Χαρτογράφηση Δρυμύτητας Πυρκαγιών βάσει απεικονίσεων Landsat - 8 και WorldView - 2
Από RemoteSensing Wiki
Vegetation Burn Severity Mapping Using Landsat-8 and WorldView-2 Zhuoting Wu, Barry Middleton, Robert Hetzler, John Vogel, and Dennis Dye Photogrammetric Engineering & Remote Sensing Vol. 81, No. 2, February 2015, pp. 143–154. doi: 10.14358/PERS.81.2.143
Πίνακας περιεχομένων |
Περίληψη
Η μελέτη χρησιμοποίησε τηλεπισκοπικά δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat – 8 και WorldView – 2 για να εκτιμήσει την δριμύτητα της δασικής πυρκαγιάς Creek (vegetation burn severity) στο Καταφύγιο Apache San Carlos, όπου η εκδήλωση της πυρκαγίας επιρεάζει τις κρίσιμες για την φυλή δραστηριότητες κτηνοτροφίας και υλοτομίας. Ακριβής χαρτογράφηση της απώλειας κομοστέγης πριν και μετά την πυρκαγία παρήχθηκε από τα δεδομένα WorldView – 2 με χωρική διακριτική ικανότητα 0.5 μέτρων, και πολλαπλοί δείκτες απο απεικονίσεις Landsat – 8 πριν και μετά την πυρκαγιά χρησιμοποιήθηκαν για να αξιολογηθεί η δριμύτητα της πυρκαγιάς (ένταση καύσης της βλάστησης). Ο χάρτης δριμύτητας πυρκαγιάς που βασίζεται στον δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς έχει τους μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης με τους χάρτες απώλειας κομοστέγης που παρήχθησαν από την απεικόνιση WorldView – 2. Οι δύο απομακρυσμένες προσεγγίσεις - η απώλεια κομοστέγης βάσει δεδομένων WorldView – 2 και οι διαφορικές τιμές των φασματικών δεικτών βάσει δεομένων Landsat – 8 είναι σε καλή συμφωνία με τις εκτιμήσεις της δριμύτητας της πυρκαγιάς από την έρευνα πεδίου και είναι και οι δύο αποτελεσματικές στην για την χαρτογράφηση δριμύτητας πυρκαγιάς. Η χάρτες απώλειας κομοστέγης που παρήχθησαν από τις απεικονίσεις WorldView – 2 συναξιολογούνται στις περιορισμένες ακριβείς τεχνικές χαρτογράφησης δριμύτητας πυρκαγιών που μπορούν να βοηθήσουν στην αποτελεσματική διαχείριση των δασικών πόρων του Καταφυγίου Apache του San Carlos και ευρύτερης ευαίσθητης σε πυρκαγίες νοτιοδυτικής περιοχής των ΗΠΑ.
Εισαγωγή
Ιστορικά οι νοτιοδυτικές περιοχές των ΗΠΑ ήταν περιοχές χαμηλής έντασης επιφανειακών πυρκαγιών, όμως η επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων (βόσκηση, πυρόσβεση, υλοτομία) και ο παράγοντας της κλιματικής αλλαγής (αύξηση ξηρασίας) επιδεινώνουν τον κίνδυνο μεγάλων και καταστροφικών δασικών πυρκαγιών με σοβαρές συνέπειες για το οικοσύστημα και τις ανθρώπινες κοινότητες. Στο καταφύγιο San Carlos, εφαρμόζονται τεχνικές ελεγχόμενης καύσης για την μείωση του υπερσυσσώρευσης και την επαναφορά του δασικού περιβάλλοντος στην φυσική προ –αποικιοκρατική του κατάσταση. Όμως, το αφύσικα αυξημένο οργανικό φορτίο, οι εκτεταμένες ξηρασίες και ένα πλήθος άλλων βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων που μεταβάλλονται χωρικά και χρονικά αποτελούν προκλήσεις. Η ακριβής και έγκυρη χαρτογράφηση της δριμύτητας των πυρκαγιιών αναδεικνύουν τις ρευπαθείς περιοχές που χρήζουν αποκατάστασης. Η δριμύτητα πυρκαγιών (ένταση καύσης) περιγράφει τον βαθμό κατανάλωσης της βιομάζας από την φωτιά, και υποδιαιρείται σε ένταση καύσης βλάστησης και εδάφους. Συνδέεται με ένα πλήθος αβιωτικών και βιωτικών παραγόντων (όπως τον τύπο και την ηλικία της βλάστησης), εκ των οποίων η τελευταίοι έχουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την περίπτωση μελέτης. Μπορεί να μετρηθεί τηλεπισκοπικά ή επι του πεδίου, ο δε τηλεπισκοπικός προσδιορισμός των αλλαγών φαίνεται ιδιαίτερα αποτελεσματικός σε εκτενείς περιοχές όπου η έρευνα πεδίου είναι δυσχερής. Η διαθέσιμη τηλεπισκοπική πληροφορία, σήμερα, παρέχεται σε ένα μεγάλο εύρος χωρικής ανάλυσης και συχνότητας χρονικής κάλυψης, καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό φασματικών δεικτών βλάστησης, αντιπροσωπευτικών των ιδιοτήτων και των συνθηκών βλάστησης και μπορεί να αξιοποιηθεί στην παρακολούθηση σε κλίμακα τοπίου ή στην ακριβή χαρτογράφηση. Ο πιο διαδεδομένος φασματικός δείκτης βλάστησης είναι ο δείκτης βλάστσης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Επίσης, η βραχεία υπέρυθρη φασματική περιοχή μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στην ανάλυση λόγω της υψηλής ευαισθησίας της στην απορρόφηση νερού από την βλάστηση. Επιπρόσθετα, έχει εισαχθεί στην ανάλυση ο δείκτης καύσης κανονικοποιημένου λόγου (NBR) και η διαφορική τιμή του, που αξιοποιεί την μειωμένη ανακλαστικότητα στο εγγύς υπέρεθρο λόγω μείωσης της χλωροφύλλης και την αυξημένη ανακλαστικότητα στο μέσο υπέρυθρο λόγω μείωσης της υγρασίας της κομοστέγης. Η δασική πυρκαγιά Greek στο καταφύγιο Apache San Carlos αποτελεί μια μελέτη περίπτωσης με στόχο την καταγραφή των εντάσεων καύσης της βλάστησης και την αξιολόγηση των μεθόδων χαρτογράφησης της δρυμύτητας πυρκαγιάς από υψηλής ανάλυσης δεδομένα απώλειας της κομοστέγης και τις διαφορές φασματικών δεικτών.
