Χαρτογράφηση καμένων περιοχών με τη χρήση διαχρονικών δεδομένων Landsat.
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση καμένων περιοχών με τη χρήση διαχρονικών δεδομένων Landsat
Πρωτότυπος τίτλος: Mapping burned areas using dense time-series of Landsat data
Συγγραφείς: Todd J. Hawbaker, Melanie K. Vanderhoof, Yen-JuBeal, Joshua D. Takacs, Gail L. Schmidt, Jeff T. Falgout, Brad Williams, Nicole M. Fairaux, Megan K. Caldwell, Joshua J. Picotte, Stephen M. Howard, Susan Stitt, John L. Dwyer
Πηγή: Remote Sensing of Environment 198, June 2017, 504–522
Λέξεις κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, Landsat, Καμένες εκτάσεις
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]
ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΜΕΛΕΤΗΣ
Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η διαχρονική παρακολούθηση δορυφορικών εικόνων για τον εντοπισμό των πυρκαγιών, την τεκμηρίωση των μορφών της πυρκαγιάς, την ποσοτικοποίηση των σχέσεων μεταξύ των προτύπων και των οδηγών εμφάνισης και την εκτίμηση των επιπτώσεων των πυρκαγιών στα ανθρώπινα και φυσικά συστήματα. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι η Τηλεπισκόπηση είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την έγκυρη καταγραφή αυτών των φαινομένων στο πέρασμα του χρόνου και τη δημιουργία χαρτών, οι οποίοι αποτελούν απαραίτητο στοιχείο για τη σωστή διαχείριση, προγραμματισμό και προστασία των διαφόρων περιοχών.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΚΟΠΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ
Η Τηλεπισκόπηση είναι ένα εργαλείο που έχει χρησιμοποιηθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια για την παρακολούθηση φυσικών και τεχνιτών διαδικασιών. Μια από αυτές τις διαδικασίες είναι και οι πυρκαγιές. Οι πυρκαγιές αποτελούν τον κύριο στόχο της παρούσας έρευνας και συγκεκριμένα η ανάπτυξη ενός νέου αλγόριθμου για τον εντοπισμό καμένων περιοχών σε δορυφορικές εικόνες. Ο δεύτερος στόχος είναι να παράγει ένα δημοσίως διαθέσιμο κατάλογο πυρκαγιών με βάση το Landsat από το 1984 έως το 2015 προκειμένου να παρέχει καινοφανείς πληροφορίες σχετικά με τα πρότυπα πυρκαγιάς στις Ηνωμένες Πολιτείες.
ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΙ ΔΕΔΟΜΕΝΑ
Ως περιοχή μελέτης επιλέχθηκαν οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής λόγω του γεγονότος ότι υπήρχαν πολλά δεδομένα για τις πυρκαγιές σε αυτή την περιοχή όσο και δορυφορικά δεδομένα.
Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων προήρθαν από τον δορυφόρο Landsat World-Reference System 2. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των αποτελεσμάτων προήρθαν από τις εξής δορυφόρους:
(α) Landsat 4 Thematic Mapper (TM), Έτη: 1982-1993
(β) Landsat 5 TM, Έτη: 1984-2013
(γ) Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +), τόσο με τον Corrector Line Scan (SLC) όσο και με τοω SLC off, Έτη: 2003-2015
Όλες οι δορυφορικές εικόνες επιλέχθηκαν από τον ιστοσελίδα της Αμερικάνικης Γεωλογικές Υπηρεσίας με (α) γεωμετρικές διορθώσεις, (β) κάλυψη σύννεφων μικρότερη ή ίση με 80%, και (3) γεωμετρικό μέσο σφάλμα ≤ 10m.
Η κύρια πηγή των παρατηρημένων καμένων περιοχών που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των αλγορίθμων ήταν τα δεδομένα MTBS. Αυτά τα δεδομένα περιλάμβαναν τις μεγάλες πυρκαγιές ≥2 km2 στις ανατολικές ΗΠΑ και ≥4 km2 στην δυτική Αμερική.
