Δασικές πυρκαγιές
Από RemoteSensing Wiki
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Στην Ευρώπη εκδηλώνονται κάθε χρόνο περισσότερες από 50.000 δασικές πυρκαγιές, προκαλώντας ζημίες σε 500.000 εκτάρια δάσους και άλλων δασικών εκτάσεων, η πλειοψηφία εκ των οποίων στις Μεσογειακές χώρες όπου το κλίμα είναι θερμότερο και ξηρότερο (European Commision, 2002). Στην Ελλάδα εκδηλώνεται μεγάλος αριθμός δασικών πυρκαγιών κατά τη θερινή κυρίως περίοδο, μερικές από τις οποίες λαμβάνουν μεγάλες διαστάσεις και επιφέρουν σοβαρές καταστροφές. Το γεγονός αυτό λειτουργεί ως μοχλός πίεσης προς την πολιτεία αλλά και ως κίνητρο προς την επιστημονική κοινότητα ώστε να αναπτυχθούν νέες τεχνικές και μέθοδοι που θα οδηγήσουν στη βελτίωση του μηχανισμού πρόληψης και καταστολής των δασικών πυρκαγιών. Η τηλεπισκόπηση και τα ΓΣΠ (Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών) αποτελούν εργαλεία, τα οποία μπορούν να συμβάλλουν στην συγκέντρωση χωρικής πληροφορίας και στη δημιουργία ψηφιακών βάσεων δεδομένων επιχειρησιακής χρησιμότητας ανά πυροσβεστική υπηρεσία έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η υποστήριξη λήψεως αποφάσεων κατά τη διαχείριση των δασικών πυρκαγιών. Αξίζει να αναφερθεί ότι η μεγάλη διαθεσιμότητα, στις μέρες μας, δορυφορικών δεδομένων πολύ υψηλής ανάλυσης (QuickBird, IKONOS, KOMPSAT 2, μεταξύ άλλων) διευκολύνει ακόμη περισσότερο μια τέτοια διαδικασία.
ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΕΝΑΡΞΗΣ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ
Εκτός από την ανθρώπινη αμέλεια ή πρόθεση, ο κίνδυνος έναρξης αλλά και εξάπλωσης μιας δασικής πυρκαγιάς εξαρτάται από τους τρεις παρακάτω παράγοντες:
- ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ (σχετική υγρασία, άνεμος και θερμοκρασία του αέρα)
- ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ. Έντονο ανάγλυφο, ενισχύει την πιθανότητα έναρξης πυρκαγιάς.
- ΚΑΥΣΙΜΗ ΥΛΗ. Η καύσιμη ύλη αναφέρεται σε όλο το εύφλεκτο υλικό που
υπάρχει διαθέσιμο σε μια περιοχή (νεκρή και ζωντανή βιομάζα).
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΣΗΣ ΣΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΔΑΣΙΚΩΝ ΠΥΡΚΑΓΙΩΝ
ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ 1
Η πρώτη περίπτωση που εξετάζεται αφορά τον Καναδά και για την ανίχνευση δασικών πυρκαγιών χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα δορυφoρικών εικόνων AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer). Εκμεταλλεύεται τις πληροφορίες από τις μετρήσεις πολυδιαυλικών AVHRR εικόνων, για να καθορίσει τις θέσεις των πυρκαγιών στα δορυφορικά εικονοστοιχεία, περίπου 1 km2 κάτω από καθαρό ουρανό ή σε συνθήκες αραιού σύννεφου καπνού.
Η περιοχή που εξετάστηκε ήταν εμβαδού 1 km2, ενώ η μελέτη ΄στηριζόταν στην ανίχνευση ψεύτικων κελιών πυρκαγιάς και αφαίρεσή τους στην συνέχεια. Καθημερινά λαμβάνονταν χάρτες πυρκαγιών, παρουσιάζοντας το μεγαλύτερο μέρος των ενεργών πυρκαγιών σε ολόκληρο τον Καναδά (εκτός από εκείνες που κρύβονταν από τα πυκνά σύννεφα). Αυτό επιτεύχθηκε αφού πρώτα δημιουργήθηκαν σύνθετα απεικονίσεων εικόνων AVHRR, που αποκτήθηκαν για ολόκληρο τον Καναδά για μια δεδομένη ημέρα και στην συνέχεια εφαρμόζοντας τον αλγόριθμο ανίχνευσης πυρκαγιάς (εικόνα 1).
