκαγιάς από τα δεδομένα πυρκαγιών στα τροπικά δάση του Αμαζονίου. Χρησιμοποιούνται κυρίως δεδομένα NPP M13 (μέσο υπέρυθρο) και M15 (θερμικό υπέρυθρο). Οι πληροφορίες έχουν διακρίνονται στην εικόνα 1. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο threshold για την εξαγωγή του σημείου πυρκαγιάς από τα δεδομένα NPP VIIRS, η ακρίβεια του προϊόντος εξαρτάται από την επιλογή του ορίου. Τα εικονοστοιχεία μεγαλύτερα από το όριο χωρίζονται σε δεδομένα σημείου πυρκαγιάς και τα εικονοστοιχεία μικρότερα από το όριο χωρίζονται σε δεδομένα μη πυρκαγιάς. Στο πείραμα, το μέγεθος του συρόμενου παραθύρου εξαρτάται κυρίως από την τιμή του NPP και την υποκειμενική επιλογή. Το διάγραμμα ροής είναι όπως φαίνεται στην εικόνα 2. Τα δεδομένα NPP προ επεξεργάζονται, πράγμα που σημαίνει κυρίως μετατροπή της θερμοκρασίας φωτεινότητας ακτινοβολίας, γεωμετρική διόρθωση, ανίχνευση νέφους κ.λπ. Δεύτερον, υπολογίζεται το όριο εξαγωγής πυρκαγιάς στο συρόμενο παράθυρο και τα εικονοστοιχεία που ικανοποιούν τις συνθήκες εξάγονται ως δεδομένα πυρκαγιάς.
Αποτελέσματα και ανάλυση
O δορυφόρος Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi NPP) σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τη NASA για την NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Ο VIIRS είναι ένας από τους πέντε αισθητήρες που μεταφέρει ο δορυφόρος Suomi-NPP και έχει 22 κανάλια, 9 ορατά και εγγύς υπέρυθρα, 12 κανάλια μεσαίας και μακρινής υπέρυθρης ακτινοβολίας και ένα κανάλι DNB (Day/Night Band). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της νεφοκάλυψης και του αεροζόλ, το χρώμα του νερού των ωκεανών, τη θερμοκρασία της επιφάνειας του ωκεανού και της γης. Τα αποτελέσματα παρακολούθησης των σημείων πυρκαγιάς στη δασική περιοχή του Αμαζονίου βασίζονται στα δεδομένα νυχτερινής παρατήρησης στο υπέρυθρο κανάλι του VIIRS. Διαπιστώθηκε πως ο αριθμός των σημείων πυρκαγιάς κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι τουλάχιστον διπλάσιος συγκριτικά με τα σημεία πυρκαγιάς κατά τη διάρκεια της νύχτας. Ο δορυφόρος Cloud-Aerosol Lidar and Infrastructed Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), είναι ένας από τους πέντε αστερισμούς του προγράμματος A-Train της NASA. Το CALIOP lidar χρησιμοποιεί διπλά μήκη κύματος 1064nm και 532nm. Παρατηρεί κυρίως την κατακόρυφη κατανομή σύννεφων και αερολυμάτων και την κατάσταση πάγου/νερού των νεφών. Προκειμένου να αναλυθεί ποσοτικά η κατακόρυφη κατανομή των ατμοσφαιρικών ρύπων που προκαλούνται από τη φωτιά, οι επιπτώσεις αναλύονται με βάση τα δεδομένα VFM (Verticle Feature Mask) επιπέδου 2 CALIPSO. Τα δεδομένα VFM διαιρούν τα σήματα σε Clear Air (καθαρός αέρας), Aerosol (αεροζόλ), Cloud (σύννεφο), Smoke(καπνό), Dust(σκόνη) και No Signal (χωρίς σήμα). Φαίνεται ότι υπάρχει μεγάλη σύμπτωση μεταξύ των δεδομένων CALIPSO και των δεδομένων NPP, ενώ διαπιστώνεται πως ο αριθμός των σημείων πυρκαγιάς είναι πυκνός σε σημεία με πυκνά σύννεφα και καπνό.
Συμπεράσματα
Βάσει όσων αναλύθηκαν παραπάνω, ο συνδυασμός NPP VIIRS και lidar CALIPSO κρίνεται πιο κατάλληλος για δυναμική παρακολούθηση της πυρκαγιάς και του αντίκτυπου της σε σχέση με μια μεμονωμένη οπτική εικόνα. Τα δεδομένα και η ανάλυση σημείων πυρκαγιάς αλλά και ατμοσφαιρικών ρύπων στην περιοχή του τροπικού δάσους του Αμαζονίου παρέχουν πληθώρα δεδομένων για την παρακολούθηση των αλλαγών στην περιοχή πυρκαγιών και την πρόβλεψη τους τόσο σε οπτικές εικόνες όσο και στην ατμόσφαιρα. Με δεδομένα τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών, οι δασικές πυρκαγιές παρακολουθούνται και αναλύονται με χαμηλό κόστος, υψηλή απόδοση και ακρίβεια, παρέχοντας έτσι αποτελεσματική πρόβλεψη και αξιολόγηση αλλά και επιστημονική βάση για λήψη αποφάσεων με σκοπό την πρόληψη και τον μετριασμό των καταστροφών.