ΜΕΘΟΔΟΙ
Το αρχικό στάδιο της συγκεκριμένης έρευνας ήταν η χαρτογράφηση όλων των πυρκαγιών πάνω στις δορυφορικές εικόνες. Στη συνέχεια, επιλέχθηκαν οι παράμετροι υπολογισμού του αλγόριθμου BAECV και τα σημεία εκπαίδευσης και δοκιμών. Τα σημεία δοκιμών χωρίστηκαν σε ομάδες ανάλογα με τις χρονολογίες τους και περιελάμβαναν τις χρονολογίες 1988, 1993, 1998, 2003, 2008 και 2013. Οι υπόλοιπες 24 χρονολογίες χρησιμοποιήθηκαν για την επιλογή δεδομένων εκπαίδευσης. Το επόμενο βήμα ήταν η χαρτογράφηση της πιθανότητας για πυρκαγιά στην περιοχή μελέτης, που αποτελεί το πρώτο βήμα του αλγόριθμου BAECV. Ακολούθησε η ταξινόμηση των δορυφορικών εικόνων σε περιοχές με και χωρίς πυρκαγιές. Τελευταία διαδικασία ήταν η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Από την οπτική σύγκριση των αποτελεσμάτων του αλγόριθμου για την πιθανότητα του καψίματος και των ταξινομημένων εικόνων με τις αρχικές εικόνες των δορυφόρων προέκυψε ότι το πλήθος των αποτελεσμάτων είναι σωστά με μικρές αποκλίσεις. (Εικόνα 2)
Αναλυτικότερα, από το παράδειγμα που εμφανίζεται στην εικόνα 3 είναι εμφανές ότι πολλές καμένες περιοχές εμφανίζονται και εξαφανίζονται καθώς η βιομάζα καταναλώνεται από τις πυρκαγιές και στη συνέχεια ανακάμπτει με την πάροδο του χρόνου. Ακόμα, παρατηρείται ότι ορισμένες περιοχές οριοθετήθηκαν σαφέστερα στις εικόνες με την πιθανότητα πυρκαγιάς σε σχέση με άλλες. (Εικόνα 3)
ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΧΩΡΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΚΑΜΕΝΗΣ ΓΗΣ
Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των παραπάνω διαδικασιών πραγματοποιήθηκε ανάμεσα σε BAECV, GFED και MTBS και συγκεκριμένα σε πρώτη φάση σε όλες τις Ηνωμένες πολιτείες της Αμερικής και σε δεύτερη φάση σε τρείς περιοχές (Δύση, Ανατολή και μεγάλες πεδιάδες). Μεταξύ του 1997 και του 2015, ο αλγόριθμος BAECV χαρτογράφησε κατά 36% περισσότερο καμένη περιοχή από τον GFED. Το ποσοστό της καμένης περιοχής του BAECV για τη δύση (40% του συνολικού συνόλου) ήταν σχεδόν ίδιο με της ανατολής (37%) και κάπως χαμηλότερό για τις μεγάλες πεδιάδες (23%). Αντίθετα, η καμένη περιοχή του GFED ήταν κατά κύριο λόγο στη δύση (41%), ακολουθούμενη από τις μεγάλες πεδιάδες (32%), και στη συνέχεια από την ανατολή (27%). Οι διαφορές μεταξύ της έκτασης BAECV και GFED ήταν μεγαλύτερες στην ανατολή (ο BAECV χαρτογράφησε κατά 88% περισσότερο από GFED) και τη δύση (ο BAECV χαρτογράφησε 32% περισσότερο), και παρόμοια στις μεγάλες πεδιάδες (ο BAECV χαρτογράφησε 4% λιγότερο). Σε σύγκριση με τα δεδομένα MTBS για τις χρονολογίες 1984 έως 2013, ο BAECV χαρτογράφησε 116% περισσότερη καμένη επιφάνεια. Στα δεδομένα MTBS, το μεγαλύτερο ποσοστό της καμένης περιοχής ήταν στη δύση (65%), σε σύγκριση με τις