Αλγόριθμος
Ο αλγόριθμος ανίχνευσης πυρκαγιάς, είναι βασισμένος στο πλαίσιο Kaufman και λοιποί. (1990) με τροποποιήσεις για τον αισθητήρα ΝΟΑΑ-14/AVHRR. Επιπλέον, εισάγονται νέες δοκιμές για να αντιμετωπίσουν τις πρόσθετες περιβαλλοντικές και συνθήκες καψίματος του βόρειου οικοσυστήματος. Ο αλγόριθμος αποτελείται από δύο σημαντικά βήματα:
- εντοπισμός των πιθανών πυρκαγιών και
- αφαίρεση των πυρκαγιών που δεν είναι στην ουσία πυρκαγιές (false fires).
Και τα δύο βήματα καλύπτουν τις δοκιμές κατώτατων ορίων. Όλες οι δοκιμές βελτιστοποιούνται για και να ανιχνεύσουν πραγματικές πυρκαγιές και να αφαιρέσουν όσο το δυνατόν περισσότερο «λάθος» πυρκαγιές. Ενώ η πλειοψηφία των δοκιμών προτάθηκε προηγουμένως, οι τιμές κατώτατων ορίων επιλέχτηκαν μετά από μια προσέγγιση δοκιμής-και-λάθους βασισμένη στο εκπαιδευτικό σύνολο δεδομένων πυρκαγιών. Οι αναλύσεις ιστογραμμάτων της θερμοκρασίας ανακλαστικότητας και φωτεινότητας που αντιστοιχεί στα καμένα και μη καμένα εικονοστοιχεία, αποδείχθηκαν ένα αποτελεσματικό μέσο απόκτησης βελτιστοποιημένων τιμών κατώτατων ορίων.
Προσδιορισμός υποθετικών κελιών πυρκαγιάς
Ακολουθώντας την πρωτοποριακή εργασία Flannigan και Vonder Haar (1986) στην αυτόματη ανίχνευση των πυρκαγιών με την χρήση δεδομένων AVHRR, πολυάριθμες έρευνες έχουν δρομολογηθεί. Οι περισσότερες έχουν υιοθετήσει μια δοκιμή κατώτατων ορίων βασισμένη στη θερμοκρασία φωτεινότητας του καναλιού 3 της AVHRR. Αυτό εντοπίζει όλες τις πιθανές πυρκαγιές που δεν κρύβονται από τα παχιά σύννεφα, με τον προσδιορισμό των θερμών σημείων, δηλ. εικονοστοιχεία με θερμοκρασία φωτεινότητας (Τ3) υψηλότερη από μια συγκεκριμένη τιμή. Σύμφωνα με το νόμο του Planck, το κανάλι 3 μιας AVHRR, με ένα κεντρικό μήκος κύματος περίπου 3.7 χιλ., λαμβάνει τη μέγιστη ενέργεια ακτινοβολίας από τα αντικείμενα που εκπέμπουν σε θερμοκρασίες περίπου 800 Κ. Αυτή η θερμοκρασία είναι κοντά στη θερμοκρασία για καιγόμενη βιομάζα (Kennedy και λοιποί,1994). Εντούτοις, δεδομένου ότι ο AVHRR αισθητήρας δεν ήταν σχεδιασμένος για ανίχνευση πυρκαγιάς, χάνει την ευαισθησία σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες. Για AVHRR επί δορυφόρου ΝΟΑΑ-14, το κανάλι 3 εμποτίζεται σε Τ3 περίπου 320 Κ. Εντούτοις, αποδεικνύεται να είναι το πιο χρήσιμο κανάλι της εικόνας AVHRR, για ανίχνευση πυρκαγιάς, όσο η θερμοκρασία φωτεινότητας για τα περισσότερα μη καμένα εικονοστοιχεία σημαντικά χαμηλότερη. Στην πράξη, τα κατώτατα όρια κάτω από την θερμοκρασία κορεσμού χρησιμοποιούνται συχνά για δύο λόγους. Ο πρώτος λόγος είναι ότι οι δασικές πυρκαγιές έχουν ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών καψίματος που κυμαίνεται από χαμηλότερα από 500K έως και υψηλότερα από 1000K και έχουν επίσης ένα μεταβλητό μέρος της επιφάνειας καψίματος μέσα σε ένα εικονοστοιχείο. Για να επιτρέψει την ανίχνευση όλων των πυρκαγιών, απαιτείται μια χαμηλότερη αξία κατώτατων ορίων(threshold). Δεύτερον, οι Setzer και Verstraete (1994) προσδιόρισαν ένα πρόβλημα σχεδίου εφαρμοσμένης μηχανικής στην επί του