Μέθοδοι
Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο Point of Pines του Καταφυγίου apache San Carlos στην ανατολικό – κεντρική Arizona (33.39o N, 109.82o W, 1829 m – 2134 m ASL) και καλύπτει έκταση 92 km2. Ο εγγύτερος μετεωρολογικός σταθμός διαθέτει δεδομένα της περιόδου 1900 – 2012 βάσει των οποίων περιγράφονται στην αναφορά τα κλιματικά χαρακτηριστικά της περιοχής. Η μέση ετήσια περίοδος επαναφοράς των πυρκαγιών εκτιμάται ιστορικά σε 11 χρόνια όμως η εγκατάσταση πληθυσμών και η αλλαγή των χρήσεων γης έχουν μειώσει δραστικά τις δασικές πυρκαγίες από το 1880. Η περιοχή μελέτης ήταν προκαθορισμένη για την χαρτογράφηση της δασικής βιομάζας, χρησιμοποιώντας τηλεπισκοπικά δεδομένα. Η πυρκαγία έκαιγε αναπάντεχα στο διάστημα 16 Ιουνίου – 01 Ιουλίου 2013, κατακαίωντας 5,987 ha της περιοχής μελέτης, που αντιστοιχούν στο 65% αυτής. Στην πλεονότητα της περιοχής που κάηκε συναντάται πεύκη (pinus ponderosa) με θάμνους και γρασίδι σε απότομο, τραχύ έδαφος. Οι καιρικές συνθήκες ήταν ζεστές και ξηρές με θερμοκρασίες άνω των 35οC, σχετική υγρασία της τάξης του ενός ψηφίου και μεταβαλλόμενες ταχύτητες ανέμου περί τα 24 km/h.
Δεδομένα Έρευνας Πεδίου
Τα δεδομένα πεδίου συλλέχθηκαν την περίοδο Σεπτεμβρίου – Δεκεμβρίου 2013, πριν μια επερχόμενη αναγέννηση του δάσους. Η συλλογή δεδομένων ακολούθησε το πρωτόκολλο σύνθετου δείκτη καύσης (Key and Benson, 2006). Λόγω των έντονων μουσώνων που προηγήθηκαν δεν ήταν δυνατή η ολοκληρωμένη πρόσβαση στο πεδίο, όμως επιλέχθηκαν και μελετήθηκαν 33 οικόπεδα εντός της περιοχής μελέτης διαστάσεων 30 m x 30 m. Σε αυτά προσδιορίστηκε η ένταση καύσης πέντε διακριτών επιπέδων καθ’ ύψος της βλάστησης, περιλαμβάνοντας (α) το υπόστρωμα / έδαφος του δάσους, (β) πόη / χαμηλοί θάμνοι/δεντρύλια (>1m), (γ) υψηλοί θάμνοι/δέντρα (1 – 5 m), (δ) ενδιάμεσα δέντρα (υπό κομοστέγη), (ε) κομοστέγη των δέντρων. Για καθένα από τα παραπάνω επίπεδα, αποδώθηκε βαθμός έντασης καύσης μεταξύ 0.0 και 3.0 με βήμα βαθμονόμησης 0.5. Μετά την ολοκλήρωση της αξιολόγησης, ένας μέσος σύνθετος βαθμός έντασης καύσης προέκυψε για τον υπερόροφο της κόμης, των υποόροφο και το συνολικό οικόπεδο, αντίστοιχα. Η βαθμονόμηση ακολουθεί το παρακάτω σχήμα (ώστε να είναι συμβατή και με τα επίπεδα ταξινόμησης που εφαρμόζονται στα τηλεπισκοπικά δεδομένα), βαθμός 0.0 – 0.5 αντιστοιχεί σε καμία επίδραση, 0.5 – 1.0 σε μικρή, 1.0 – 1.5 σε μικρή – μέση, 1.5 – 2.0 σε μέση, 2.0 – 2.5 σε μέση – μεγάλη, 2.5 – 3.0 σε μεγάλη.
