Συνδυάζοντας AVHRR εικόνες με δεδομένα Corine Land Cover για την παρατήρηση των δασικών πυρκαγιών και για την αξιολόγηση των συνεπειών τους

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 08:07, 23 Απριλίου 2010

Συνδυάζοντας AVHRR εικόνες με δεδομένα Corine Land Cover για την παρατήρηση των δασικών πυρκαγιών και για την αξιολόγηση των συνεπειών τους

Συγγραφείς

N. Sifakisa,*, D. Paronisa, I. Keramitsoglou b

aInstitute for Space Applications and Remote Sensing, National Observatory of Athens, Metaxa and Vas. Pavlou St., Pendeli, GR-15236, Athens, Greece bDepartment of Applied Physics, University of Athens, Panepistimioupolis, Build. PHYS-V, Athens GR-157 84, Greece

www.elsevier.com/locate/jag

Αντικείμενο Εφαρμογής & Περιοχή Μελέτης

Περιγραφή μιας επιχειρησιακής εφαρμογής των δορυφορικών εικόνων AVHRR σε συνδυασμό με το δορυφορική κάλυψη της γης υπαγόμενη στο πρόγραμμα Corine (CLC) για την ολοκληρωμένη παρακολούθηση και την παρατήρηση των 10.000 πυρκαγιών και των συνέπειών τους στην Ελλάδα το καλοκαίρι του 2000. Επίσης, εκτιμάται ότι κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του 2000, και σύμφωνα με τον ορισμό της Σύμβασης CLC 164,41 km2 των καμένων δασών , ποσοστό που αντιπροσωπεύει το 14% της συνολικής έκτασης καταστράφηκε από πυρκαγιά. Μόνο το 2% της συνολικής έκτασης που κάηκε είναι αραιή βλάστηση, ενώ δεν κάηκε πράσινο στις πόλεις ούτε βοσκότοποι (σύμφωνα με τον ορισμό ονοματολογίας CLC) κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου.

Συλλογή & Ανάλυση Δεδομένων

Ο AVHRR έχει πέντε φασματικά κανάλια (πίνακας 1), κάθε ένα από τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια διαφορετική αποστολή παρατήρησης κατά τη διάρκεια και μετά την εκδήλωση της πυρκαγιάς. Όσον αφορά στην χαρτογράφηση κηλίδας καπνού ,οι AVHRR εικόνες έχουν δείξει έναν ποιοτικό και όχι ποσοτικό χαρακτήρα, καθώς η αναγνώριση του νέφους και η παρακολούθηση του βασίζεται κυρίως στην οπτική ερμηνεία, η οποία δεν μπορεί να διακρίνει περισσότερο από μερικά επίπεδα ποιότητας καπνού . Τα AVHRR δεδομένα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αναγνώριση των ενεργών πυρήνων πυρκαγιάς που ανιχνεύονται συνήθως ως στόχοι υψηλών θερμοκρασιών από το 3ο κανάλι AVHRR (κανάλι 3Β μετά NOAA-15), οι οποίες εστιάζονται στη μέση των υπερύθρων (δηλαδή, 3,8 χιλιοστά), ειδικά κατά τη διάρκεια της νύχτας. Τέλος, AVHRR δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό και την αξιολόγηση των καμένων περιοχών. Το 2ο φασματικό κανάλι, με κέντρο στο εγγύς υπέρυθρο (0,91 mm), μπορεί να συνδυαστεί με το 1ο κανάλι για να μετρήσει την ομαλοποιημένη διαφορά του δείκτη βλαστησης. (NDVI)

Η εκτίμηση της χωρικής έκτασης της καμένης περιοχής είναι δυνατή με τη χρήση δύο διαφορετικών σημάτων μετά την πυρκαγιά που εμφανίζονται στις δορυφορικές εικόνες, και συγκεκριμένα της απόθεσης του άνθρακα και την αλλαγή της δομής της βλάστησης και της αφθονίας.

Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιούμε είναι από Telonics THRPT 6 IRIS-T series , ελήφθησαν από τον σταθμό με TRAD-8 βασιζόμενοι σε NOAISARS στην Πεντέλη (Ελλάδα). Ο σταθμός επιτρέπει την καταγραφή μέχρι οκτώ εικόνων AVHRR καθημερινά στο LAK συνδυάζοντας όλες τις απαραίτητες εικόνες σ αυτή την περίοδο που συλλέχθηκαν από πολλαπλούς NOAA δορυφόρους.

Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του 2000, όταν πάνω από 10.000 πυρκαγιές εμφανίστηκαν σε όλη την Ελλάδα, ένας μεγάλος αριθμός των εικόνων AVHRR συγκεντρώθηκαν και εξετάστηκαν. Η χαρτογράφηση πυρκαγιών βασίζεται στη σύγκριση των δύο σετ μέγιστων σύνθετων NDVI και καταρτίζονται από τις εικόνες που αποκτήθηκαν τον Αύγουστο του 1999 και τον Αύγουστο-Σεπτέμβριο 2000. Εκτός από το κύριο σύνολο των δορυφορικών δεδομένων, επίσης χρησιμοποιείται μια σειρά βοηθητικών δεδομένων, είτε σε συνδυασμό με δορυφορικές εικόνες ή για την επικύρωση και την αξιολόγηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων.

Μετά από συγκεκριμένη προ-επεξεργασία,ραδιομετρικές διορθώσεις & ψηφιακές μετατροπές οι εικόνες είναι έτοιμες να αναλυθούν είτε σε σχεδόν πραγματικό χρόνο για τηνανίχνευση των νεφών και τον εντοπισμό του πυρήνα ή μια εκ των υστέρων, εκτίμηση για τις καμένες περιοχές.

Εικ. 1: (α) και (β) Επέκταση νεφών καπνού και πυρήνων φωτιάς , αντιστοίχως, στην περιοχή της Κορινθίας (13 Ιουλίου 2000)? (γ) και (δ) νέφη καπνού και ενεργών πυρκαγιών αντιστοίχως κατά την ηπειρωτική Ελλάδα και στο νησί της Σάμου (9 Ιουλίου 2000) (ε) διάφορα νεφών καπνού κυρίως πάνω από την Πελοπόννησο και την Εύβοια (23 Αυγούστου 2000). (Στ) Δραστηριοποίηση δύο μεγάλων πυρκαγιών στη νότια Εύβοια (17 Αυγούστου 2000). Τα νέφη καπνού απεικονίζονται με ανοιχτό γαλάζιοστις χρωματιστές εικόνες, και οι δραστήριες πυρκαγιές εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα στην κλίμακα των γκρι εικόνων

Αρχικά χρήσιμοποιούνται τα AVHRR κανάλια 1, 2 και 4 για μια οπτική ανίχνευση των δεσμών καπνού από τις πυρκαγιές των δασών το καλοκαίρι του 2000. Μερικά επιλεγμένα παραδείγματασυνθέτων ψευδοχρωμάτων απεικονίζουν επεκτεταμένα νέφη καπνού όπως φαίνεται στο Σχ. 1 (α), (γ) και (ε). Οι δέσμες καπνού απεικονίζονται με ανοιχτό μπλε χρώμα, λόγω του ακόλουθου συνδυασμού καναλιων:

• το κανάλι 1, το οποίο επιτείνει την οπτική ατμοσφαιρική

επιπτώση που οφείλεται στην ατμοσφαιρική σκέδαση από τον καπνό και τη θολότητα, απεικονίζεται με μπλε,

• το κανάλι 2, το οποίο είναι ευαίσθητη στην ανακλαστικότητα της βλάστησης και λιγότερο ευαίσθητο στις ατμοσφαιρική οπτικές

επιπτώσεις του καπνού, απεικονίζεται με πράσινο,

• Το κανάλι 4, που είναι ευαίσθητο στην εξασθενημένη από τον

καπνός και τη θολότητα διαρκούς κύματος ακτινοβολίας, απεικονίζεται με κόκκινο.

