Τηλεπισκόπηση και μοντελοποίηση των πυρκαγιών

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς

Michele A. Kuester, John Marshall, William J. Emery

Αντικείμενο της εφαρμογής

Προσομοίωση - πρόβλεψη της συμπεριφοράς των πυρκαγιών.

Στόχος της εφαρμογής

Στόχος της παρούσας εφαρμογής αποτελεί η προσπάθεια μιας παράλληλης χρησιμοποίησης ενός αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης σε συνδυασμό με τη χρήση δορυφορικών απεικονίσεων για την παρακολούθηση και πρόβλεψη της συμπεριφοράς των πυρκαγιών, καθώς και η εξαγωγή συγκριτικών αποτελεσμάτων.

Μελέτη Περίπτωσης

Η πυρκαγιά στην περιοχή του Άσπεν, η οποία έκαιγε από τις 17 Ιουνίου έως τις 11 Ιουλίου του έτους 2003, στα όρη βόρεια της πόλης του Τούκσον στην Αριζόνα, αποτέλεσε τη μελέτη περίπτωσης της παρούσας εργασίας. Η πυρκαγιά τέθηκε υπό έλεγχο ουσιαστικά στις 1 Ιουλίου. Οι επιπτώσεις της ήταν ιδιαίτερα σημαντικές για το περιβάλλον της ευρύτερης περιοχής. Χαρακτηριστικά, κάηκαν 84,750 στρέμματα δασικής γης ενώ καταστράφηκαν περίπου 350 κτίρια στις γύρω περιοχές. Το κόστος αντιμετώπισης και κατάσβεσης της πυρκαγιάς έφτασε συνολικά τα 17 εκ. δολάρια.

Μεθοδολογία - Παρατήρηση της Πυρκαγιάς

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές απεικονίσεις από τους δέκτες των δορυφόρων Quickbird και NOAA-AVHRR. Η ικανότητα υψηλής ανάλυσης που χαρακτηρίζει τις δορυφορικές εικόνες του δορυφόρου Quickbird δίνει τη δυνατότητα εντοπισμού με ακρίβεια της θέσης της πηγής της πυρκαγιάς, ενώ οι μικρότερης χωρικής ανάλυσης εικόνες AVHRR μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της χρονικής εξέλιξης του καπνού της πυρκαγιάς.

Ο δέκτης του δορυφόρου Quickbird:

4 πολυφασματικά κανάλια με 2.8 μ χωρική ανάλυση, στα 450-520 nm, 520-600 nm, 630-690 nm, 760-900 nm (μπλε, πράσινο, κόκκινο και εγγύς υπέρυθρο (NIR) κανάλι αντίστοιχα).

Εικόνα 1: Έγχρωμη σύνθετη απεικόνιση της πυρκαγιάς του Άσπεν από το δορυφόρο Quickbird της 21ης του Ιουνίου του 2003 .

Εικόνα 2: Έγχρωμη σύνθετη απεικόνιση της πυρκαγιάς του Άσπεν από το δορυφόρο Quickbird της 1ης του Ιουλίου του 2003 - παρατηρούνται μεγάλη διασπορά και χαμηλά επίπεδα καπνού (μετακίνηση καπνού προς τα νοτιοανατολικά.

Ο δέκτης AVHRR-2 (που χρησιμοποιήθηκε στην προκειμένη περίπτωση):

5 φασματικά κανάλια με οριζόντια χωρική ανάλυση 1 km, στα 580-680 nm, 725-1100 nm, 3550-3930 nm, 10300-11300 nm και 11500-12500 nm (κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο (NIR), μέσο υπέρυθρο (MIR) και δύο θερμικά υπέρυθρα κανάλια (TIR)).

Χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης βλάστησης (NDVI), αφού αποτελεί ένα εργαλείο χρήσιμο για την πρόβλεψη και χαρτογράφηση του καπνού της πυρκαγιάς.

