Μοντέλα πυρκαγιάς και μέθοδοι χαρτογράφησης των τύπων καυσίμων χάρτη: Ο ρόλος της τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς Lara A. Arroyo, Cristina Pascual, Jose´ A. Manzanera

Πηγή Fire models and methods to map fuel types: The role of remote sensing

Εισαγωγή

Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούν μείζον περιβαλλοντικό ζήτημα σε ένα ευρύ φάσμα των οικοσυστημάτων παγκοσμίως. Η γνώση της χωρικής κατανομής των τύπων καυσίμων είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη στρατηγικών διαχείρισης. Επιπλέον, οι ακριβείς χάρτες των τύπων καυσίμων, είναι ένα απαιτούμενο βήμα εισόδου σε προγράμματα τα οποία προσομοιώνουν τη συμπεριφορά της φωτιάς. Διάφορες τεχνικές τηλεπησκόπισης έχουν αναπτυχθεί προς αυτήν την κατεύθυνση. Στην εργασία αυτή εξετάζονται οι συνηθέστερες ταξινομήσεις καυσίμων και των μεθόδων για την παραγωγή χαρτών καυσίμων.

Μοντέλα πυρκαγιάς και ταξινομήσεις τύπων καυσίμου

Ορολογία

Καύσιμα ορίζονται, τα στοιχεία εκείνα που συμβάλλουν στην εξάπλωση, την ένταση και τη σοβαρότητα της δασικής πυρκαγιάς. Χρησιμοποιούμε τον όρο μοντέλο φωτιάς για να ορίσουμε μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τα δυναμικά χαρακτηριστικά μιας πυρκαγιάς. Τα μοντέλα αυτά είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για τους διαχειριστές, όταν είναι ενταγμένα σε συστήματα υποστήριξης αποφάσεων.

Μοντέλα πυρκαγιάς στις Ηνωμένες Πολιτείες

Ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα πυρκαγιών είναι αυτό του Rothermel (1972), το οποίο προσομοιώνει εξάπλωση πυρκαγιάς σε επιφανειακά καύσιμα. Αυτό το μοντέλο είναι η βάση για πολλά συστήματα υποστήριξης αποφάσεων στη Βόρειο Αμερική. Ένα νεότερο σύστημα ταξινόμησης των καυσίμων στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι το Fuel Characteristics Classification System (FCC), το οποίο επιτρέπει στο χρήστη να δημιουργήσει και να κατηγοριοποιήσει υπόβαθρα καυσίμων και να τα κατατάξει ανάλογα με την ικανότητά τους να υποστηρίξουν φωτιά και να καταναλώσουν καύσιμα.

Μοντέλα πυρκαγιάς στην Αυστραλία

Τα πιο διαδεδομένα μοντέλα πυρκαγιάς στην Αυστραλία είναι τα McArthur Forest Fire Danger Rating System και McArthur Grassland Fire Danger Rating System, που επινοήθηκαν από τον Alan McArthur στη δεκαετία του 1960, και τα οποία συσχετίζουν τη πιθανότητα αναφλέξεως, τον αναμενόμενο ρυθμό εξάπλωσης και τη δυσκολία του περιορισμού, και εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, τη σχετική υγρασία και την ταχύτητα του ανέμου.

Μοντέλα πυρκαγιάς στον Καναδά

Τα συστήματα υποστήριξης αποφάσεων στον Καναδά αναπτύχθηκαν επίσης από πειραματικές φωτιές και πυρκαγιές, αλλά εφαρμόζονται σε όλους τους τύπους βλάστησης και είναι αρκετά πιο σύνθετα από τα Αυστραλιανά.

Μοντέλα πυρκαγιάς στην Ευρώπη

Ευρωπαίοι ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα ταξινόμησης των καυσίμων που ονομάζεται Προμηθέας, το οποίο απλοποιεί και προσαρμόζει την κατάταξη NFFL σε μεσογειακές συνθήκες. Το κύριο κριτήριο κατάταξης σε αυτό το σύστημα είναι το είδος και το ύψος του στοιχείου μετάδοσης, τα οποία χωρίζονται σε τρεις μεγάλες ομάδες: χλόη, θάμνοι ή σκουπίδια έδαφους.

Περιορισμοί των ταξινομήσεων

Τα καύσιμα δεν είναι εύκολο να ταξινομηθούν. Πρώτον τα μοντέλα καυσίμων είναι εξαρτόνται από την εκάστοτε περιοχή. Επίσης, έχουν περιορισμένο πεδίο εφαρμογής. Η ταξινόμηση των καυσίμων μπορεί να εφαρμοστεί μόνο για τους συγκεκριμένους στόχους που εξετάσθηκαν κατά την ανάπτυξή του. Εξαιτίας της ύπαρξης πολλών διαφορετικών συστημάτων ταξινόμησης, επικρατεί σύγχυση μεταξύ τους. Τέλος, παρόλο που οι χάρτες των καυσίμων είναι απαραίτητοι για τη διαχείριση πυρκαγιών, η δημιουργία τους είναι δύσκολη και δαπανηρή.

