Χρήση πολλαπλών φασματικών δεικτών για την εκτίμηση του μεγέθους των επιπτώσεων μίας πυρκαγιάς στην περιοχή Black Hills της νότιας Dakota

Από RemoteSensing Wiki

Χρήση πολλαπλών φασματικών δεικτών για την εκτίμηση του μεγέθους των επιπτώσεων μίας πυρκαγιάς στην περιοχή Black Hills της νότιας Dakota. “Use of multiple spectral indices to estimate burn severity in the Black Hills of South Dakota.” Chen X., Zhu Z., Ohlen D., Huang C., Shi H., Pecora – The Future of Land Imaging...Going Operational November 18-20, 2008.
[6]

Εισαγωγή

Λόγω της υψηλής χωρικής και χρονικής διακύμανσης και την αβεβαιότητα των δασικών πυρκαγιών, εξακολουθεί να είναι μία πρόκληση η ακριβής εκτίμηση της πληγείσας περιοχής καθώς και το ακριβές μέγεθος των επιπτώσεων μετά από μία μεγάλη πυρκαγιά. Τηλεπισκοπικές τεχνικές παρέχουν ένα βελτιωμένο τρόπο για την ανίχνευση της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας με χαμηλότερο κόστος και λιγότερο χρόνο από τις παραδοσιακές μεθόδους απογραφής των επιπτώσεων μίας πυρκαγιάς. Ο στόχος της παρούσας μελέτης είναι η ανάλυση των συσχετισμών μεταξύ των τηλεπισκοπικών φασματικών δεκτών και των εδαφικών δεδομένων της “σοβαρότητας” των επιπτώσεων μίας δασικής πυρκαγιάς που εξελίχτηκε στον Εθνικό Δρυμό Black Hills της νότιας Dakota κατά τη διάρκεια του Αυγούστου και του Σεπτεμβρίου του 2000. Η υπομελέτη φασματικών δεικτών περιλαμβάνει τον παραδοσιακό κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVi) και αυτών των νέων σχετικά δεικτών: τον ενισχυμένο δείκτη βλάστησης (EVI), τον κανονικοποιημένο δείκτη καταστροφής από φωτιά (NBR), καθώς και τον ενοποιημένο δασικό δείκτη (IFI).

Περιοχή μελέτης και δεδομένα

Η περιοχή μελέτης ήταν ο Εθνικός Δρυμός στην περιοχή Black Hills στη Νότια Dakota (-103,85οW, 44,82oN, με υψόμετρο 1900μ.) (εικόνα 1). Η φωτιά “Jasper” όπως ονομάστηκε, ήταν η μεγαλύτερη πυρκαγιά που συνέβη στην περιοχή σε τουλάχιστον ένα αιώνα. Η πυρκαγιά ξεκίνησε στις 24 Αυγούστου του 2000 και ο έλεγχος τηης επιτεύχθηκε στις 25 Σεπτεμβρίου. Η καμένη έκταση ήταν περίπου 337,9 km2 (83.508 στρέμματα) και τα έξοδα καταστολής ήταν πάνω από 8,2 εκατομμύρια δολάρια. Εβδομήνταμία γραφικές παραστάσεις-ιστογράμματα με βάση τα δεδομένα από την εφαρμογή του σύνθετου δείκτη φωτιάς (CBI), συλλέχθηκαν 21 μήνες μετά τον περιορισμό της φωτιάς από τις 13 Μαίου εώς τις 26 Μαίου του 2002, στην περιοχή μελέτης Blck Hills. Αυτές οι επίγειες μετρήσεις CBI χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση και την επικύρωση των πραγματικών επιπτώσεων της φωτιάς στο έδαφος της περιοχής μελέτης. Λεπτομερείς παρατηρήσιμες πληροφορίες και εδαφικά δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων των οργανικών υλικών που καταναλώνονται, τα χαρακτηριστικά του εναπομείνοντος οργανικού άνθρακα και της τέφρας, καθώς και τις δυνατότητες της βλαστικής θνησιμότητας και αναγέννησης, καταγράφηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την ανεξάρτητη αξιολόγηση του μεγέθους και της σοβαρότητας των επιπτώσεων της πυρκαγιάς. Η CBI τιμή κυμαίνεται μεταξύ 0 και 3 και η αξία της είναι ανάλογη με το βαθμό σοβαρότητας της φωτιάς. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη περιλαμβάνουν 2 Landsat5 απεικονίσεις που αποκτήθηκαν στις 2 Ιουνίου του 2000 (πριν τη φωτιά), και μια Landsat7 εικόνα που αποκτήθηκε στις 31 Μαίου του 2002 (21 μήνες μετά τη φωτιά).

