Εκτίμηση της δριμύτητας πυρκαγιών στον Δυτικό Καναδά μέσω των δεικτών dNBR και RdNBR εικόνων LANDSAT

'''Εκτίμηση της δριμύτητας πυρκαγιών στον Δυτικό Καναδά μέσω των δεικτών dNBR και RdNBR εικόνων LANDSAT'''

'''Estimating burn severity from Landsat dNBR and RdNBR indices across western Canada'''

Συγγραφείς:Nicholas O. Soverel, Daniel D.B. Perrakis, Nicholas C. Coops


Πηγή: Remote Sensing of Environment 114, 1896–1909, 2010, Εικόνα:http://fireconsumption.mtri.org 


'''Στόχος Εφαρμογής'''

Στα Εθνικά Πάρκα του Δυτικού Καναδά καταγράφονται συχνά έντονα φαινόμενα πυρκαγιών, διαφορετικών συχνοτήτων, εντάσεων και δριμύτητας ως προς τις επιπτώσεις στην πυρόπληκτη περιοχή. Για την πρόβλεψη της δριμύτητας μιας πυρκαγιάς οι ερευνητικές ομάδες μελέτης πυρκαγιών χρησιμοποιούν ευρύτατα αλγορίθμους οι οποίοι περιλαμβάνουν τον διαφορικό κανονικοποιημένο λόγο καύσης (differenced Normalized Burn Ratio, dNBR) ο οποίος υπολογίζεται βάσει δεδομένων από εικόνες Landsat. Στον Καναδά ωστόσο, έχουν διεξαχθεί ελάχιστες εκτιμήσεις για την σύγκριση του αλγορίθμου dNBR και της σχετικής του εκδοχής, RdNBR. Αυτή η εφαρμογή μελετά την υπερίσχυση του δεύτερου αλγορίθμου σε δύο συγκεκριμένες εφαρμογές, αφενός στην ικανότητα του RdNBR να αποδίδει δεδομένα υψηλότερης ακρίβειας για ένα μεγάλο εύρος τύπων πυρκαγιών και αφετέρου στην προ-πυρκαγιάς μελέτη περιοχών με χαμηλή πυκνότητα φυτοκάλυψης και υψηλή ετερογένεια. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για την μελέτη των θετικών και αρνητικών σημείων κατά την διαδικασία εκτίμησης της δριμύτητας των πυρκαγιών. Για τον σκοπό αυτό, στα πλαίσια της μελέτης αναλύθηκαν έξι πυρκαγιές που εκδηλώθηκαν σε τέσσερα εθνικά πάρκα του Καναδά. Τα ύψη από τα οποία ελήφθησαν οι δορυφορικές εικόνες κυμαίνονται από 250 έως 2100 m. Οι πληγείσες από την πυρκαγιά επιφάνειες κυμαίνονται από 560 έως 183.000, εκτάσεις οι οποίες καλύπτονται από διάφορα είδη φυτών, ανάλογα τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των επιμέρους οικοσυστημάτων. 

'''Τηλεπισκόπηση και πρωθύστερες τεχνικές'''