Τηλεπισκοπικά Δεδομένα
Δεδομένα Υψηλής Ανάλυσης WorldView – 2
O δορυφόρος WorldView – 2 παρέχει απεικονίσεις στο παγχρωματικό κανάλι, χωρικής διακριτικής ικανότητας 0.5 m και σε οκτώ πολυφασματικά κανάλια, χωρικής διακριτικής ικανότητας 2.0 m, μεταξύ των οποίων παράκτιο μπλέ, κίτρινο, κόκκινης ακμής και δύο κανάλια στο εγγύς υπέρυθρο για ευρεία ανάλυση βλάστησης και μελέτες βιομάζας. Παρέχει την δυνατότητα συμπλήρωσης των δεδομένων πεδίου, λόγω υψηλής ανάλυσης, και αξιολόγησης άλλων τηλεπισκοπικών δεδομένων, όπως του νέου Landsat – 8. Οι απεικονίσεις που χρησιμοποιήθηκαν στην μελέτη περίπτωσης λήφθηκαν στις 27 Μαΐου 2013 (πριν την πυρκαγιά) και στις 29 Ιουλίου 2013 (μετά την πυρκαγιά) με ελάχιστη νεφοκάλυψη.
Δεδομένα Μέσης Ανάλυσης Landsat – 8
Απεικονίσεις Landsat – 8 χωρίς παρουσιά νεφοκάλυψης αποκτήθηκαν ως διορθωμένα προϊόντα επιπέδου 1, για τις 04 Ιουνίου (πριν την πυρκαγία) και τις 24 Σεπτεμβρίου (μετά την πυρκαγιά) 2013. Οι ψηφιακοί αριθμοί μετατράπηκαν σε ανάκλαση στον δορυφορικό δέκτη για όλα τα κανάλια του ορατού, του εγγύς και του βραχέως υπέρυθρου. Ραδιομετρική διόρθωση εφαρμόσθηκε στα παραπάνω κανάλια για την κανονικοποίηση των τιμών της ανάκλασης μεταξύ των δύο ημερομηνιών, ως προεπεξεργασία για των εντοπισμό αλλαγών και την χαρτογράφηση της έντασης καύσης. Η ραδιομετρική διόρθωση συμβάλλει στην κανονικοποίηση των διαφορών στην ευαισθησία του αισθητήρα, την ηλιακή γωνία, την τοπογραφία και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταξύ των δύο ημερομηνιών. Παρόλα αυτά, η μεταβολη στην φαινολογία της βλάστησης μπορεί να μην διορθωθεί εξαιτίας της μη γραμμικής φύσης των σταδίων ανάπτυξης της βλάστησης. Σχετική ραδιομετρική διόρθωση εφαρμόσθηκε για την κανονικοποίησης της απεικόνισης μετά την πυρκαγιά στις συνθήκες της απεικόνισης πρίν την πυρκαγία, χρησιμοποιώντας «ψευδο – αμετάβλητα στοιχεία». Η προ της πυρκαγίας απεικόνιση τον Ιούνιο ληφθηκε πριν η χλόη αρχίσει να ανπτύσσεται, ενώ η απεικόνιση μετά την πυρκαγία τον Σεπτέμβριο λήφθηκε στην αιχμή της ανάπτυξης της χλόης. Έτσι, αποφύγαμε τις χορτολιβαδικές εκτάσεις και την καμμένη περιοχή κατά την διαδικασία της επιλογής των ψευδο – αμετάβλητων στοιχείων. Επιλέχθηκαν 2,213 pixel ψευδο – αμετάβλητων στοιχείων καθόλο το φάσμα των φωτεινών και σκοτεινών περιοχών της εικόνας. Μερικά φωτεινά στοιχεία αποτελούν οι βράχοι και το γυμνό έδαφος και μερικά σκοτεινά τα υδάτινα σώματα και τα πυκνά δάση κωνοφόρων, των οποίων οι φασματικές υπογραφές μεταβάλλονται λίγο στον χρόνο. Τιμές ανάκλασης λήφθηκαν από όλα τα κανάλια των απεικονίσεων πριν και μετά την πυρκαγιά, η απεικόνιση μετά την πυρκαγιά κανονικοποιήθηκε στις τιμές ανάκλασης της απεικόνισης πριν την πυρκαγιά και οι τετραγωνική ρίζα της συχέτισης κυμαίνονταν μεταξύ 0.91 και 0.95.
