Τηλεπισκόπιση, Τεχνητή Νοημοσύνη και Συστήματα GIS στην Εκτίμηση Κινδύνου Πυρκαγιών

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς: Χρήστος Βασιλάκος, Κώστας Καλαμποκίδης, Ιωάννης Χατζόπουλος, Γεώργιος Κάλλος και Ιωάννης Ματσίνος

Αντικείμενο Εφαρμογής

Εκτίμηση κινδύνου πυρκαγιών.

Στόχος της Εφαρμογής

Στόχος της εργασίας ήταν η δημιουργία, για πρώτη φορά ενός ποσοτικού συστήματος εκτίμησης κινδύνου πυρκαγιών, μεγάλης κλίμακας με δυνατότητα βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης με περιοχή μελέτης το νησί της Λέσβου.

Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων

Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες με υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα από τους δέκτες:

• QuickBird με μέγεθος pixel 2,8m και

• Landsat ETM με μέγεθος pixel 30m στον πολυφασματικό και 15m στον πανχρωματικό.

Είδη δορυφόρων, δεκτών, καναλιών

Τα κανάλια του δέκτη Landsat ETM που επιλέχθηκαν ήταν τα εξής:

• Μπλε, πράσινο, κόκκινο και

• κοντινό υπέρυθρο που έχουν την ίδια φασματική ζώνη με τα 4 κανάλια του QuickBird.

Τα κανάλια αυτά συνενώθηκαν με το πανχρωματικό έτσι ώστε να προκύψει εικόνα με 4 φασματικές ζώνες και 15m διαχωριστική ικανότητα.

Χρησιμότητα των δεκτών/καναλιών

Τα δεδομένα από τους παραπάνω δέκτες χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό των παραμέτρων για τον υπολογισμό του Δείκτη Πιθανότητας Εμφάνισης Πυρκαγιάς. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν για τη χαρτογράφηση του οδικού δικτύου των οικισμών και των αγροτικών περιοχών.

Προεπεξεργασίες

Στις τηλεπισκοπικές εικόνες από το δέκτη QuickBird έγινε:

• γεωμετρική διόρθωση με τη βοήθεια χαρτών και GPS

• έπειτα συνένωση των εικόνων αυτών σε ένα ενιαίο μωσαϊκό πραγματοποιώντας παράλληλα και

• ραδιομετρικές διορθώσεις για να εξαλειφτούν οι διαφορές στα ιστογράμματά τους.

Χρήση επιπρόσθετων χαρτών, βάσεων δεδομένων και χρησιμότητά τους

• Μοντέλο πρόγνωσης καιρού SKIRON για τον υπολογισμό του Μετεωρολογικού Δείκτη Κινδύνου.

• Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών για τη διαχείριση, σύνθεση και χωρική ανάλυση των παραμέτρων ως θεματικών επιφανειών.

Μεθοδολογία

                                              Σχήμα 1: Διάγραμμα ροής μεθοδολογίας

Το κύριο αποτέλεσμα του συστήματος εκτίμησης κινδύνου είναι ο Δείκτης Πιθανότητας Εμφάνισης Πυρκαγιάς βασιζόμενους σε άλλους 3 δείκτες (σχήμα 1):

• Ο Μετεωρολογικός Δείκτης Κινδύνου (ΜΚΔ), ο οποίος υπολογίστηκε με τη μέθοδο των Πολυγώνων Thiessen. (Σχήμα 2)

Σχήμα 2: Πολύγωνα Thiessen (α) των 4(+) μετεωρολογικών σταθμών και (β) των 8(+) σημείων πρόγνωσης μετεωρολογικών δεδομένων που υπολογίζονται από το μοντέλο SKIRON

• Ο Βλαστητικός Δείκτης Κινδύνου, ο οποίος υπολογίστηκε μέσω της δημιουργίας χωρικής επιφάνειας μοντέλων καύσιμης ύλης με χρήσεις γης CORINE οι οποίες αντιστοιχήθηκαν σε ένα από τα 13 μοντέλα καύσιμης ύλης του BEHAVE.

• O Κοινωνικο-Οικονομικός Δείκτης Κινδύνου, ο οποίος υπολογίστηκε με χαρτογράφηση του ανθρώπινου ρίσκου με συσχετισμό της χωρικής κατανομής της έναρξης των πυρκαγιών με την εγγύτητα σε ανθρώπινες δραστηριότητες. (Σχήμα 3)

                            Σχήμα 3: Στατικές παράμετροι του συστήματος γραμμικά τεντωμένες στο διάστημα 0-1

Η προσέγγιση των συναρτήσεων για τον υπολογισμών των τριών αρχικών δεικτών πραγματοποιήθηκε με την χρήση των Νευρωνικών Δικτύων (ΝΝ) τα οποία εκπαιδεύτηκαν με την μέθοδο της ανάστροφης διάδοσης σφάλματος (Backpropagation). Η λογιστική συνάρτηση που χρησιμοποιήθηκε στα ενδιάμεσα επίπεδα επεξεργασίας αλλά και στην έξοδο του NN είναι η:

η οποία ήταν κατάλληλη για να δείξει την εμφάνιση ή μη πυρκαγιών λόγω του δυαδικού χαρακτήρα (0 ή 1) της εξαρτημένης μεταβλητής.

Ο Δείκτης Πιθανότητας Εμφάνισης Πυρκαγιάς (ΔΠΕΠ) υπολογίζεται με τη χρήση πολυκριτηριακής ανάλυσης (ΑΗΡ) των τριών επιμέρους δεικτών (κριτήρια), σύμφωνα με τη μέθοδο του σταθμισμένου μέσου (Πίνακας 2):

Όπου

w: βάρος κάθε δείκτη

δ: δείκτης

                                             Πίνακας 1. Κλίμακα σχετικής σημαντικότητας

Αποτελέσματα-Συμπεράσματα

Στον πίνακα 3 συγκεντρώνονται τα αποτελέσματα εκπαίδευσης και επαλήθευσης των νευρωνικών δικτύων.

                           Πίνακας 2: Αποτελέσματα εκπαίδευσης και επαλήθευσης των νευρωνικών δικτύων

Ο τελικό τύπος υπολογισμού του Δείκτη Πιθανότητας Εμφάνισης Πυρκαγιών είναι:

ΔΠΕΠ=0,1311*ΜΚΔ + 0,2081*ΒΚΔ + 0,6608*ΚΟΔΚ

Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται ο ΔΠΕΠ στις ημερομηνίες 23/6/2003 και 27/8/2003.

                                    Σχήμα 4: ΔΠΕΠ στις ημερομηνίες 23/6/2003 και 27/8/2003

Οι παραπάνω χάρτες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ένα σημαντικό εργαλείο υποστήριξης αποφάσεων για την πρόληψη και καταστολή των δασικών πυρκαγιών και για τον εντοπισμό περιοχών με αυξημένο δείκτη κινδύνου.