Παραδοσιακές μέθοδοι

Τοπικός έλεγχος

Ο τοπικός έλεγχος περιλαμβάνει διάσχιση ενός τοπίου, με καταγραφή της έκτασης των συνθηκών των καυσίμων σε υπολογιστές ή χάρτες. Δεδομένου ότι οι χάρτες θα πρέπει να ενημερώνονται περιοδικά, το έργο αυτό καθίσταται ιδιαίτερα προβληματικό. Όμως, ο τοπικός έλεγχος εξακολουθεί να είναι απαραίτητος για τη χαρτογράφηση καυσίμων είτε ως βασική πηγή δεδομένων ή για την αξιολόγηση των προϊόντων που παράγονται σε χαμηλότερο επίπεδο λεπτομέρειας. Η προσέγγιση αυτή συνιστάται επίσης για την επικύρωση χάρτων που δημιουργήθηκαν από τεχνικές τηλεπησκόπισης.

Φωτοερμηνεία

Ο Lee (1941) ήταν από τους πρώτους που πρότεινε τη χρήση τεχνικών φωτοερμηνείας για τη διάκριση των καυσίμων σε αεροφωτογραφίες. Έγχρωμες φωτογραφίες καθιερώθηκαν αργότερα για τη βελτίωση της χαρτογράφησης της βλάστησης. Οι έγχρωμες-υπέρυθρες φωτογραφίες έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί, δεδομένου ότι παρέχουν σχετικές φασματικές πληροφορίες για τη διάκριση των τύπων καυσίμων.

Οικολογική μοντελοποίηση

Η προσέγγιση της μοντελοποίησης, χρησιμοποιεί βιοφυσικά μοντέλα για τη δημιουργία χαρτών καυσίμων. Οι περιβαλλοντικές διαβαθμίσεες είναι βιοχημικά φαινόμενα, όπως το κλίμα και η τοπογραφία, που επηρεάζουν άμεσα τη βλάστηση και τα καύσιμα. Η αξία αυτής της προσέγγισης είναι ότι οι διαβαθμόσεος παρέχουν ένα οικολογικό πλαίσιο στο οποίο μπορεί να κατανοηθεί, να εξερευνηθεί και να προβλεφθεί η δυναμική των καυσίμων.

Μέθοδοι τηλεπισκόπησης

Παθητικοί αισθητήρες

Η χαρτογράφηση των καυσίμων από τηλεπισκόπηση πολυφασματικών δεδομένων, έχει δοκιμαστεί από πολλούς συγγραφείς. Πιο συχνά, οι μελέτες αυτές βασίστηκαν σε μεσαίας ανάλυσης αισθητήρες, όπως SPOT-HRV (Systeme Pour l’Observation de la Terre - Haute Resolution Visible), Landsat MSS (Multispectral Scanner) ή TM (Thematic Mapper). Ο πιο σημαντικός περιορισμός αυτών των εικόνων είναι η αδυναμία τους να διεισδύσουν στους θόλους των δασών. Οι αισθητήρες αυτοί είναι συνήθως σε θέση να ανιχνεύσουν τα επιφανειακά καύσιμα όπου υπάρχει άνοιγμα στα δασικά φυλλώματα.

Μεσαίας προς χαμηλής ανάλυσης πολυφασματικά δεδομένα

Οι περισσότερες μεσαίας και χαμηλής ανάλυσης πολυφασματικές προσεγγίσεις χαρακτηρίζουν τα επιφανειακά καύσιμα ταξινομόντας μια εικόνα σε κατηγορίες βλάστησης και στη συνέχεια, αναθέτοντας τα χαρακτηριστικά των καυσίμων σε κάθε κατηγορία. Για παράδειγμα, η πρωτοποριακή εργασία του Kourtz (1977) παρουσιάζει τις βασικές τεχνικές της ψηφιακής ταξινόμησης των τύπων καυσίμου με χρήση δορυφορικής τηλεπισκόπησης εικόνων (Landsat-MSS): επιβλεπόμενη ταξινόμηση (μέγιστη πιθανότητα) και μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση. Άλλες προσπάθειες επικεντρώθηκαν σε χωρικής ανάλυσης αισθητήρες, όπως ο NOAA-AVHRR (National Oceanographic and Atmospheric Administration-Advanced Very High Resolution Radiometer).

