Forest Fire Spread Monitoring and Vegetation Dynamics Detection Based on Multi-Source Remote Sensing Images

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 18:46, 15 Μαρτίου 2023

Παρακολούθηση εξάπλωσης δασικών πυρκαγιών και ανίχνευση δυναμικής βλάστησης με βάση εικόνες τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών

Πρωτότυπος Τίτλος: « Forest Fire Spread Monitoring and Vegetation Dynamics Detection Based on Multi-Source Remote Sensing Images » Συγγραφείς: Yuping Tian, Zechuan Wu, Mingze Li, Bin Wang, Xiaodi Zhang

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing (MDPI). 2022, 14, 4431. https://doi.org/10.3390/rs14184431

Σύνδεσμος : https://www.mdpi.com/2072-4292/14/18/4431

Λέξεις-Κλειδιά: Πολλαπλές πηγές τηλεπισκόπησης, δασική πυρκαγιά, Παρακολούθηση δασικών πυρκαγιών, ανάκτηση βλάστησης, παράγοντες δασικής πυρκαγιάς

Εικόνα 1: Θέση της περιοχής μελέτης και της τοποθεσίας πυρκαγιάς. ( α ) η τοποθεσία της περιοχής μελέτης, ( β ) η πυρκαγιά στην κομητεία MuLi, ( γ ) η πυρκαγιά στην πόλη JingJiu.

Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής παρακολούθησης δασικών πυρκαγιών με δεδομένα τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών.

Εικόνα 3: Μεταβλητές/Παράγοντες που επηρεάζουν τις δασικές πυρκαγιές.

Εικόνα 4: Παρακολούθηση δασικών πυρκαγιών στην κομητεία Muli με βάση δορυφορικά δεδομένα GF-4.

Εικόνα 5: Εικόνες από δορυφόρο πολλαπλών πηγών της καμένης περιοχής στην κομητεία Muli.

Εικόνα 6: Παρακολούθηση δασικών πυρκαγιών στην πόλη Jingjiu με βάση δορυφορικά δεδομένα GF-4. ( a – f) είναι η διανομή πυρκαγιάς και καπνού στις 11:47 π.μ. στις 31 Μαρτίου, στις 14:55 μ.μ. στις 31 Μαρτίου, στις 16:41 μ.μ. στις 31 Μαρτίου, στις 11:52 π.μ. την 1η.

Εικόνα 7: Εικόνες από δορυφόρο πολλαπλών πηγών της καμένης περιοχής στην πόλη Jingjiu.

Εικόνα 8: Ένταση πυρκαγιάς και διαφορά μεταξύ των κατανομών VFC μετά την πυρκαγιά και των κατανομών VFC πριν από την πυρκαγιά (d VFC ) στην κομητεία Muli και την πόλη Jingjiu.

Εικόνα 8: Αλλαγές στη βλάστηση VFC πριν και μετά την πυρκαγιά στην κομητεία Muli, (α, β) και ο VFC πριν και μετά την πυρκαγιά στην πόλη Jingjiu, αντίστοιχα (γ, δ).

1. Περίληψη

Οι ολοένα και πιο σοβαρές ζημιές που προκαλούνται από τις δασικές πυρκαγιές στο κόσμο έχουν ωθήσει στην επιστημονική και αποτελεσματική πρόληψη και ο έλεγχός τους έχει προσελκύσει την προσοχή χωρών παγκοσμίως. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει τεχνολογίες που εφαρμόζονται για την παρακολούθηση της εξάπλωσης της πυρκαγιάς και την έγκαιρη προειδοποίησή, καθώς αποτελεί αναπτυξιακή κατεύθυνση για την πρόληψη και τον έλεγχό τους. Η μελέτη αυτή, εστιάζει στις πυρκαγιές που εκδηλώθηκαν στην κομητεία Muli (28 Μαρτίου 2020), και στην πόλη Jingjiu (30 Μαρτίου 2020), στην επαρχία Σιτσουάν. Για την παρακολούθηση των πυρκαγιών χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες πολλαπλών πηγών από το Planet, Sentinel-2, MODIS, GF-1, GF-4 και Landsat-8.