Φασματικοί Δείκτες Βλάστησης από τον Landsat 8
Δείκτες βλάστησης χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό των μεταβολών στην βλάστηση κατά την διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος. Εκτός, από τον δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς, χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση και άλλοι δείκτες που στόχο είχαν την μείωση της εδαφικής και ατμοσφαιρικής επίδρασης, όπως παρουσιάζονται σε σχετικό πίνακα, από τους οποίους ο πιο αποτελεσματικός αξιολογήθηκε ο SAVI. O Δείκτης NBR (normalized burn ratio) αξιοποιεί την αυξημένη ανακλαστικότητα στο βραχύ υπέρυθρο (SWIR) λόγω της μείωσης της σκίασης της κομμοστέγης και της υγρασίας και την μειωμένη ανακλαστικότητα στο εγγύς υπέρυθρο λόγω της απώλειας φυλλώματος στις καμμένες εκτάσεις. Οι αλλαγές μπορούν να ποσοτικοποιηθούν ως διαφορά της εφαρμογής του δείκτη πριν και μετά την πυρκαγιά. Επίσης, ο δείκτης νερού κανονικοποιημένης διαφοράς εισήχθηκε για να προσδιορίσει το περιεχόμενο νερό στην βλάστηση και μπορεί να ειναι χρήσιμο στο προσδιορισμό αλλαγών στην βλάστηση.
Προσδιορισμός κομοστέγης από τον WorldView – 2
Χαρτογράφηση κομοστέγης βάσει pixel
Για τον προσδιορισμό της απώλειας κομοστέγης παράχθηκαν δεδομένα του δείκτη NDVI από ενισχυμένη απεικόνιση pan – sharpened, και επιλέγεται κατώφλι τιμών της κομοστεγης. Αυτή η προσέγγιση υπερεκτίμησε την χωρική εξάπλωση της κομοστέγης συμπεριλαμβάνοντας γρασίδι και εδαφική βλάστηση. Για αυτόν τον λόγο παράχθηκε έγχρωμο σύνθετο που συμπεριλάμβανε τον δείκτη NDVI, το κόκκινο και το πράσινο κανάλι, στο οποιό πραγματοποιήθηκε οδηγούμενη ταξινόμηση. Οι επικαλύψεις των δύο θεματικών επιπέδων πληροφορίας επιλέχθηκαν ως περιοχή κομοστέγης.
Αντικειμενοστεφής χαρτογράφηση κομοστέγης
Δεδομένης της διαθεσιμότητας υψηλής ανάλυσης απεικόνισης WorldView – 2 πραγματοποιήθηκε αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση σε εικόνες πριν και μετά την πυρκαγιά. Η κατάτμηση πραγματοποιήθηκε σε κλίμακα κομοστέγης δέντρου και βασίστηκε περισσότερο σε αιχμές και διαφορές έναντι του φάσματος. Με σκοπό να υπάρχει συμβατότητα στην ανάλυση βάσει pixel και αντικειμένων ενσωματώθηκε η απεικόνιση NDVI στην ανάλυση. Επίσης, εφαρμόστηκε προσέγγιση fuzzy logic, ώστε να ληφθεί υπόψιν η χωρική σχέση μεταξύ του πυρήνα και των αιχμών της κομοστέγης, των οποίων η φασματική υπογραφή είναι διαφορετική των πρώτων. Δορυφορική ανίχνευση της απώλειας κομοστέγης και ανάλυση της δρυμύτητας της δασικής πυρκαγιάς Για να ποσοτικοποιηθεί η αλλαγή στην βλάστηση λόγω της πυρκαγίας στο Creek, το αποτέλεσμα της ταξινόμησης της κομοστέγης μετά την πυρκαγιά αφαιρέθηκε από το πρίν την πυρκαγιά για την προσέγγιση pixel και αντικειμένων. Επιδή παρατηρήθηκε λανθασμένη καταγραφή λόγω διαφορετικής απόκλισης από το ναδίρ εντοπίστηκαν με μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση οι σκιάσεις και οι μλανθασμένα αποδομένες περιοχές αφαιρέθηκαν. Έξι επίπεδα δριμύτητας καθορίστηκαν και κατώφλια διάκρισης για την ποσοστιαία απώλεια κάλυψης κομοστέγης (ανάλυση απεικόνισης WorldView – 2) και διαχρονικές διαφορές στους δείκτες βλάστησης (ανάλυση απεικόνισης Landsat), ώς εξής, απώλεια <2% αντιστοιχεί σε καμία επίδραση, 2% - 25% σε επίδραση μικρή, 25% - 40% σε μικρή – μέση, 40% - 55% σε μέση, 55% - 70% σε μέση – υψηλή, >70% σε υψηλή. Σημειώνεται ότι η ποσοστιάια απώλεια κομοστέγης προσδιορίσθηκε ως η διαφορά της ποσοσταίας κάλυψης κομοστέγης δηλαδή του λόγου των pixel που αντιστοιχούν σε κομοστέγη προς το σύνολο των pixel (χωρική διακριτική ικανότητα 0.5 m), σε κάναβο 30 m.
