Πολυφασματική εκτίμηση ζημιών από πυρκαγιές πάνω από την περιοχή της Μεσογείου
Από RemoteSensing Wiki
Πολυφασματική εκτίμηση ζημιών από πυρκαγιές πάνω από την περιοχή της Μεσογείου
Πρωτότυπος τίτλος : Multi - sensor rapid fire damage assessment over Mediterranean area
Συγγραφείς : Enrico G. Cadau, Alessandro Burini, Cosimo Putignano, Philippe Goryl, Ferran Gascon
Πηγή : International Society for Photogrammetry and Remote Sensing
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούν την κύρια αιτία της υποβάθμισης των δασών στην περιοχή της Μεσογείου. Οι πυρκαγιές αυτές δεν είναι σημαντικές από την άποψη μόλυνσης της ατμόσφαιρας, αλλά έχουν δραματική επίπτωση στην φυσικά αραιή δασική και θαμνώδη βλάστηση, καθώς και στις ανθρώπινες ζωές και υποδομές. Οι πιο αποτελεσματικές μέθοδοι παθητικής τηλεπισκόπισης για την ανίχνευση και χαρτογράφηση καμένων περιοχών, βασίζονται στην παρατήρηση των NIR και SWIR (μικροκυματικό υπέρυθρο) καναλιών.
Όταν εκδηλώνεται μία πυρκαγιά το τοπίο αλλάζει δραματικά. Η οπισθοσκέδαση της δασικής περιοχής εξαρτάται από τον όγκο της βλάστησης, ενώ μετά τη φωτιά εξαρτάται από την επιφανειακή σκέδαση του καμένου εδάφους ή από τη διπλοσκέδαση στους διάσπαρτους καμένους κορμούς. Με τη χρήση πολλαπλών χρονικών δεδομένων ραντάρ, είναι δυνατόν να γίνει εκτίμηση της καταστροφής και να παρακολουθηθεί η αναγέννηση του δάσους.
ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ
Η πυρκαγιά υπό μελέτη έλαβε χώρα στη Σαρδηνία, στο Monte Arci (παλιό ηφαίστειο) στις 23 Ιουλίου 2009 και έκαψε παραπάνω από 2.200 εκτάρια Μεσογειακής θαμνώδους γης και δάση δρυών. Τις ίδιες μέρες περισσότερες από δέκα μεγάλες πυρκαγιές κατέστρεφαν την περιοχή.
ΥΠΟΒΑΘΡΟ
Αρκετές μελέτες έχουν ξεκάθαρα δείξει την ικανότητα κατάλληλων αλγορίθμων βασιζόμενων σε δορυφορικές εικόνες για την ανίχνευση πυρκαγιών με τη χρήση οπτικών και ραντάρ δεδομένων. Οποιαδήποτε μέθοδος θα πρέπει να είναι σε θέση να διακρίνει ποσοτικά τις αλλαγές ανάκλασης που προέρχονται από τη λήψη της εικόνας από αυτές που προέρχονται από τις αλλαγές στη βλάστηση της βιομάζας, της χλωροφύλλης και της περιεκτικότητας σε νερό. Χωρίς μια λεπτομερή ανάλυση τοπικού επιπέδου, είναι δύσκολο να βγει το συμπέρασμα ότι οι καμένες επιφάνειες οδηγούν σε αύξηση ή μείωση της ανάκλασης στο ορατό φάσμα.
Στο εγγύς υπέρυθρο (0,7 - 1,3 μm) η πράσινη βλάστηση εμφανίζει υψηλές τιμές ανάκλασης σε σύγκριση με τις περισσότερες φυσικές επιφάνειες. Αυτή η περιοχή του φάσματος περιέχει τις πιο χρήσιμες πληροφορίες για την ανίχνευση καμένων επιφανειών. Μετά από την εκδήλωση μιας πυρκαγιάς, στην πραγματικότητα, μια ισχυρή ελάττωση της ανακλαστικότητας μπορεί να ανιχνευθεί στην καμένη περιοχή. Σε μία καμένη επιφάνεια, γενικά, η ανάκλαση πέφτει σε ένα χαμηλό επίπεδο (5 - 15%) λόγω της παρουσίας της τέφρας και του άνθρακα πάνω στο έδαφος. Για το λόγο αυτό το εγγύς υπέρυθρο (NIR) είναι η πλέον κατάλληλη φασματική περιοχή για τον εντοπισμό καμένων περιοχών, επιτρέποντας υψηλή αντίθεση μεταξύ καμένων και μη καμένων επιφανειών. Έχοντας το πλεονέκτημα της χρήσης του του ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR) για τη χαρτογράφηση του όγκου των δασών ή της υπέργειας βιομάζας σε μεγάλες περιοχές, εντός της καμένης έκτασης, το μέσο αυτό έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση έντονων σημαδιών πυρκαγιάς ώστε να παρέχουν περισσότερες πληροφορίες για την εκδήλωση της πυρκαγιάς.