2. Εισαγωγή

Τα δάση είναι ζωτικής σημασίας ανανεώσιμοι πόροι που χρησιμοποιούνται για τη κατασκευή του οικονομικού και οικολογικού περιβάλλοντος, ως βάση για τη βιώσιμη ανάπτυξη. Τα δάση δεσμεύουν τον άνθρακα, ρυθμίζοντας τη κλιματική αλλαγή. Όμως, συχνά υποφέρουν από φυσικές, αλλά κυρίως ανθρώπινες διαταραχές. Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούν φυσική καταστροφή με τόσο ισχυρή ξαφνική και καταστροφική δύναμη απειλώντας τα δάση, τους βιότοπους, την άγρια ζωή και τις ανθρώπινες ζωές, και οι επιπτώσεις τους είναι επίσης εμφανείς και στη παγκόμσια κλιματική αλλαγή και την οικονομία (λόγω των ζημιών τους). Οι τεχνολογίες της τηλεπισκόπησης προσφέρουν εικόνες ταχείας και με ακριβή εξαγωγή της θέσης της πυρκαγιάς για τη παρακολούθησή της, πράγμα το οποίο είναι ανέφικτο να υπάρξει σε δύσβατες απομακρυσμένες περιοχές που καθιστά το έργο δυσκολότερο. Η συγκεκριμένη μελέτη στοχεύει στη παραγωγή μιας επιστημονικής βάσης για την πρόληψη και την καταπολέμηση των πυρκαγιών και τη μείωση των απωλειών από καταστροφές. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τις πυρκαγιές στην επαρχία Σιτσουάν, αυτή η εργασία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των δορυφόρων τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών για την εξαγωγή της χρονοσειράς των γραμμών εξάπλωσης πυρκαγιάς για την απόκτηση της θέσης και της χρονικής εξέλιξης της πυρκαγιάς.