Στατιστική ανάλυση
Για τον προσδιορισμό της ακρίβεας ταξινόμησης δεντροκάλυψης από τα δεδομενα WorldView – 2, βρέθηκαν 270 τυχαία σημεία και ταυτοποιήθηκε σε αυτά η παρουσία ή απουσία κομοστέγης στην 0.5 m ανάλυσης ενισχυμένη πανχρωματική απεικόνιση του WorldView – 2. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των δεικτών βλάστησης που παρήχθησαν από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 8, συσχετίσθηκαν κατά Pearson, χωρικά στην βάση pixel, μεταξύ (α) των χρονικών διαφορών των δεικτών των απεικονίσεων Landsat και της απώλειας κομοστέγης προερχόμενης από τις απεικονίσεις WorldView – 2 σε μια συνεχόμενη κλίμακα, (β) των εντάσεων καύσης βλάστησης έξι διακριτών επιπέδων, προερχόμενων από τις προαναφερόμενες διαφορές των δεικτών Landsat – 8 και των χαρτών απώλειας κομοστέγης του WorldView – 2. Τα παράγωγα της ανάλυσης απώλειας κομοστέγης και έντασης καύσης βλάστησης βάσει pixel και βάσει αντικειμένων συγκρίθηκαν διακριτά με τις διαφορές των δεικτών Landsat – 8, δίνοντας τέσσερα πακέτα αποτελεσμάτων. Επιπλέον, καταγράφεται οι συντελεστές συσχέτισης Pearson μεταξύ των αποτελεσμάτων έντασης καύσης βλάστησης από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 8 και WorldView – 2 και των αποτελεσμάτων του πεδίου.
Αποτελέσματα
Χαρτογράφηση Κομοστέγης από τις Απεικονίσεις WorldView – 2
Η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση και η ταξινόμηση βάσει pixel παρήγαγε παρόμοια αποτελέσματα. Για την απεικόνιση πριν την πυρκαγία, η ταξινόμηση βάσει pixel που βασίζεται στην φασματική πληροφορία, έδωσε ακρίβεια 99% στην χαρτογράφηση της κομοστέγης, κατά την ταυτοποίηση των 270 σημείων της αρχικής εικόνας, ενώ η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση που βασίζεται στην πληροφορία της υφής, έδωσε ακρίβεια 97% . Για την απεικόνιση μετά την πυρκαγία, η ταξινόμηση έδωσε ακρίβεια 93% και 90% για την ταξινόμηση βάσει pixel και αντικειμένων, αντίστοιχα. Η ανάπτυξη του υποστρώματος της βλάστησης λόγω της υγρασίας την περίοδο των μουσώνων που μεσολάβησε των δύο απεικονίσεων πρόσθεσε έναν παράγοντα σύγχυσης κατά την χρήση της φασματικής πληροφορίας. Επιπλέον, η παρουσία της καμμένης βλάστησης στην κομοστέγη περιόρισε το πλεονέκτημα χρήσης της πληροφορίας υφής για τον προσδιορισμό της υγιούς κομοστέγης, μειώνοντας την ακρίβεια της ταξινόμησης.
Χαρτογράφηση Έντασης Καύσης Βλάστησης από τις Απεικονίσεις Landsat – 8
Ανάλυση Συσχέτισης Τηλεπισκοπικών Παραγώγων βάσει Pixel
Μεταξύ των δεικτών που παράχθηκαν από τα δεδομένα Landsat, η διαφορά του NDVI (dNDVI) φαίνεται να έχει την μεγαλύτερη συσχέτιση με την υψηλής ανάλυσης χαρτογράφηση της απώλειας κομοστέγης απο το WorldView – 2. Οι απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης μεταξύ των διαφορών των δεικτών Landsat και των χαρτογραφήσεων WorldView – 2 ήταν όλες μεγαλύτερες του 0.85, για την χαρτογράφηση της συνεχόμενης απώλειας κομοστέγης, και του 0.89, για την χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης. Οι χαρτογραφήσεις απώλειας βλάστησης από την προσέγγιση pixel και αντικειμένων δείχνουν παρόμοια συσχέτιση με τους δείκτες Landsat, με τα παράγωγα της δεύτερης (αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης) να έχουν ίσους ή μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης από ότι της πρώτης.