Πλήθος μοντέλων προβολής πυρκαγιών σε συνδυασμό με μετεωρολογικά δεδομένα κλιματικών αλλαγών προβλέπουν αυξήσεις της έκτασης των από πυρκαγιά πληγέντων περιοχών, επέκταση της χρονικής περιόδου υψηλού κινδύνου εμφάνισης πυρκαγιών αλλά και ενίσχυση της έντασης και της δριμύτητας αυτών. Για τον λόγο αυτό, οι επιστήμονες οι οποίοι διαχειρίζονται τα ζητήματα των πυρκαγιών απαιτούν τα πιο αξιόπιστα διαθέσιμα δεδομένα σχετικά με την δριμύτητα των καταγεγραμμένων κατά το παρελθόν πυρκαγιών ή τις εκτιμήσεις της επιφάνειας που καταστράφηκε ούτως, ούτως ώστε να διεξάγουν υπολογισμούς σχετικά με τις συνολικές εκπομπές άνθρακα στην ατμόσφαιρα και τις διακυμάνσεις της μορφολογίας των πυρόπληκτων περιοχών σε βάθος χρόνου. Οι φορείς διαχείρισης των εκτάσεων γης στον Καναδά είναι συχνά αναποτελεσματικοί ως προς την ικανότητά τους να παρέχουν τα απαραίτητα αυτά δεδομένα κυρίως λόγω ελλείψεων σε δυνατότητες πρόσβασης στα προς μελέτη σημεία. Οι πληροφορίες που προσφέρει η μέθοδος της τηλεπισκόπησης επιτρέπουν την σχετικά οικονομική εξασφάλιση των απαραίτητων δεδομένων με μείωση των κινδύνων του προσωπικού συλλογής δεδομένων ενώ ο όγκος των πληροφοριών είναι μεγαλύτερος εν συγκρίσει αυτού που λαμβάνεται με τις παραδοσιακές μεθόδους. Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των χαρακτηριστικών μιας πυρκαγιάς μέσω χρήσης τηλεπισκοπικών πληροφοριών ως προς τη δριμύτητα και συσχετισμός με χάρτες κατανομής της καύσιμης ύλης προς χαρτογράφηση των εκπομπών καπνού σε ευρύτερο επίπεδο.

[[Εικόνα:Rs wiki forestfire kace.jpg | thumb| right|Eικόνα 1:'''Χαρτογράφηση των εκπομπών καπνού λόγω πυρκαγιάς με χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων εκτίμησης της δριμύτητας της πυρκαγιάς και της κατανομής της καύσιμης ύλης.  ''']]
'''Δορυφόροι-Ανιχνευτές'''

Οι άμεσες επιπτώσεις μιας πυρκαγιάς στην χλωρίδα μιας περιοχής περιλαμβάνουν αλλαγές στη σύσταση, στην πυκνότητα και στην ποικιλότητα των φυτών καθώς και στη συνολική υγρασία η οποία περιέχεται στη βλάστηση, στη νεκρή ύλη και στο έδαφος της πυρόπληκτης περιοχής. Εξαιτίας αυτού, είναι ανιχνεύσιμες αλλαγές λόγω πυρκαγιάς στο εγγύς και μικροκυματικό υπέρυθρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, καθιστώντας τις πολυφασματικές συσκευές τις οποίες χρησιμοποιεί η τεχνολογία της τηλεπισκόπησης ένα χρήσιμο εργαλείο για τη συλλογή σημαντικών πληροφοριών. Οι ανιχνευτές Landsat Thematic Mapper (TM) και Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) είναι κατάλληλοι για την εκτίμηση της δριμύτητας μιας πυρκαγιάς γιατί ανιχνεύουν ανακλάσεις στο εγγύς υπέρυθρο και στο μικροκυματικό υπέρυθρο στο κανάλι 4 και 7 αντιστοίχως. Η λειτουργία του ανιχνευτή Landsat TM/ETM+ στο κανάλι 4 επηρεάζεται κυρίως από τον δείκτη ανακλαστικότητας του φυλλώματος και τις ασυνέχειες της φυτοκάλυψης, ενώ το αντίστοιχο κανάλι 7 είναι ευαίσθητο στην περιεκτικότητα του νερού τόσο στο έδαφος όσο και στη βλάστηση, στην περιεκτικότητα της λιγνίνης του μη φωτοσυνθετικού τμήματος της βλάστησης και στην παρουσία υδρομεταλλικών στοιχείων όπως η άργυλος καθώς και κάποια οξείδια ή σουλφίδια. Επιπρόσθετα, και οι δύο προαναφερθέντες ανιχνευτές παρέχουν μέτριας ανάλυσης εικόνες. Η εκτίμηση του διαφορικού κανονικοποιημένου λόγου πυρκαγιάς υπολογίζεται βάσει των τιμών ανακλαστικότητας στο εγγύς και μικροκυματικό υπέρυθρο. Ο French και οι συνεργάτες του το 2008 παρουσίασαν σε μια περίληψη τα τηλεσκοπικά δεδομένα δορυφόρων Landsat τα οποία ελήφθησαν από 41 επιμέρους μελέτες σε όλο τον κόσμο, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την κατάστρωση των εξισώσεων υπολογισμού του λόγου dNBR. Ο λόγος RdNBR είναι μία τροποποίηση του προηγούμενου λόγου. Ο αλγόριθμος dNBR καταγράφει την απόλυτη μεταβολή μεταξύ εικόνων πριν και μετά την πυρκαγιά ενώ ο αλγόριθμος RdNBR βασίζεται στην καταγραφείσα ανακλαστικότητα πριν την πυρκαγιά και υπολογίζει την σχετική μεταβολή η οποία προκαλείται από την φωτιά.  