3. Δεδομένα και Μεθοδολογία

Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στις πυρκαγιές που εκδηλώθηκαν στη κομητεία Muli, στην επαρχία Liangshan και στην πόλη Jingjiu, στην επαρχία Sichuan, Κίνα. Η φωτιά στη κομητεία Muli διήρκεσε εννέα ημέρες και το μέσο υψόμετρο της πυρκαγιάς ήταν 4000 μ., ενώ στη πόλη Jingjiu το μέσο υψόμετρο της πυρκαγιάς είναι 1800 μ. και η φωτιά έσβησε τη τέταρτη μέρα. Μετά τη πυρκαγιά χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα δορυφορικών εικόνων από πολλούς δορυφόρους με σκοπό τη παρακολούθηση. Ειδικότερα, τα δεδομένα αυτά πάρθηκαν από τους δορυφόρους Planet, Sentinel-2, Landsat-8, GF-1, GF-4 και MODIS και ήταν συνολικά 29 δορυφορικές εικόνες. Κατά την επεξεργασία δορυφορικών εικόνων συμβαίνουν διάφορα ραδιομετρικά σφάλματα και γεωμετρικές παραμορφώσεις. Για τον λόγο αυτό, είναι αναγκαίο να επιλέγεται όσο το δυνατόν περισσότερο μια εικόνα χωρίς καθόλου σύννεφα ή με ελάχιστα σύννεφα. Στη παρούσα μελέτη, η ραδιομετρική, ατμοσφαιρική και η γεωμετρική διόρθωση υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία. Λόγω των διαφορετικών χωρικών αναλύσεων κάθε πηγής δεδομένων, όλα τα δεδομένα επαναδειγματοληψήθηκαν σε 3 μ. και στη συνέχεια εξήχθησαν πληροφορίες. Ο δορυφόρος IRS GF4 χρησιμοποιήθηκε για την παρατήρηση της ασυνήθιστα υψηλής θερμοκρασίας της πυρκαγιάς πυρκαγιάς και το PMS παρακολουθούσε τον καπνό και το σημείο πυρκαγιάς. Η εξίσωση για τη μετατροπή της ακτινοβολίας σε θερμοκρασία είναι : Le (λi) = Gain*DN +offset. Μετά την παραπάνω μετατροπή, η θερμοκρασία υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση Planck. Η εξίσωση περιγράφεται ως εξής: Τi = [Ki2/ ln (Ki1/Le(λi))]. Επιπλέον, οι παράγοντες που επηρεάζουν την εξάπλωση των δασικών πυρκαγιών χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες: τους Μετεωρολογικοί, Εδαφικοί, Εύφλεκτοι και ανθρωπογενείς παράγοντες. Έτσι, συλλέχθηκαν, επιπλέον, οι τιμές της ωριαίας θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας, της βροχόπτωσης, της κατεύθυνσης και της ταχύτητας ανέμου του ανέμου, από το Δίκτυο Μετεωρολογικών Δεδομένων της Κίνας τη στιγμή της εξάπλωσης της δασικής πυρκαγιάς. Επίσης, λήφθηκαν τα δεδομένα του ψηφιακού υψομετρικού μοντέλου (DEM) της περιοχής μελέτης από το Γεωχωρικό Σύννεφο Δεδομένων και εξήγαγαν χάρτες υψομέτρου, κλίσης και σκίασης της περιοχής μελέτης. Ακόμη, από την Εθνική Υπηρεσία Καταλόγου Γεωγραφικών Πληροφοριών συλλέχθηκαν δεδομένα δρόμων, σιδηρόδρομων, κατοικημένων περιοχών και νερού. Συνοψίζοντας, συλλέχθηκαν δεκατρείς παράγοντες για να αναλυθεί ο αντίκτυπός τους στις δασικές πυρκαγιές. Οι συγκεκριμένοι παράγοντες παρατίθενται παρακάτω στην Εικόνα 3. Έπειτα, ακολούθησε η εξαγωγή των αποτελεσμάτων που αφορούν την ένταση της πυρκαγιάς και την οριοθέτηση της ζώνης (γραμμής) της πυρκαγιάς. Συγκεκριμένα, για τη δημιουργία αυτών χρειάστηκε να γίνει εφαρμογή του δείκτη NBR κα dNBR. O NBR κυμαίνεται από -1 έως 1, ενώ οι τιμές dNBR κυμαίνονται από -2 έως 2. Στον υπολογισμό του dNBR για τη μετατροπή σε ακέραιο έγινε πολλαπλασιασμός (επί 1000) για παρακάτω διευκόλυνση. Συγκεκριμένα, οι σχέσεις αυτές είναι: ΝΒR = (ρnir – ρswir)/(ρnir + ρswir), και dNBR = NBRprefire – NBRpostfire. Ακόμη, έγινε χρήση της μεθόδου Random Forest για τον υπολογισμό και την κατάταξη της σημασίας κάθε μεταβλητής. Επιπλέον, εφαρμόστηκε ο δείκτης VFC που κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1 και δηλώνει ότι όσο πιο κοντά είναι η τιμή στο 1, τόσο υψηλότερο είναι το VFC τηςπεριοχής μελέτης. Η τιμή υπολογίζεται γενικά με βάση τον κανονικοποιημένο διαφοροποιημένο δείκτη βλάστησης.