Ανάλυση Συσχέτισης Τηλεπισκοπικών Παραγώγων με Παράγωγα Έρευνας Πεδίου βάσει Οικοπέδου
Η αξιολόγηση της έντασης καύσης για τα 33 οικόπεδα επιτόπιας έρευνας συγκρίθηκε με τις διαφορές των δεικτών από τον Landsat – 8 και τις χαρτογραφήσεις της απώλειας κομοστέγης από τον WorldView – 2. Παρόμοια με την ανάλυση βάσει pixel, η διαφορά dNDVI είχε την μεγαλύτερη συσχέτιση μεταξύ των άλλων δεικτών για όλα τα οικόπεδα. Καλύτερη συσχέτιση επιτυγχάνεται μεταξύ της εντασης βλάστησης του υπερ-ορόφου και των τηλεπισκοπικών παραγώγων, με τον δείκτη dNDVI να έχει την καλύτερη συσχέτιση (0.80). Για τον υπο – όροφο, την καλύτερη απόδοση έχει ο δείκτης dOSAVI (0.59). Αναφορικά με τα τηλεπισκοπικά παράγωγα Worldview – 2, η χαρτογράφηση απώλειας κομοστέγης βάσει αντικειμένων έχει καλύτερη συσχέτιση από αυτήν βάσει Pixel. Συγκεκριμένα, η χαρτογράφηση βάσει αντικειμένων εμφανίζει συντελεστή συσχέτισης 0.77 στην περίπτωση του υπερ – ορόφου της κόμης, αποδεικνύοντας ότι ο η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης βάσει της απώλειας κομοστέγης ήταν πολύ αποτελεσματική για τον εντοπισμό της έντασης καύσης του υπερστρώματος. Στο σύνολο οι συντελεστές συσχέτισης των των παραγώγων Landsat – 8 και WorldView – 2 είναι συγκρίσιμοι για τον υπερ – όροφο όμως οι δείκτες Landsat έδωσαν μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης για τον υπο – όροφο, επομένως και για το συνολικό οικόπεδο. Επομένως, η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης βάσει της απώλειας βλάστησης από τον WorldView – 2 στοχεύει στην χαρτογράφηση της μεταβολής της βλάστησης, όμως δεν είναι τόσο αποτελεσματική στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης του εδάφους. Η πολύ υψηλής ακρίβειας χαρτογράφηση της έντασης καύσης βάσει του WorldView – 2 εντόπισε μεγαλύτερη καμμένη έκταση σε σύγκριση με την την αντίστοιχη χαρτογράφηση βάσει Landsat – 8, ειδικά στις περιοχές χαμηλής επίδρασης, όπου η χαμηλή πυκνότητα της κομοστέγης και τα μικρότερα δέντρα εντοπίζονται με αξιοπιστία μόνο στις υψηλής ανάλυσης απεικονίσεις WorldView – 2. Οι καμμένες έκτασεις βάσει Landsat – 8 και WorldView – 2 για τις άλλες κατηγορίες έντασης καύσης βλάστησης είναι πολύ παρόμοιες. Με εξαίρεση κάποιον μεμωνομένο θόρυβο που εμφανίζεται στην χαρτογράφηση έντασης καύσης βλάστησης βάσει αντικειμένων, οι καμμένες εκτάσεις ήταν προσεγγιστικά ίδιες για την ανάλυση βάσει pixel και αντικειμένων των δεδομένων WorldView – 2.
Συζήτηση
Χαρτογράφηση Κομοστέγης με WorldView -2 : Προσεγγίσεις βάσει Pixel και βάσει Αντικειμένων
Ο εντοπισμός στοιχείων με αντικειμενοστρεφή προσέγγιση, χρησιμοποιώντας δεδομένα υψηλής ανάλυσης, έχει βρεθεί πολύτιμος στην ταξινόμηση της βλάστησης, όπου η σκίαση ή άλλοι παράγοντες σύγχυσης μπορούν να περιορίσουν την ακρίβεια. Στην συγκεκριμένη ανάλυση έντασης καύσης βλάστησης, η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση εκμεταλλεύτηκε την πληροφορία της υφής για να διακρίνει την βλαστηση της κομοστέγης απο την μη στην απεικόνιση πριν την πυρκαγιά, όμως η πληροφορία της υφής δεν ήταν χρήσιμη στην ταξινόμηση μετά την πυρκαγία, εξαιτίας της σύγχυσης από την καμμένη κόμη σε ζωντανά και καμμένα δέντρα. Παρόλα αυτά, η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση απέδωσε υψηλότερους συντελεστές συσχέτισης με τα παράγωγα ανάλυσης της έντασης καύσης των απεικονίσεων Landsat – 8 και τις εκτιμήσεις του σύνθετου δείκτη καύσης στο πεδίο, παρότι η προσέγγιση βάσει pixel έδωσε υψηλότερη ακρίβεια ταξινόμησης στο σύνολο. Φαίνεται να υπάρχει περισσότερος «θόρυβος» που εμφανίζεται ως μεμονωμένα pixel στις κατηγορίες χαμηλής έντασης καύσης που οδήγησε σε χαμηλότερης ακρίβειας ταξινόμηση. Έτσι, η τεχνική βάσει pixel παρέχει μια πιο ακριβής χαρτογράφηση της χωρικής εξάπλωσης των καμμένων δέντρων, ενώ η αντικειμενοστρεφής τεχνική έχει πλεονέκτημα στην εκτίμηση της έντασης καύσης. Στο σύνολο, τόσο η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση όσο και η βάσει pixel μπόρεσαν να ταξινομήσουν τις κομοστέγες των δέντρων εκμεταλλευόμενες την υψηλή ανάλυση των δεδομένων WorldView – 2 και πέτυχαν ακρίβεια μεγαλύτερη του 90%. Αυτη η μέθοδος βάσει της απώλειας κάλυψης κομστέγης είναι ιδαίτερα αποτελεσματική στην χαρτογράφηση υψηλών κατηγοριών έντασης καύσης βλάστησης, και ευνοεί σε μεγάλο βαθμό τον εντοπισμό της έντασης καύσης του υπερ – ορόφου της κόμης, εξαιτίας της εγγενής μεθόδου χαρτογράφησης της κομοστέγης αντί για την χαρτογράφηση πολλών ορόφων στο προφίλ των δέντρων, σε αντίθεση με την ενεργητικές μεθόδους χαρτογράφησης (π.χ. Lidar). Η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βάσει της απώλειας κάλυψης κομοστέγης σε συνδυασμό με μετρήσεις πεδίου μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα χρήσης τηλεπισκοπικών δεδομένων για την αξιολόγηση της έντασης καύσης, ειδικά για τις βραχείς περιόδους όπως εξετάζονται σε αυτήν τγην μελέτη.