Πολύ υψηλής ανάλυσης πολυφασματικά δεδομένα

Νεότεροι αισθητήρες, όπως οι QuickBird και IKONOS, έδωσαν αναλύσεις κάτω του μέτρου. Οι αισθητήρες αυτοί έχουν εφαρμοστεί ευρέως στο χαρακτηρισμό της βλάστησης. Σε αυτήν την προσέγγιση, τα pixel συγκεντρώνονται πριν από την ταξινόμηση και όχι μετά. Δημιουργούνται περιοχές με χαρακτηριστικά, όπως μορφή, υφή, τοπολογία και φασματικές πληροφορίες, που εισάγονται στο στάδιο της κατάταξης. Η κατάταξη στη συνέχεια εκτελείται σε ομάδες των pixel (αντικειμένων), παρά σε μεμονομένα pixel.

Υπερφασματικά δεδομένα

Τα υπερφασματικά συστήματα τηλεπισκόπησης, που μετρούν την αντανάκλαση ή εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μεγάλο αριθμό συνεχόμενων φασματικών ζωνών, έχει αποδειχθεί ότι είναι χρήσιμα για τη φασματική και χωρική διάκριση της βλάστησης που σχετίζεται με τη φωτιά και έχει χαρακτηριστικά όπως πυκνό φύλλωμα, υγρασία, αναλογία μεταξύ νεκρής και ζωντανής βλάστησης και κατανομή του γυμνού εδάφους. Η Spectral Mixture Analysis (SMA) είναι η βάση των περισσότερων υπερφασματικών τεχνικών ανάλυσης δεδομένων. Η προσέγγιση SMA υποθέτει ότι το φάσμα που μετριέται από έναν αισθητήρα είναι γραμμικός συνδυασμός των φασμάτων όλων των συνιστωσών εντός του pixel. Το βασικό μειονέκτημα των εναέριων υπερφασματικών αισθητήρων (π.χ. AVIRIS, MIVIS) είναι η μειωμένη χωρική κάλυψη που παρέχουν.

Ενεργητικοί αισθητήρες

Συστήματα LΙDAR

Η τεχνολογία LiDAR αποτελεί μία αποτελεσματική εναλλακτική λύση για την υπέρβαση των δύο κύριων δυσκολιών που αντιμετωπίζονται από τη χαρτογράφηση καυσίμων από παθητικά οπτικά δεδομένα: μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκτιμηθεί το ύψος των καυσίμων και παρέχει πληροφορίες των επιφανειακών καυσίμων όταν αυτά καλύπτονται από το φύλλωμα του δάσους.

Μικροκυματικά δεδομένα

Όπως και στην περίπτωση των δεδομένων LiDAR, οι αισθητήρες μικροκυμάτων έχουν τη δυνατότητα να συμπληρώσουν οπτικές μετρήσεις των χαρακτηριστικών τύπων καυσίμου. Πολλές εργασίες, που στηρίζονται σε δεδομένα απο μικροκυματικούς δορυφόρους, όπως οι ERS-1 και RADARSAT, προσπαθούν να προβλέψουν σημαντικά δασικά χαρακτηριστικά για τη χαρτογράφηση των καυσίμων, όπως η βιομάζα, ο όγκος και το ύψος των δέντρων.

Συνδυασμός μεθόδων

Η συνδυασμένη χρήση διαφορετικών μεθόδων χαρτογράφησης καυσίμων και/ή πηγών δεδομένων, αντιπροσωπεύει μια νέα και πολλά υποσχόμενη προσέγγιση στην τηλεπισκόπηση, όχι μόνο για τη χαρτογράφηση των καυσίμων, αλλά και σε πολλές άλλες εφαρμογές. Ως αποτέλεσμα, πολλοί από τους περιορισμούς που συνδέονται με την εφαρμογή μιας ενιαίας μεθόδου χαρτογράφησης αντιμετωπίζονται πολύ ευκολότερα. Μια επιλογή είναι ο συνδυασμός παραδοσιακών μεθόδων και τεχνικών τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας μόνο τεχνικές τηλεπισκόπησης, η ενσωμάτωση περισσότερων του ενός αισθητήρα έχει επίσης αναπτυχθεί με επιτυχία. Τέλος η χρήση των LiDAR και φασματικών πληροφοριών (κυρίως VHR ή υπερφασματικών) υπήρξε ιδιαίτερα επιτυχής και αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση για την αντιμετώπιση της πολύπλοκης φύσης των καυσίμων.

Συμπεράσματα

Η γνώση των χαρακτηριστικών των καυσίμων είναι καθοριστική για τη διαχείριση των πυρκαγιών, διότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του κινδύνου, της επικινδυνότητας, τη συμπεριφοράς και του αποτελέσματος της φωτιάς. Ωστόσο, τα καύσιμα είναι δύσκολο να περιγραφούν και να χαρτογραφηθούν λόγω της μεγάλης πολυπλοκότητας και των διακυμάνσεών τους. Η ανάπτυξη νέων βελτιωμένων αισθητήρων (δηλαδή LIDAR, ραντάρ, VHR και υπερφασματικών) και τεχνικών, μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη χαρτογράφηση των καυσίμων.