Τηλεπισκόπηση ηφαιστείων με αισθητήρα VIIRS (Nightfire)

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 12:03, 5 Απριλίου 2019

VIIRS Nightfire Remote Sensing Volcanoes

Grigory M. Trifonov,  Mikhail N. Zhizhin, Dmitry V. Melnikov, Alexey A. Poyda 

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050917323992

Εικ.1: Ανίχνευση της ηφαιστειακής δραστηριότητας που χρωματίζεται από τη θερμοκρασία (κυανότερο ψυχρό, κόκκινο καυτό) γύρω από τα ηφαίστεια Sheveluch (πάνω), Tolbachik (κάτω),Klyuchevskaya Sopka (μέση). Με βάση τα δεδομένα Nightfire 2012-2016

Εισαγωγή

Η ιστορία των δορυφορικών παρατηρήσεων σχετικά με την ηφαιστειακή δραστηριότητα εκτείνεται μέχρι το 1965. Τα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας προσέγγισης είναι προφανή: καλή κάλυψη, περιλαμβανομένης της δυσκολίας πρόσβασης σε περιοχές, τακτικότητα, αποδοτικότητα κόστους (λαμβάνοντας υπόψη την κάλυψη).Ο νέος αισθητήρας VIIRS που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των ηφαιστείων ξεκίνησε επί του σκάφους της Suomi-NPP, ο δορυφόρος έχει καλύτερη ανάλυση και ακρίβεια από τον MODIS και κατά συνέπεια ακριβέστερο φασματογράφημα της παρατηρούμενης πηγής, καθιστώντας έτσι δυνατή την εκτίμηση πρόσθετων χαρακτηριστικών πηγής,όπως η θερμοκρασία.Ο Nightfire είναι ο πρώτος αλγόριθμος που εκμεταλλεύεται επιτυχώς τους αισθητήρες νέας γενιάς. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί VIIRS νυχτερινά δεδομένα για την ανίχνευση και την εκτίμηση των χαρακτηριστικών των υπέρυθρων πηγών μεγέθους υποεικονοστοιχείου, επίσης χρησιμοποιεί πλήθος υπέρυθρων ζωνών (από βραχύ κύμα έως μακρύ κύμα) όπως και το ορατό φάσμα.

Ανίχνευση θερμοκρασιακών ανωμαλιών με VIIRS Nightfire

Για να ανιχνεύσει και να εκτιμήσει τα χαρακτηριστικά των "hotspots" στη νυχτερινή πλευρά της Γης o Nightfire χρησιμοποιεί το υπέρυθρο φάσμα από 1 έως 12 μm. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί τα δεδομένα από το υπέρυθρο πολυφασματικό ραδιόμετρο VIIRS. Παρατηρήθηκε ότι κατά τη διάρκεια της νύχτας τα "hotspots" μπορεί να παρατηρηθούν σε υπέρυθρες ακτίνες μικρού κύματος (SWIR) με τo καλύτερo χαρακτηριστικό λόγο σήμα-προς-θόρυβο (SNR) και συγκεκριμένα χρησιμοποιείται η διαφορά SNR μεταξύ SWIR (ζώνες M7, M8 και M10) και MWIR (ζώνες Μ12 και Μ13). Στις εικόνες με φως ημέρας σε αυτό το εύρος το σήμα από "hotspots" εξουδετερώνεται από την ηλιακή ακτινοβολία, επομένως τα "hotspots" είναι μη ανιχνεύσιμα στο SWIR στις μέσες χωρικές αναλύσεις του 1kmpp. Ωστόσο, τα "hotspots" στο MWIR παρατηρούνται πάντα με τη θερμότητα από τη γήινη επιφάνεια και τα σύννεφα, τα οποία επηρεάζουν δραστικά την ευαισθησία τόσο για τις εκτιμήσεις μεγέθους όσο και για τις θερμοκρασίες των ανιχνευόμενων πηγών καύσης. Ο αλγόριθμος ανίχνευσης με βάση το MWIR διαχωρίζει το σήμα "hotspot" από το θερμικό σήμα υποβάθρου από το ψυχρότερο ανάγλυφο, το νερό και τα σύννεφα. Η μέθοδος χρησιμοποιεί συσχετισμό τιμών μεταξύ γειτονικών ζωνών M12 και M13. Λόγω των υψηλών ευαισθησιών ανίχνευσης IR πηγών, ο Nightfire παράγει σημαντικά ποσά δεδομένων σημείων για κάθε βράδυ (20 χιλιάδες κατά μ.ο.)που περιλαμβάνουν τόσο "καυτά" (ηλεκτρικά φώτα, φλόγες αερίου) όσο και "ζεστά" (πυρκαγιές, ηφαίστεια, παραγωγή υψηλής θερμοκρασίας). Η χωροχρονική συνάθροιση των παρατηρήσεων καθιστά δυνατή την εκτίμηση της θέσης μιας πηγής θερμότητας με ακρίβεια 50 m. Η υποδειγματοληψία και η συνάθροιση δεδομένων για σταθερές πηγές όπως τα ηφαίστεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρακολούθηση πηγής. (Εικ. 1)