4. Αποτελέσματα

Η περιοχή ύπαρξης καπνού από την πυρκαγιά παρουσίασε ανοδική τάση υποδεικνύοντας, λοιπόν, ότι η φωτιά εντεινόταν ξανά. Υπήρχε πολύ καπνός στο σημείο της πυρκαγιάς και επεκτάθηκε στα βόρεια-βορειοανατολικά, σύμφωνα με τις τοπικές καιρικές συνθήκες. Ακολούθως, χρησιμοποιήθηκαν χρονοσειρές από δεδομένα GF-4 για τη περιοχή Jingjiu και φανερώνουν ότι η πυρκαγιά κινήθηκε σταδιακά προς τα ανατολικά-βορειοανατολικά, σύμφωνα με τις τοπικές καιρικές συνθήκες. Ακόμη, ακολούθησε η κατασκευή χάρτη με την ένταση της πυρκαγιάς. Η τελική περιοχή που κάηκε από τη φωτιά στην κομητεία Muli ήταν 209,17 km 2 . Η τελική καμένη περιοχή από πυρκαγιά ταξινομήθηκε σύμφωνα με το κατώφλι dNBR. Τέλος, απεικονίστηκε η βλάστηση της κομητείας Muli και της πόλης Jingjiu πριν από την πυρκαγιά και ένα έτος μετά την πυρκαγιά. Επιλέχθηκαν τυχαία 40 σημεία από τις εικόνες VFC πριν από την πυρκαγιά , τις VFC μετά την πυρκαγιά και τις εικόνες dNBR, αντίστοιχα, για να χτιστεί η σχέση μεταξύ του VFC και του dNBR, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα για την κομητεία Muli και την πόλη Jingjiu ήταν παρόμοια. Και τα δύο VFC πριν από την πυρκαγιά ήταν σημαντικά ανάλογα με το dNBR, με R 2 0,79 και 0,76, αντίστοιχα.

5. Συζήτηση

Με τις ολοένα και περισσότερες δασικές πυρκαγιές και τις τεράστιες απώλειες που επιφέρουν, είναι σημαντική η χρήση της τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση της εξάπλωσης των δασικών πυρκαγιών. Όσον αφορά την παρακολούθηση των δασικών πυρκαγιών, οι εικόνες πολλαπλών πηγών έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι χαμηλού κόστους, ακριβείς και αποτελεσματικές. Επιπλέον, παίζουν σημαντικό ρόλο στον εντοπισμό των σημείων όπου ξεκινά η πυρκαγιά και βοηθούν στην αναγνώριση της καμένης περιοχής με τεχνητά μέσα. Η υψηλή χωρική ανάλυση μπορεί να παρέχει πιο λεπτομερείς και ακριβείς πληροφορίες για τις δασικές πυρκαγιές. Βέβαια, ο μεγάλος χώρος αποθήκευσης που απαιτούν και η χαμηλή απόδοση της επεξεργασίας δεδομένων (λόγω της υψηλής χωρικής ανάλυσης) σημαίνει ότι το ευρύ φάσμα των βιομηχανικών εφαρμογών του μπορεί να περιοριστεί. Ειδικότερα, για την ακριβή κατανόηση της δυναμικής των δασικών πυρκαγιών οι αλγόριθμοι αναγνώρισης των δασικών πυρκαγιών είναι πολύ σημαντικοί, αποτελεσματικοί συνάμα και αξιόπιστοι. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες NBR, dNBR και NDVI. Ο συνδυασμός των πλεονεκτημάτων των δεδομένων τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών δορυφόρου μπορεί να εμφανίσει αποτελεσματικά πληροφορίες για τις δασικές πυρκαγιές και να παρακολουθήσει την εξάπλωση και την αναζωπύρωση των δασικών πυρκαγιών. Η σχετική υγρασία, η θερμοκρασία, η βροχόπτωση, η ταχύτητα του ανέμου και η κατεύθυνση του ανέμου επιλέχθηκαν ως οι πέντε σημαντικοί μετεωρολογικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξάπλωση των δύο επιλεγμένων δασικών πυρκαγιών στην επαρχία Σιτσουάν. Ακόμη, φάνηκε πως οι μετεωρολογικοί παράγοντες έχουν τη πιο σημαντική επίδραση στην εξάπλωση της πυρκαγιάς από τους υπόλοιπους παράγοντες. Αναλυτικότερα, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η σχετική υγρασία ήταν ο πιο κρίσιμος παράγοντας που επηρέασε την εξάπλωση των δασικών πυρκαγιών στην περιοχή μελέτης. Δεύτερη έρχεται η θερμοκρασία, μετά τη σχετική υγρασία και ακολούθως η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου κρίθηκαν πιο σημαντικές από τη βροχόπτωση. Ακόμη, η σχετική υγρασία επηρεάζει την περιεκτικότητα σε υγρασία στα δάση και η υψηλή σχετική υγρασία αυξάνει την υγρασία του καυσίμου, επιβραδύνοντας έτσι την εξάπλωση μιας πυρκαγιάς. Η θερμοκρασία επηρεάζει άμεσα την περιεκτικότητα σε υγρασία των εύφλεκτων καυσίμων. Σημαντικό γεγονός για τη περιοχή μελέτης είναι ότι τον Μάρτιο του 2020, η νοτιοδυτική περιοχή υπέφερε από ξηρασία, καθώς υπήρχαν λίγες βροχοπτώσεις, με θερμοκρασίες σημαντικά υψηλότερες από τα προηγούμενα χρόνια και πιο θυελλώδεις καιρικές συνθήκες. Επίσης, δεν έπεσε βροχή για 20 συνεχόμενες ημέρες. Συνεπώς, οι ακραίες καιρικές συνθήκες έχουν αυξήσει σημαντικά την πιθανότητα έναρξης και εξάπλωσης δασικών πυρκαγιών στην περιοχή μελέτης. Γενικότερα, από τη μελέτη αυτή φάνηκε ότι η αδυναμία που υπάρχει τωρα όσον αφορά μια ενιαία πηγή δεδομένων τηλεπισκόπησης δεν μπορεί να καλύψει ταυτόχρονα τις απαιτήσεις χρονικής και χωρικής ανάλυσης της παρακολούθησης της εξάπλωσης πυρκαγιάς, γεγονός που επηρεάζει την αποτελεσματικότητα και την επικαιρότητά της. Έτσι, με την εργασία αυτή επιλύθηκε αυτό το πρόβλημα αφού αυτή η μελέτη συνέλεξε δεδομένα εικόνων πολλαπλών πηγών που χρησιμοποιούνται ευρέως στην παρακολούθηση δασικών πυρκαγιών, για τη βελτίωση της παρακολούθησης της εξάπλωσης των δασικών πυρκαγιών. Τέλος, η έλλειψη της παρακολούθησης της εξάπλωσης των δασικών πυρκαγιών μπορεί να οδηγήσει άμεσα στην αδυναμία ολοκληρωμένης ανάλυσης της διαδικασίας και των τακτικών χαρακτηριστικών της εξάπλωσης δασικών πυρκαγιών, με αποτέλεσμα να υπάρχουν καθυστερήσεις και λάθη στην κρίση και τη διαχείριση των δασικών πυρκαγιών.