μεγάλες πεδιάδες (19%) και την ανατολή (16%). Η πλειοψηφία των καμένων περιοχών για τον BAECV βρισκόταν στις τάξεις βοσκοτόπων/ποωδών (26%), θάμνων (25%) και δασικών εκτάσεων (25%). Μικρότερες ποσότητες καμένων περιοχών εντοπίστηκαν στη γεωργία (10%), στους βοσκότοπους (7%) και στις υπαίθριες εκτάσεις (6%). Τα ποσοστά αυτά ήταν διαφορετικά για τα δεδομένα MTBS, τα οποία είχαν μεγαλύτερο ποσοστό καμένων εκτάσεων σε θάμνους (39%) και δάση (31%) και μικρότερο ποσοστό σε ποώδη (21%), γεωργία (1% και βοσκοτόπους (1%), αλλά παρόμοια έκταση υγροτόπων (7%). Στη Δύση, η καμένη περιοχή διασκορπίστηκε σε δάση, θάμνους και σε κάποιο βαθμό σε βοσκοτόπους, ενώ οι καμένες περιοχές της δεύτερης κατηγορίας ήταν κατά κύριο λόγο στις τάξεις βοσκοτόπων και αγροτικών εκτάσεων ενώ στην ανατολή ήταν στις δασικές και υγροτοπικές τάξεις.
ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΧΡΟΝΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΚΑΜΕΝΗΣ ΓΗΣ
Η σύγκριση των χρονικών μεταβολών των πυρκαγιών στην περιοχή μελέτης έγινε μεταξύ των χρονολογιών: (α)1984-1993, (β) 1994-2003 και (γ) 2004-2013. Κατά την περίοδο 1984-1993, μεγάλες πυρκαγιές συγκεντρώθηκαν στις βορειοδυτικές ΗΠΑ και πολλές μικρότερες πυρκαγιές ήταν ορατές σε άλλα μέρη της χώρας. Κατά την περίοδο 1994-2003, σημειώθηκε αύξηση της συνολικής έκτασης που καίγεται, ιδίως στη Δύση. Η τάση αυτή συνεχίστηκε και τη χρονική περίοδο 2004-2013, με πολλές μεγάλες πυρκαγιές να σημειώνονται στις μεγάλες πεδιάδες. Και στις τρεις χρονικές περιόδους, το ανατολικό Κάνσας και οι νοτιοανατολικές ΗΠΑ είχαν σταθερά μεγάλη έκταση πυρκαγιάς. Εξετάζοντας τις τάσεις στην καμένη περιοχή σε δεκαετή χρονικά διαστήματα χρησιμοποιώντας τα προϊόντα BAECV, διαπιστώθηκε ότι η καμένη έκταση αυξήθηκε κατά 65% στο διάστημα 1994-2003 και στη συνέχεια αυξήθηκε εκ νέου κατά 37% κατά την περίοδο 2004-2013. Μεταξύ 1984-1993 και 1994-2003, τα ποσοστά αύξησης της καμένης περιοχής ήταν τα μεγαλύτερα στη δύση (84%) και στις μεγάλες πεδιάδες (70%) ακολουθούμενη από την ανατολή (33%). Ωστόσο, μεταξύ 1994-2003 και 2004-2013 οι ρυθμοί μεταβολής ήταν μεγαλύτεροι στην ανατολή (46%), ακολουθούμενοι από τις μεγάλες πεδιάδες (44%) και στη συνέχεια τη δύση (27%).
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Η μελέτη αυτή εξέτασε τη σημασία ενσωμάτωσης της Τηλεπισκόπησης στη διαδικασία εντοπισμού των καμένων περιοχών και της έκτασης εκδήλωσης της φωτιάς δεδομένου ότι παράγεται μια πληθώρα αποτελεσμάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω από δημόσιους οργανισμούς. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση των παρελθόντων προτύπων πυρκαγιάς, των αιτιών που τις δημιούργησαν και των επιπτώσεων που έχουν στα φυσικά και ανθρώπινα συστήματα.