Παρακολούθηση της ηφαιστειακής δραστηριότητας με Nightfire

Για την παρακολούθηση των ηφαιστειακών εκρήξεων χρησιμοποιήθηκε η ακολουθία: 1. Ανάκτηση δορυφορικών δεδομένων (είτε από σταθμούς βάσης είτε από διακομιστές NOAA) 2. Ανίχνευση "hotspot" Nightfire 3. Ομαδοποίηση σε "hotspots" 4. Προσδιορισμός συμβάντων 5. Αναφορά γεγονότων ηφαιστειακής δραστηριότητας. Η ομαδοποίηση επιτυχώς διαχωριζόμενων ανιχνεύσεων για δύο κοντινά ηφαίστεια, το Klyuchevskaya Sopka και το Bezymianny (απόσταση μεταξύ: 10km) είναι μια σημαντική διαφορά της προτεινόμενης μεθόδου από τις εναλλακτικές λύσεις οι οποίες αντιγράφουν στατιστικά στοιχεία για τα δύο ηφαίστεια.

Συμπεράσματα και μελλοντική εργασία

Κατά τη διάρκεια του έτους λειτουργίας η ηφαιστειακή δραστηριότητα ανίχνευσε 9074 γεγονότα, μερικά από τα μεγαλύτερα εκ των οποίων αποδόθηκαν στη δραστηριότητα των ηφαιστείων. Σημαντικές δυσκολίες προκλήθηκαν από το γεγονός ότι οι καλοκαιρινές νύχτες είναι σύντομες και φωτεινές στο Kamchatka, το οποίο προσθέτει πολύ θόρυβο. Ο αλγόριθμος πρέπει να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα. Χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος Nightfire για να ανιχνεύσει πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας και να τους αποδώσει ηφαιστειακή δραστηριότητα. Αυτό οδήγησε στη δημιουργία ενός πρωτοποριακού συστήματος παρακολούθησης έκρηξης ηφαιστείων, το οποίο σε αντίθεση με το προηγούμενο όχι μόνο δεν απαιτεί συγκεκριμένο συντονισμό για να μην αναμειγνύεται η απόδοση της θερμικής ανωμαλίας, αλλά παρέχει εκτεταμένες πληροφορίες, όπως θερμοκρασία και περιοχή. Το πρωτότυπο σύστημα λειτουργούσε μόνο στην περιορισμένη περιοχή της Καμτσάτκα. Οι μελλοντικές εργασίες θα επεκτείνουν την κάλυψη σε ολόκληρη τη Γη. Στο πλησιέστερο μέλλον αναμένεται να ενεργοποιηθεί η πρόσθετη ζώνη M11 (2,1 μm) στο VIIRS τη νύχτα. Το κανάλι είναι κοντά στο μέγιστο μήκος κύματος της κλίμακας θερμοκρασιών που είναι κοινή για τη θερμική δραστηριότητα των ηφαιστείων, σημαντικό για την αύξηση της ποιότητας της παρακολούθησης.