6. Συμπεράσματα

Οι δασικές πυρκαγιές στην κομητεία Muli και την πόλη Jingjiu, στην επαρχία Σιτσουάν, παρακολουθήθηκαν με πολλαπλά δεδομένα εικόνων. Το dNBR χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της καμένης περιοχής και της έντασης της δασικής πυρκαγιάς και αναλύθηκε η σχέση μεταξύ της βλάστησης πριν και μετά την πυρκαγιά και την ένταση της δασικής πυρκαγιάς. Τα αποτελέσματα φανερώνουν ότι με συνδυασμό των δεδομένων τηλεπισκόπησης που λαμβάνονται από δορυφορική τηλεπισκόπηση πολλαπλών πηγών, μπορεί να πραγματοποιηθεί η παρακολούθηση και η ποσοτική ανάλυση της δυναμικής εξάπλωσης των δασικών πυρκαγιών. Οι μετεωρολογικοί παράγοντες είχαν τη σημαντικότερη επίδραση στην εξάπλωσή τους σε σύγκριση με άλλους παράγοντες δασικών πυρκαγιών. Μεταξύ όλων των μεταβλητών, η σχετική υγρασία ήταν ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρέασε την εξάπλωση των δασικών πυρκαγιών, ακολουθούμενη από τη θερμοκρασία. Συνεπώς, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης παρέχουν πληροφορίες για τις πυρκαγιές στην επαρχία Σιτσουάν, αλλά μπορούν επίσης να εφαρμοστούν ως τεχνική αναφορά για την παρακολούθηση της εξάπλωσης δασικών πυρκαγιών με τηλεπισκόπηση και την απόκριση έκτακτης ανάγκης.