Κατά τη διάρκεια της νύχτας, η ανίχνευση καπνού νέφους μπορεί μόνο πρέπει να επιτευχθεί σε θερμικές φασματικές ζώνες όπου η μορφή ενέργειας που εκπέμπεται από την επιφάνεια της Γης είναι εξασθενημένα από σωματίδια αιθάλης. Ως αποτέλεσμα μια δέσμη καπνού μπορεί να ανιχνευθεί από ψυχρή φασματική απόκριση της μορφής του. Ως εκ τούτου τα κανάλια 4 και 5 του AVHRR χρησιμοποιούνται σε αυτή την περίπτωση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η καταστρατήγηση των νεφών την νύχτα δεν είναι τόσο σαφής όσο των εικόνων μέρας νύχτας.

Ανίχνευση Ενεργής Φωτιάς

Στην Ελλάδα υπάρχει σαφής ανάγκη, που εκφράζεται κυρίως από πυρκαγιές που σχετίζονται με τις δασικές αρχές και υπηρεσίες, για αντικειμενικές πληροφορίες σχετικά με την έκταση των επιμέρους εστιών φωτιάς και για τη συνοπτική χαρτογράφηση που απεικονίζουν ταυτόχρονα όλα τα μέτωπα πυρκαγιάς , κατά προτίμηση σε εθνικό επίπεδο. Χρησιμοποιούμε το AVHRR κανάλι 3 στην αναγνώριση και τον εντοπισμό εστιών ρύπανσης που συνδέονται με πυρήνες φωτιάς. Αυτό το κανάλι είναι ευαίσθητο στη θερμότητα, που επιτρέπει την ανίχνευση της φλόγας κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας, ακόμη και μέσα από πυκνό καπνό. Προσδιορισμός του σχετικού κατωτάτου ορίου τιμής για το διαχωρισμό της φωτιάς και των μη-εικονοστοιχείων φωτιάς είναι κρίσιμος δεδομένου ότι ο αριθμός των pixels που ταξινομούνται ως εικονοστοιχεία φωτιάς εξαρτώνται από αυτήν την τιμή. Μετά από μια σειρά δοκιμών και βασιζόμενοι σε μια οπτική ερμηνεία, η αξία των 370 K (περίπου 100 βαθμών Κελσίου) εφαρμόζεται στην πλειοψηφία των εικόνων που εξετάζονται στο πλαίσιο της μελέτης μας. Το κεντρικό προιόνεξόδου παρέχει μια συνοπτική εικόνα όλων των μέτωπων της φωτιάς ταυτόχρονα. Στο σχήμα 1(b), (d) & (f) απεικονίζει τους ενεργούς πυρήνες φωτιάς. Για την εκτίμηση της καμένης έκτασης,η σύνθετη μέγιστη τιμή NDVI (MVC) των AVHRR εικόνων που αποκτήθηκαν κατά το έτος 2000 (NDVI2000) υπολογίζεται και ποσοτικά σε σχέση με την αντίστοιχη NDVI που προέρχεται από τις εικόνες που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια του 1999 (NDVI1999). Η χρήση των MVC-NDVI δεδομένων παρακάμπτει το πρόβλημα της παρουσίας των σύννεφων σε κάποια τμήματα των εικόνων:τα σύννεφα χαρακτηρίζονται από τις χαμηλότερες τιμές NDVI και ως εκ τούτου αυτόματα απορρίφθηκαν από τον υπολογισμό του MVC-NDVI. Αυτή η τεχνική μειώνει επίσης τις επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής μόλυνσης.

Οι χάρτες των δύο περιοχών είναι μωσαϊκά που δημιουργούν ένα σχέδιο των καμένων περιοχών από το καλοκαίρι του 2000 των πυρκαγιών στην Ελλάδα (Σχήμα 2). Αυτός ο πρώτος χάρτης υπερεκτιμά τη συνολική καμένη έκταση περίπου 1.800 km2.