'''Προεπεξεργασία εικόνων'''

Στη συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν αποκλειστικά εικόνες Landsat TM/ETM+ ως τηλεπισκοπικά δεδομένα. Η επιλογή των εικόνων έγινε με βάση την ελάχιστη δυνατή παρεμβολή νεφών, την θέση έναρξης της φωτιάς και την εποχή λήψης. Χρησιμοποιήθηκε μια εικόνα η οποία περιέγραφε την περιοχή προ της πυρκαγιάς η οποία κατά προτίμηση είχε ληφθεί εντός του προηγούμενου έτους. Για την εκτίμηση της κατάστασης κατόπιν της πυρκαγιάς, χρησιμοποιήθηκαν δύο εικόνες, αρχικής και εκτενέστερης εκτίμησης (initial assessment (IA) και extended assessment (EA) αντιστοίχως). Κάθε μια από τις παραπάνω εικόνες υπέστη ορθοαναγωγή μέσω συστήματος UTM (Universal Transverse Mercator, Zone 11 ή 12 North). Οι τέσσερις εκ των έξι εικόνων οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας μελέτης ελήφθησαν από τον δικτυακό τόπο GLOVIS και υπέστησαν ορθοαναγωγή χρησιμοποιώντας διαδικασίες διόρθωσης Επιπέδου 1. Στις υπόλοιπες δώδεκα εικόνες εφαρμόστηκε ορθοαναγωγή σε μια εικόνα χρησιμοποιώντας ως βάση μια εικόνα που περιελάμβανε κατ' ελάχιστο 12 σημεία αναφοράς και δημοσίως διαθέσιμα μοντέλα ψηφιακής ανύψωσης 30m. Κατόπιν της ορθοαναγωγής, τα ψηφιακά δεδομένα των Landsat TM και ΕΤΜ+ μετατράπηκαν σε έναν ανιχνευτή ανακλαστικότητας με εφαρμογή γνωστών διαδικασιών (NASA 1998, Chander & Markham 2003). Επιπλέον, εφαρμόστηκαν διορθώσεις λόγω παρεμβολής των ατμοσφαιρικών παραγόντων με χρήση τεχνικής αφαίρεσης του σκοτεινότερου στοιχείου κατά την οποία σε κάθε κανάλι η τιμή του σκοτεινότερου εικονοστοιχείου μιας εικόνας Landsat αφαιρείται, εξασφαλίζοντας κατά τον τρόπο αυτό μια απλή και αποτελεσματική διόρθωση της θολότητας στα πολυφασματικά δεδομένα.  

'''Σημαντικά αποτελέσματα'''

Η παρούσα μελέτη διεξήχθη με σκοπό την εξακρίβωση της εγκυρότητας της θεωρητικά αναμενόμενης καλύτερης αποδοτικότητας του αλγορίθμου RdNBR έναντι του dNBR. Παρά ταύτα, τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι δεν συμβαίνει κάτι τέτοιο καθώς δεν παρατηρήθηκε κάποια αξιόλογη βελτίωση του μοντέλου κατά την εναλλαγή του αλγορίθμου ο οποίος εφαρμόζεται. Αυτή η ασυμφωνία ως προς την-σε άλλες μελέτες προτεινόμενη υψηλότερη-ακρίβεια του μοντέλου RdNBR, αποδίδεται στο γεγονός ότι οι περιοχές οι  οποίες μελετήθηκαν χαρακτηρίζονται από υψηλό βαθμό ομοιογένειας της βλάστηση η οποία κάλυπτε την περιοχή πριν την εκδήλωση της πυρκαγιάς.


 [[category:Σχεδιασμός δραστηριοτήτων ελέγχου πυρκαγιών]]