Το αριθμητικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία είναι το NFSPUFF, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως από την Εθνική Υπηρεσία Δασών των Η.Π.Α. (National Forest Service) για την πρόβλεψη της εξέλιξης του καπνού ελεγχόμενων πυρκαγιών. Για την καλύτερη εφαρμογή του μοντέλου, ήταν σημαντική η συλλογή πληροφορίας σε σχέση με το προφίλ των ανέμων που έπνεαν στην περιοχή. Έτσι, η απαραίτητη αυτή πληροφορία ανακτήθηκε από το Εθνικό Κέντρο Πρόβλεψης Περιβάλλοντος (National Center for Environmental Prediction - NCEP).

Εικόνα 3: Σύγκριση εφαρμογής του δείκτη βλάστησης NDVI σε απεικόνιση AVHRR με τα αποτελέσματα εφαρμογής του μοντέλου - με τρίγωνα παρουσιάζεται ο καπνός που εντοπίστηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνική κατώτατου ορίου στα AVHRR δεδομένα, ενώ με κύκλους φαίνονται τα αποτελέσματα του μοντέλου.

Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται ότι το νέφος καπνού στην περίπτωση της πυρκαγιάς του Άσπεν φτάνει σε υψόμετρο 2.500 μέτρων πάνω από το έδαφος, ένα σημείο όπου σύμφωνα και με τα διαθέσιμα δεδομένα από το NCEP η ένταση των ανέμων αυξάνει σημαντικά.

Εικόνα 4: Από αποτελέσματα του μοντέλου προκύπτει ότι στις 21 Ιουνίου του 2003 το νέφος καπνού φτάνει σε ένα υψόμετρο περίπου 16.000 πόδια πάνω από το επίπεδο της θάλασσας (περίπου 2.500 μέτρα πάνω από το επίπεδο του εδάφους.

Παρατηρώντας την δορυφορική απεικόνιση της Εικόνας 2, φαίνεται ότι ο καπνός μετακινείται σταδιακά με κατεύθυνση προς νότια και ανατολικά. Ουσιαστικά, τη συγκεκριμένη ημερομηνία στην οποία αναφέρεται η απεικόνιση, η πυρκαγιά έκαιγε λιγότερο. Παρά το γεγονός ότι τα επίπεδα καπνού στην περίπτωση αυτή δεν έφταναν σε σημαντικό υψόμετρο, ακόμη και η χαμηλότερη ένταση των ανέμων που έπνεαν στην περιοχή θα είχε σαν αποτέλεσμα θεωρητικά το νέφος καπνού να ακολουθεί μια κατεύθυνση βόρεια και ανατολική. Η νοτιοανατολική κατεύθυνση του νέφους δηλώνει τη σημαντική επιρροή της τοπογραφίας και του ανάγλυφου της περιοχής στις περιπτώσεις όπου τα επίπεδα καπνού κινούνται σε χαμηλό υψόμετρο.

Συμπεράσματα

Η εφαρμογή του μοντέλου NFSPUFF μπόρεσε να προσομοιώσει το νέφος του καπνού της πυρκαγιάς στην περιοχή του Άσπεν, όπως παρατηρήθηκε στις απεικονίσεις από δύο δορυφόρους, στις περιπτώσεις κατά τις οποίες η πυρκαγιά ήταν πολύ δυνατή, με αποτέλεσμα τα νέφη καπνού να είναι ικανά να φτάνουν σε ένα σχετικά μεγάλο υψόμετρο, όπου οι δυνατοί άνεμοι προκαλούν την οριζόντια μεταφορά και διασπορά τους.

Επομένως, το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της συμπεριφοράς πυρκαγιών και του νέφους καπνού στα αρχικά κυρίως στάδια εκδήλωσης της πυρκαγιάς, καθώς και για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του φαινομένου για μέχρι και 24 ώρες, εφόσον είναι διαθέσιμες πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο όσον αφορά το προφίλ των ανέμων της περιοχής. Όσο η ένταση της πυρκαγιάς μειωνόταν και επικρατούσαν συνθήκες χαμηλών ανέμων, οι προσομοιώσεις του μοντέλου γινόταν λιγότερο ακριβείς όσον αφορά την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του νέφους καπνού, ενώ η τοπογραφία της επιφάνειας της περιοχής διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην κατεύθυνση της κίνησης του νέφους και τη διασπορά του.