Εικ. 2: AVHRR με βάση το χάρτη των καμένων περιοχών στην Ελλάδα από τις 20 Αυγούστου 1999 και 2 Σεπτεμβρίου 2000 πριν συνδυασμό με τη CLC στρώμα πληροφοριών (καμένες περιοχές είναι κόκκινές)

Αυτός ο αρχικός χάρτης υπερεκτιμά τη συνολική καμένη έκταση

Σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται η πανευρωπαϊκή European CLC database βάση δεδομένων που αρχικά θα βελτιώσει την ακρίβεια του χάρτη της Εικόνας 3 εξαιρώντας τις μη εύφλεκτες τάξεις κάλυψης της γης. Αυτός ο συνδυασμός βελτιώνει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων κατά 45% περίπου.

Εικ. 3: AVHRR σε συνδυασμό με βάση το χάρτη CLC των καμένων περιοχών στην Ελλάδα από τις 20 Αυγούστου 1999 και 2 Σεπτεμβρίου 2000 (καμένες περιοχές είναι κόκκινες). Η ακρίβεια του τελικού χάρτη έχει βελτιωθεί σημαντικά μετά τον αποκλεισμό των μη εύφλεκτων τάξεων κάλυψης της γης

Επίσης, εκτιμάται ότι κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του 2000, και σύμφωνα με τον ορισμό της Σύμβασης CLC, 164,41 km2 δάσους κάηκαν , τα οποία αντιπροσωπεύουν το 14% της συνολικής έκτασης που καταστράφηκαν από πυρκαγιά. Μόνο το 2% της συνολικής έκτασης που κάηκε είναι αραιή βλάστηση, ωστόσο ούτε πράσινο στις πόλεις ,ούτε βοσκότοποι (σύμφωνα με τον ορισμό ονοματολογία CLC) κάηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου.

Εικ. 4:Κατανομή των καμένων περιοχών κάλυψης γης ανά κατηγορία σύμφωνα με AVHRR δορυφορικές εκτιμήσεις σε συνδυασμό με τη βάση δεδομένων CLC

Αποτελέσματα & Αξιολόγησή τους

Εικόνες που παρέχουν πανευρωπαϊκή κάλυψη από τον χαμηλής ανάλυσης αισθητήρα AVHRR επί του δορυφόρου NOAA series αποκτήθηκαν από το σταθμό λήψης του ΝΟΑ-ISARS, και χρησιμοποιούνται για να εξετάσουν τις πολλές και εκτεταμένες πυρκαγιές που σημειώθηκαν σε όλη την Ελλάδα μεταξύ Ιουνίου και Σεπτεμβρίου 2000. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται επιτυχώς σε ποσοτικές (συνολική καμένη περιοχή) και ποιοτικές (κάλυψη καμένης έκτασης γης) πληροφορίες που λαμβάνονται από δύο ανεξάρτητες πηγές (δηλαδή, FB και MOA).

Αυτή η μελέτη δείχνει ότι οι AVHRR εικόνες μπορούν επίσης να συνδυαστούν με την CLC βάση δεδομένων για την αξιολόγηση των συνεπειών πυρκαγιάς και περιβαλλοντικών επιπτώσεων, καθώς και για τον ορισμό των μεταπυρικών στρατηγικών διαχείρισης σε διάφορα επίπεδα: (α) ως σημείο αναφοράς για την κατάταξη των καμένων περιοχών σε εθνικό επίπεδο, (β) ως βασικό στρώμα για να αντλήσει πληροφορίες σχετικά με τις στατιστικές των καμένων περιοχών σε ευρωπαϊκό επίπεδο, και, (γ) ως βοηθητικές πληροφορίες για να αυξήσουν την ακρίβεια των αποτελεσμάτων σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Επιπλέον, από την επίσημη απογραφή των γεγονότων της φωτιάς και της καμένης γης στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες που ξεκίνησαν πολύ πρόσφατα, αρχειοθετούνται AVHRR δορυφορικά δεδομένακαι είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για την εκτέλεση αναδρομικών αναλύσεων των εκδηλώσεων φωτιάς. Ο συνδυασμός του NDVI που προέρχεται από AVHRR δορυφορικά δεδομένα με CLC δεδομένα επιτρέπουν την εκτίμηση της συνολικής καμένης έκτασης και την εξόρυξη της ανά περιοχής και ανά γηςστατιστικών κλάσεων κάλυψης.