σκάφους επεξεργασία παραγόμενου σήματος του καναλιού 3 για τον ΝΟΑΑ-11. Διαπίστωσαν ότι στα σήματα που υπερβαίνουν πολύ το όριο κορεσμού ορίζονται τιμές κάτω από το όριο κορεσμού. Κατά συνέπεια, οι στόχοι που είναι εξαιρετικά καυτοί μπορούν να έχουν μια θερμοκρασία φωτεινότητας χαμηλότερη από 320 Κ. Μια θερμοκρασία φωτεινότητας Τ3 =315K επιλέχτηκε σε αυτήν την μελέτη. Αυτό το κατώτατο όριο συλλαμβάνει σχεδόν όλες τις πραγματικές πυρκαγιές στις καθαρές ή από αραιά σύννεφα καλυμμένες περιοχές, όπως επιβεβαιώνονται από την εκπαιδευτική βάση δεδομένων πυρκαγιών. Αφετέρου, οδηγεί επίσης μακριά σε πάρα πολλές ψεύτικες πυρκαγιές (εικονοστοιχεία). Αυτοί οι λανθασμένοι προσδιορισμοί, προέρχονται από τους περιορισμούς του καναλιού 3 όπως η επίδραση της ηλιακής θαμπάδας, ανακλαστικά εδάφη, την επικάλυψη εικονοστοιχείων, την υποβάθμιση αισθητήρων, κ.λπ. (Setzer και Malingreau 1996). Η ηλιακή θαμπάδα είναι το σοβαρότερο πρόβλημα που αντιμετωπίζεται στην ανάλυσή μας λόγω της παρουσίας πολλών λιμνών και ποταμών που κατανέμονται σε όλον τον Καναδά. Για δορυφόρο ΝΟΑΑ-11 που έχει τη γεωμετρία θέασης κοντά στο κύριο επίπεδο, το πρόβλημα μπορεί εύκολα να επιλυθεί με την αποφυγή των μετρήσεων που γίνονται σε μπροστινές διασκορπιζόμενες κατευθύνσεις (Λι και λοιποί. 1997). Για ΤΟΝ ΝΟΑΑ-14, εντούτοις, αυτή η απλή λύση δεν ισχύει πλέον, δεδομένου ότι το επίπεδο εξέτασής του είναι μακριά από το κύριο επίπεδο και επειδή επίσης ηλιακή θαμπάδα εμφανίζεται από την πλευρά των σύννεφων στην κατεύθυνση ανάδρομης διασποράς. Οι επόμενες δοκιμές εισάγονται έτσι για να αφαιρέσουν τα εικονοστοιχεία ψεύτικης πυρκαγιάς.
Αφαίρεση ψεύτικων πυρκαγιών
Ο Kaufman και λοιποί. (1990) παρουσίασε τρεις δοκιμές για να αποβάλει τις ψεύτικες πυρκαγιές. Υιοθετήσαμε αυτές τις δοκιμές αλλά συντονίσαμε τις τιμές κατώτατων ορίων. Η πρώτη χρησιμοποιεί τη διαφορά θερμοκρασίας φωτεινότητας μεταξύ του καναλιού 3 και του καναλιού 4 (Τ3 - Τ4) για να προσδιορίσει τα ψεύτικα εικονοστοιχεία πυρκαγιάς που προκαλούνται από ένα θερμό υπόβαθρο. Μερικοί τύποι επιφανειών (π.χ. τα γυμνά εδάφη) μπορεί να γίνει αρκετά θερμοί για να εμποτίσουν το κανάλι 3. Δεδομένου ότι το φασματικό παράθυρο του καναλιού 4 βρίσκεται στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που έχει τη μέγιστη εκπομπή ακτινοβολίας για τις συνηθισμένες γήινες θερμοκρασίες, η διαφορά Τ3 - Τ4 συμβάλλει στη διάκριση αυτών των ψεύτικων εικονοστοιχείων πυρκαγιάς. Στην περίπτωση του καψίματος βιομάζας, το κανάλι 3 λαμβάνει πολύ περισσότερη ακτινοβόλο ενέργεια από ότι το κανάλι 4 και έτσι η τιμή του Τ3 - Τ4 είναι υψηλή (Kennedy και λοιποί. 