Δείκτες πρερχόμενοι από τον Landsat – 8 για την Χαρτογράφηση της Έντασης Καύσης Βλάστησης
Βρέθηκε ότι όλοι οι δείκτες προερχόμενοι από τον Landsat – 8 ήταν αποτελεσματικοί στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης. Επίσης, βρέθηκε ότι ο NDVI ήταν πιο ευαίσθητος από τον NBR σε αυτήν την μελέτη περίπτωσης, σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες με δεδομένα απο τους δέκτες Landsat TM+ και ΕΤΜ+. Αυτό μπορεί να οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες (α) ο NDVI είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στην χαρτογράφηση βιομάζας βλάστησης και για αυτό έχει πλεονέκτημα έναντι του NBR, (β) τον βελτιωμένο λόγο σήματος – θορύβου και την αυξημένη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα του δέκτη (Landsat – 8) έναντι των προγενέστερων (TM+ και ΕΤΜ+), (γ) μικρές αλλαγές στο εύρος του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου στον νέο δέκτη, που μπορεί να αύξησε την ευαισθησία του NDVI στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης και (δ) μικρές αλλαγές στην ανάκλαση στο εγγύς υπέρυθρο μπορεί να οδηγήσουν σε χαμηλότερη ευαισθησία του NBR από τον NDVI από σε ένα ημιάνυδρο περιβάλλον σε σχέση με ένα υγρό. Επιπλεόν, η απόδοση του NDVI ήταν μεγαλύτερη από άλλους διορθωμένους δείκτες βλάστησης, περισσότερο εξαιτίας του υπολογισμού της χρονικής μεταβολής που απαλλείφει την επίδραση του εδάφους. Βασει των γνώσεων της έρευνας, δεν έχει υπάρξει προγενέστερη αυτής που να εξετάζει την αποτελεσματικότητα δεικτών προερχόμενων από απεικονίσεις Landsat – 8 για την χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης και την σύγκριση με αντίστοιχη χαρτογράφηση από δεδομένα υψηλής ανάλυσης WorldView – 2. H έρευνα είχε την τύχη να έχει απεικονίσεις χωρίς νεφοκάλυψη, για ημερομηνίες πριν και μετά την πυρκαγία. Όμως, προφανώς, υπάρχει ανάγκη περισσότερων ερευνών με την χρήση δεικτών από απεικονίσεις Landsat – 8 για την χαρτογράφηση τόσο της έντασης καύσης βλάστησης όσο και του εδάφους, σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές για να προκύψει μια συγκριτυική εικόνα της απόδοσης των δεικτών NDVI και NBR, και άλλων δεικτών στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης.
Μακροχρόνια Παρακολούθηση μετά την Πυρκαγία για την Αναγέννηση της Βλάστησης
Πέραν της αξιολόγησης των άμεσων επιδράσεων στην βλάστηση, οι μακροχρόνιες επιδράσεις της πυρκαγιάς πρέπει να παρακολουθηθούν και να αξιολογηθούν. Ο βαθμός της αποκατάστασης μετά την πυρκαγιά προσδιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την δριμύτητα της καύσης. Για παράδειγμα, μετά απο μια δριμύα πυρκαγιά στην βόρεια Αριζόνα, μια περιοχή που ήταν πρότερα πευκοδάσος παρέμεινε χορτολιβαδική για μια δεκαετία. Στο μεταξύ, άκαυστες ή λίγο καμμένες εκτάσεις μπορούν να λειτουργήσουν ως πηγή σπόρων για πιο έντονα καμμένες περιοχές. Η θερμοκρασία και η βροχόπτωση όχι μόνο επιρεάζουν την εκδήλωση πυρκαγιάς, αλλά και το μοτίβο της αναγέννησης, κι έτσι υγρά χρόνια μετά την πυρκαγιά θα διευκολύνουν την αναγέννηση ενώ τα ξηρά θα την δυσχεραίνουν, κάτι ιδαίτερα σημαντικό δεδομένης της κλιματικής προεκβολής. Η αναγέννηση μπορεί να μελετηθεί σε βάθος χρόνου με την χρήση ετήσιων δεδομένων τηλεπισκόπησης, όπως δεδομένων Landsat – 8 και WorldView – 2 από το καλοκαίρι του 2014. Η συνεχόμενη παρακολούθηση της αναγέννησης της βλάστησης θα συμβάλλει στην κατανόηση των επιτυχημένων διαδικασιών, ειδικά στον ρόλο της βιομάζας και της συσσώρευσης άνθρακα μετά από μια διαταραχή.