Εικόνα 1: Περιοχή μελέτης της φωτιάς Jasper στο Black Hills National Forest της South Dakota.[1]πηγή

Μέθοδοι

Πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των δεδομένων και των 3 Landsat εικόνων με σκοπό τη διόρθωση και την αποκατάσταση τους από γεωμετρικές παραμορφώσεις, την εξάλειψη τυχόν θορύβου και τη ραδιομετρική ρύθμιση τους. Οι 4 φασματικές δείκτες υπολογίστηκαν με τη χρησιμοποίηση των παρακάτω εξισώσεων για κάθε μία απεικόνιση. Ο φασματικός δείκτης NDVI υπολογίζεται με τη χρησιμοποίηση της ανάκλασης στο κόκκινο και στο εγγύς υπέρυθρο των καναλιών 3 και 4 του δορυφόρου Landsat αντίστοιχα:

NDVI = (Band4-Band3)/(Band4+Band3)

Ο φασματικός δείκτης EVI υπολογίζεται με τη χρησιμοποίηση της ανάκλασης στο μπλε, στο κόκκινο και στο εγγύς ερυθρό των καναλιών 1,3 και 4 του δορυφόρου Landsat αντίστοιχα:

EVI = 2,5 x (Band4-Band3)/(Band4+6xBand3-7,5xBand1+1)

Ο φασματικός δείκτης IFI έχει αναπτυχθεί πρόσφατα και αντιπροσωπεύει την 'κατάσταση' του δάσους με τη χρησιμοποίηση κατάλληλων στατιστικών στοιχείων από τις δορυφορικές απεικονίσεις:

IFIp = [(1/NB)xΣi=1(bpi-bi/SDi)2]1/2

όπου bi και SDi είναι ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση των επιλεγμένων εικονοστοιχείων για τα i κανάλια, bpi είναι η φασματική τιμή του καναλιού i για το pixel p, και NB είναι ο αριθμός των φασματικών καναλιών. Σ'αυτή τη μελέτη, ο IFI υπολογίστηκε με τη χρησιμοποίηση των καναλιών 3,5 και 7 του δορυφόρου Landsat. Κατόπιν, έγινε υπολογισμός της κατανομής των τιμών των 71 CBI γραφικών παραστάσεων-ιστογραμμάτων με βάση τριών θεματικών κατηγοριών. 11 CBI τιμές ιστογραμμάτων ήταν κάτω από 1, 27 τιμές κυμαινόνταν μεταξύ των τιμών 1 και 2, και 33 τιμές κυμαίνονταν μεταξύ 2 και 3 (εικόνα 2). Στη συνέχεια εξετάστηκε η γραμμική παλινδρόμηση ενιαίας μεταβλητής μεταξύ της συσχέτισης του κάθε φασματικού δείκτη ξεχωριστά και των εδαφικών CBI δεδομένων. Πολλαπλές μεταβλητές παλινδρόμησης χρησιμοποιήθηκαν επίσης για την εύρεση των διαφορών των φασματικών δεικτών πριν και μετά τη φωτιά με βάση τα CBI εδαφικά δεδομένα για την εκτίμηση των επιπτώσεων της πυρκαγιάς. Οι παράμετροι των γραμμικών παλινδρομήσεων υπολογίστηκαν με τη μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων.