Στην περίπτωση των SAR δεδομένων, το P κανάλι είναι το καλύτερο για την εκτίμηση της βιομάζας με το υψηλότερο επίπεδο κορεσμού, η ένταση του L καναλιού υφίσταται κορεσμό σε 120 - 160 τόνους/ εκτάριο βιομάζας και στην περίπτωση της τεχνικής POLinSAR (πολωσιμετρική συμβολομετρία SAR), έχουν διεξαχθεί πολλές επιτυχημένες παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας το L κανάλι δεδομένων.
Η έμφαση της εργασίας αυτής είναι στην ακριβή χαρτογράφηση των καμένων ζωνών στις οποίες η απαγόρευση που προβλέπει η νομοθεσία πρέπει να εφαρμοστεί. Αυτό απαιτεί την επεξεργασία εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης και τη διενέργεια μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
Οι πληροφορίες της πυρκαγιάς που προέρχονται από τους δορυφόρους, που στην περίπτωση αυτή ήταν διαθέσιμες μετά από δύο ώρες, έχουν αποδειχθεί πολύ χρήσιμες κατά τη διάρκεια της φάσης συντονισμού, στο χρονικό διάστημα μετά την κρίση.
Ενώ τα οπτικά δεδομένα ανιχνεύουν με ακρίβεια τη φασματική υπογραφή της καμένης περιοχής εξασφαλίζοντας την περίπου ακριβή περίμετρο, η χρήση δεδομένων ραντάρ επιτρέπει τον εντοπισμό των περιοχών που έχουν καεί εν μέρει, προσδιορίζοντας τη βιομάζα που έχει μερικώς καταστραφεί. Οι λίγες οπτικές εικόνες χωρίς νεφοκάλυψη πριν και μετά την καταστροφή, επεξεργάστηκαν με βαθμονόμηση και ορθοαναφορά.
Προκειμένου να αυξηθεί η ακρίβεια της εικόνας, χρησιμοποιήθηκαν 50 σημεία ελέγχου (GCPs). Η καμένη περιοχή είναι αρκετά εμφανής εφαρμόζοντας μια απλή τεχνική βασιζόμενη στα NIR κανάλια (Εικ. 1, 2). Ειδικότερα, οι πολύ καμένες περιοχές είναι αρκετά διακριτές και ανιχνεύονται αυτόματα από τα ακραία χαρακτηριστικά τους, ενώ οι μερικώς καμένες περιοχές εμφανίζουν μία μικρότερη αντίθεση από τις υγιείς. Η εικόνα 3 περιλαμβάνει τα δεδομένα που έχουν ορθοαναφερθεί και συνεγγραφεί σε κοινό σημείο αναφοράς, που είναι οι εικόνες SAR (PALSAR δεδομένα διπλής πόλωσης με μικρή διαφορά γωνίας λήψης) μαζί με τις οπτικές και SAR πληροφορίες.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Με την χρήση της παραπάνω εικόνας, εξήχθησαν πληροφορίες για την υφή και ένας αλγόριθμος κατακερματισμού ενεργοποιήθηκε προκειμένου να συγχωνευθούν ομοιογενή πολύγωνα. Η ακρίβεια των εντοπισμένων καμένων εκτάσεων σε σύγκριση με τα δεδομένα των επίγειων ελέγχων, που ήταν διθέσιμα μετά από τέσσερις μήνες, είναι πάνω από 90% (Εικ. 4).
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Ο προτεινόμενος αλγόριθμος παρουσίασε καλές επιδόσεις στην ταχεία εκτίμηση των καταστροφών από πυρκαγιά και στην ακριβή ανίχνευση των καμένων εκτάσεων.
Τα δεδομένα ραντάρ έδειξαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα στην παροχή βασικών πληροφοριών για την ταξινόμηση των δασικών πυρκαγιών. Η ευσαισθησία του σήματος ραντάρ στη γεωμετρική δομή του στόχου επιτρέπει τη κατάταξη της καμένης περιοχής. Όπου η φωτιά έχει ολοσχερώς κάψει το δάσος, το HV σήμα μειώνεται δραστικά λόγω της τυχαίας καταστροφής των σταθεροποιημένων σταθερών δομών (κορμοί) και φύλλων, οι στόχοι παράγουν δυνατή οπισθοσκέδαση στο κανάλι HV. Όπου η φωτιά έκαψε γρήγορα το δάσος, χωρίς να καταστρέψει τους κορμούς, η οπισθοσκέδαση στο κανάλι HV μειώνεται ελαφρά. Φωτιά σε θαμνώδη περιοχή ή σε γρασίδι δεν ανιχνέυεται λόγω των μη σχετικών μεταβολών στη γεωμετρική δομή του στόχου. Στο κανάλι L στόχοι με χαμηλή βιομάζα επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από την κατάσταση του εδάφους, παράμετροι που δεν επηρεάζονται σημαντικά από τη φωτιά και δεν εμπίπτουν στην ευαισθησία του αισθητήρα.