Εφαρμογές στην διαχείριση
Η έντονη μείωση των δασικών πυρκαγιών και συχνοτήτων κατά την διάρκεια του τελευταίου αιώνα από την εγκατάσταση των Apache και την διαχείριση της γης έχει οδηγήσει σε μεταβολές στην δομή του δάσους και του οργανικού φορτίου και για αυτό πιθανώς αύξησε την πιθανότητα εμφάνισης δρυμύτερων δασικών πυρκαγιών. Στο μεταξύ, η υλοτομία και οι επακόλουθες καύσεις αντισταθμίζουν τις αρνητικές επιδράσεις της πυρόσβεσης στις εμπορικές ζώνες του πευκοδάσους, μειώνοντας τις πυκνότητες και τα οργανικά φορτία. Στον αντίποδα, η έλλειψη πόρων για την διαχείριση της γης έχει αυξήσει την ευαισθησία των μη – διαχειριζόμενων περιοχών, οδηγώντας σε μεγαλύτερη ετερογένεια και μέσα στην καμμένη έκταση και πιθανότητα εκδήλωσης καταστροφικών πυρκαγιών. Σε αυτήν την περίπτωση, παρότι παρότι η εκδηλούμενη πυρκαγιά αντιμετωπίστηκε με διαφορετικούς σκοπούς (κατάσβεση σε κάποιες περιοχές και πλεονεκτήματα πόρων σε άλλες), η πυρκαγιά έκαιγε έντονα σε περιοχές που είχαν πρόσφατα υλοτομηθεί, οδηγώντας σε απώλεια παραγώμενης ξυλείας. Οι αρνητικές επιδράσεις της πυρκαγιάς μπορούν να μειωθούν με μηχανική αραίωση του δάσους πριν την καύση για την μείωση της πυκνότητας της βλάστησης και την διακοπή της συνέχειας της καύσιμης ύλης. Επιπλέον, καλύτερη χαρτογράφηση πριν την πυρκαγιά και διερεύνηση των οργανικών φορτίων, της βάσης, της κάλυψης και του ύψους της κομοστέγης, θα βοηθήσει τους διαχειριστές των πυρκαγιών να ετοιμάσουν προτάσεις που μειώνουν την ένταση καύσης, ειδικά εκτός των περιοχών εμπορευματικής χρήσης όπου τα δεδομένα είναι πολύ περιορισμένα.
Συμπεράσματα
Η χρονική μεταβολή δεικτών από απεικονίσεις Landsat – 8 χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της έντασης καύσης βλάστησης σε πάνω από 82% της καμμένης έκτασης από την δασική πυρκαγιά Creek που έλαβε χώρα σε προμελετώμενη περιοχή στο Καταφύγιο Apache του San Carlos το 2013. Από την σύγκριση με την χαρτογράφηση απώλειας κομοστέγης από τις απεικονίσεις υψηλής ανάλυσης WorldView – 2, η ένταση καύσης υπολογιζόμενη από την μεταβολή dNDVI έχει την υψηλότερη βαθμολογία επίδοσης, καθώς και τον υψηλότερο συντελεστή συσχέτισης με τα δεδομένα πεδίου, και έτσι μελλοντικά μπορεί να συμπεριληφθεί στο εθνικό πρόγραμμα χαρτογράφησης της δριμύτηταςτων πυρκαγιών σε συνδυασμό με την χρήση του βασισμένου στο βραχύ υπέρυθρο δείκτη NBR. Οι χάρτες κομοστέγης από τα δεδομένα WorldView – 2, τόσο με την αντικειμενοστρεφής προσέγγιση όσο και με την προσέγγιση βάσει pixel απέδωσαν ακρίβεια >90% στον εντοπισμό της κομοστέγης των δέντρων, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στην ανάλυση της έντασης καύσης της βλάστησης, ειδικά στην αξιολόγηση της έντασης καύσης στον υπέρ – όροφο της κόμης. Εκτός από την χαρτογράφηση της έντασης της πυρκαγιάς, η παρακουλούθηση της αναγέννησης του δάσους θα διαφωτίσει αναφορικά με τις πρακτικές ορθής διαχείρισης που πρέπει να ακολουθηθούν. Οι δύο διακριτές προσεγγίσεις που ακολουθήθηκαν σε αυτήν την μελέτη, της υψηλής ανάλυσης χαρτογράφησης απώλειας κομοστέγης από δεδομένα WorldView – 2 και των διαφορών των φασματικών δεικτών από τα δεδομένα Landsat – 8 έδωσαν υψηλό βαθμό συμφωνίας (συντελεστές συσχέτισης >= 85%). Έτσι, ο δορυφορικός δέκτης Landsat – 8 αποδεικνύεται αποτελεσματικός στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης, με χρήση απλών δεικτών βλάστησης όπως ο NDVI σε εκτενής περιοχές, και τα υψηλής ναάλυσης δεδομένα του WorldView -2 μπορούν να παράξουν λεπτομερής χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης από την ποσοστιαία απώλεια της κομοστέγης, και αυτές οι τεχνικές μπορούν έχουν ευρεία εφαρμογή, και δεδομένης της προεκβαλλόμενης αύξησης των δασικών πυρκαγιών. Δεδομένης της μέσης με υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας και της συχνής χρονικής περιόδου επαναφοράς, ο συνδυασμός των δεκτών Landsat -8 και WorldView – 2 έχει υψηλές προοπτικές στην αναγνώριση εκδήλωσης πυρκαγιών, την χαρτογράφηση της δριμύτητας τους και την παρακολούθηση της αναγέννησης των δασών σε περιφερειακή και εθνική κλίμακα.