Εικόνα 2: Κατανομή των τιμών του δείκτη CBI.[2]πηγή

Ανάλυση και Αποτελέσματα

Οι οικολογικές επιπτώσεις που υφίσταται μία περιοχή μετά τη φωτιά είναι γνωστές σε όλους μας. Τα πρώτα αποτελέσματα της φωτιάς, που ονομάζονται επίσης άμεσα αποτελέσματα, είναι οι πρώτες συνέπειες από την καύση της φωτιάς, δηλαδή της χημικής αντίδρασης που συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας και φωτός. Τέτοια άμεσα αποτελέσματα είναι συνήθως ο τραυματισμός και ο θάνατος ζώων και φυτών, η κατανάλωση καυσίμων, η θέρμανση του εδάφους και η παραγωγή καπνού και τέφρας. Τα άμεσα αποτελέσματα προσδιορίζονται αμέσως μετά τη φωτιά σε αντίθεση με τα έμμεσα αποτελέσματα (όπως η διάβρωση του εδάφους, η διαδοχή της βλάστησης, τοπογραφικές και κλιματικές αλλαγές) που είναι μακροπρόθεσμα και ο ακριβής προσδιορισμός τους μπορεί να από λίγες ώρες εώς δεκάδες χρόνια. Η ψηφιακή τηλεπισκόπιση μπορεί να παρατηρήσει και να προσδιορίσει τα αποτελέσματα της φωτιάς με βάση τις σημαντικές μεταβολές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας των χαρακτηριστικών της επιφάνειας της περιοχής μελέτης. Συγκεκριμένα, σ'αυτήν τη μελέτη θα εξεταστούν οι φασματικοί δείκτες στο πρώτο και το δεύτερο χρόνο πριν και μετά της εκδήλωσης της πυρκαγιάς. Οι γραμμικές παλινδρομήσεις ενιαίας μεταβλητής των μεταβολών των φασματικών δεικτών πριν και μετά τη πυρκαγιά, του πρώτου και του δεύτερου χρόνου σε σχέση με τα CBI δεδομένα, παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Στον πρώτο χρόνο μετά τη φωτιά, τόσο ο NDVi όσο και ο EVi είχαν καλή συσχέτιση με τα CBI δεδομένα, με τις αξίες του R2 να είναι της τάξεως 0,69. Η αξία του R2 για το φασματικό δείκτη NBR ήταν της τάξεως 0,63, λίγο μικρότερη από τις προηγούμενες δύο. Αν ληφθούν υπόψιν μόνο 40 επιλεγόμενα ως πιο κατάλληλα ιστογράμματα από τα υπόλοιπα, οι συσχετίσεις παρουσιάζουν βελτίωση με τις τιμές του R2 να είναι 0,79, 0,79 και 0,76 για τους φασματικούς δείκτες NDVI, EVI και NBR αντίστοιχα. Τον δεύτερο χρόνο όλες οι τιμές R2 μειώθηκαν. Ο NBR παρουσίασε την καλύτερη συσχέτιση με τα CBI δεδομένα με την τιμη του R2 να είναι της τάξεως 0,60 και για τα 71 CBI ιστογράμματα και 0,74 για τα επιλεγόμενα 40 ιστογράμματα. Οι μεταβολές των IFI δεδομένων τον πρώτο χρόνο πριν και μετά την εκδήλωση της πυρκαγιάς παρουσίασαν χαμηλή συσχέτιση με τα CBI δεδομένα. Αντίθετα, το δεύτερο χρόνο παρουσίασαν καλή συσχέτιση με τα CBI δεδομένα και την τιμή R2 να είναι της τάξεως του 0,62, η οποία είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τις R2 τιμές των υπόλοιπων 3 φασματικών δεικτών για το 2002. Η συσχέτιση των IFI δεδομένων με τα επιλεγόμενα ιστογράμματα των CBI δεδομένων ήταν της τάξεως του 0,66. Για την ανάλυση των πλεονεκτημάτων των τεσσάρων φασματικών δεικτών, εξετάστηκαν πολλαπλές μεταβλητές παλινδρόμησης των διαφορών τους για δύο χρόνια πριν και μετά την πυρκαγιά. Στον πίνακα 2 παρατίθονται οι συντελεστές των μεταβλητών των παλινδρομήσεων χρησιμοποιώντας τα 71 CBI ιστογράμματα αλλά και για τα 40 επιλεγμένα ιστογράμματα. Η σύγκριση των CBI δεδομένων με τα αποτελέσματα των πολλαπλών παλινδρομήσεων φαίνεται στην εικόνα 3. Η αξία της γραμμικής συσχέτισης R2 για αυτήν την σύγκριση ήταν της τάξεως του 0,86 και 0,87 για τα επιλεγμένα ιστογράμματα.

Πίνακας 1: Οι γραμμικές παλινδρομήσεις ενιαίας μεταβλητής των μεταβολών των φασματικών δεικτών πριν και μετά τη πυρκαγιά, του πρώτου και του δεύτερου χρόνου σε σχέση με τα CBI δεδομένα.[3]πηγή

Πίνακας 2: Οι συντελεστές των μεταβλητών των παλινδρομήσεων χρησιμοποιώντας τα 71 CBI ιστογράμματα.[4]πηγή

Εικόνα 3: Η σύγκριση των CBI δεδομένων με τα αποτελέσματα των πολλαπλών παλινδρομήσεων.[5]πηγή

Συμπεράσματα

Η συγκεκριμένη μελέτη έδειξε ότι και οι 4 φασματικοί δείκτες έχουν τη δυνατότητα να αξιολογήσουν τη σοβαρότητα της φωτιάς και τη ζημιά στην βλάστηση σε ένα σύντομο χρονικό διάστημα μετά τη φωτιά. Και για τους 4 φασματικούς δείκτες χρησιμοποιήθηκαν πολλαπλές παλινδρομήσεις οι οποίες παρουσίασαν υψηλές συσχετίσεις με τα CBI δεδομένα που συλλέχθηκαν στην περιοχή μελέτης. Η αξία της γραμμικής συσχέτισης R2 ήταν της τάξεως του 0,86 για τα 71 ιστογράμματα και 0,87 για τα 40 επιλεγμένα ιστογράμματα. Με την εφαρμογή των λειτουργιών της πολλαπλής παλινδρόμησης, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να εκτιμήσουν τα CBI δεδομένα της εφαρμογής του σύνθετου δείκτη φωτιάς CBI με μεγάλη ακρίβεια καθώς και με τη χρήση αποκλειστικά τηλεπισκοπικών δεδομένων. Επιπλέον, αυτοί οι φασματικοί δείκτες θα μπορούσαν να χρησιμποποιηθουν για την μακροπρόθεσμη παρακολούθηση των έμμεσων αποτελεσμάτων των πυρκαγιών.