1994, Dowty 1996). Για τα αρκτικά δάση, η τιμή κατώτατου ορίου για το Τ3 - Τ4 ορίστηκε στους 14οΚ. Όλα τα εικονοστοιχεία με τιμές Τ3 - Τ4 μικρότερες από τους 14οΚ θεωρούνται εικονοστοιχεία ψεύτικων πυρκαγιών που προκαλούνται από ένα θερμό υπόβαθρο. Η δεύτερη δοκιμή που χρησιμοποιεί το κανάλι 4 μόνο του, διαγράφει τις ψεύτικες πυρκαγιές που προκαλούνται από ιδιαίτερα ανακλαστικά σύννεφα. Η ακτινοβολία που μετριέται από το κανάλι 3 προέρχεται και από την ηλιακή ανάκλαση και από την επίγεια εκπομπή. Η ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα σύννεφα, μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη ώστε και να εμποτίσει επίσης το κανάλι 3. Δεδομένου ότι τα σύννεφα έχουν συνήθως ψυχρές κορυφές και έτσι χαμηλές θερμοκρασίες φωτεινότητας, αυτή η δοκιμή απορρίπτει χαρακτηρισμένα εικονοστοιχεία πυρκαγιάς με Τ4 μικρότερη από 260οΚ. Η τρίτη δοκιμή προορίζεται να αποβάλει τα περισσότερο γενικά φωτεινά αντικείμενα στην απεικόνιση, συμπεριλαμβάνοντας και τα σύννεφα και τα εικονοστοιχεία της επιφάνειας. Σημειώστε ότι τα πολύ θερμά σημεία πυρκαγιάς, έχουν σχετικά μικρή ανακλαστικότητα στο κανάλι 2 (R2), η οποία οφείλεται στην κατανάλωση τέφρας και βιομάζας (Kennedy και λοιποί.1994). Επομένως όλα τα εικονοστοιχεία με R2>0.22, θεωρούνται σαν ψεύτικα εικονοστοιχεία πυρκαγιάς. Μια πρόσθετη δοκιμή κατώτατων ορίων εισήχθη για να αποβάλει εικονοστοιχεία ψεύτικων πυρκαγιών που προκαλούνται από τα λεπτά σύννεφα θυσάνους. Σε μερικές περιπτώσεις, ένας συνδυασμός θερμού υποβάθρου και λεπτών σύννεφων μπορεί να εμποτίσει το κανάλι 3 και να αρνηθεί τη δεύτερη δοκιμή. Τα λεπτά θυσανώδη σύννεφα έχουν χαμηλό Τ4 και υψηλό Τ3 λόγω ανάκλασης, που οδηγεί σε μεγάλες τιμές του Τ3 και του Τ3 - Τ4. Η πρόσθετη δοκιμή κάνει χρήση της διαφοράς μεταξύ των δύο θερμικών καναλιών AVHRR, 4 και 5. Η διαφορά Τ4 – Τ5 , έχει χρησιμοποιηθεί για να προσδιορίσει λεπτούς θυσάνους σύννεφων, η οποία αναφέρεται συχνά ως διασπασμένη τεχνική παραθύρων(split window technique), (Inoue 1987). Αυτή η δοκιμή εφαρμόζεται σε συνδυασμό με μια χαλαρή δοκιμή χρησιμοποιώντας την διαφορά Τ3 - Τ4. Όλα τα καυτά σημεία με το Τ4 – Τ5> 4.1οK και το Τ3 - Τ4< 19οK αφαιρούνται σαν ψεύτικες πυρκαγιές (αυτά τα κατώτατα όρια έχουν καθιερωθεί χρησιμοποιώντας τη βάση δεδομένων πυρκαγιών που υπάρχει. Εκτός από τις ανωτέρω δοκιμές κατώτατων ορίων, γίνονται δύο πρόσθετες διαλογές. Η πρώτη σχεδιάζεται σύμφωνα με το στόχο μας που είναι η ανίχνευση δασικών πυρκαγιών. Στον Καναδά, οι δασικές πυρκαγιές είναι πολύ πιο εκτεταμένες και επίμονες από ότι άλλοι τύποι πυρκαγιών. Με τον περιορισμό στις δασικές πυρκαγιές, μπορούμε να αποτρέψουμε συγκεκριμένα προβλήματα. Στην πράξη, ένας μεγάλος αριθμός ψεύτικων πυρκαγιών που προκαλούνται από την ηλιακή λάμψη και την ανάκλαση του εδάφους, εμφανίζονται σε υδάτινες επιφάνειες, άγονα εδάφη, αγροτικές εκτάσεις και λιβάδια. Αυτή η δοκιμή προσφεύγει στη χρήση μιας κατηγοριοποίησης κάλυψης γης σε χωρική ανάλυση 1 χλμ που προέρχεται από τα δεδομένα AVHRR (Pokrant 1991). Περιλαμβάνει 10 χονδροειδείς κατηγορίες κάλυψης γης, δηλαδή, το νερό, δάση τεσσάρων τύπων (μικτά δάση, πλατύφυλλα δάση, δάση κωνοφόρων και κηπευτά δάση ), αρκτική/αλπική τούνδρα, τα άγονα εδάφη, το γεωργικές καλλιέργειες, τα λιβάδια και τις πόλεις. Στη δοκιμή εξετάζονται μόνο τα δασικά εικονοστοιχεία. σύμφωνα με τους Chuvieco και Martin (1994). Η δεύτερη διαλογή αποβάλλει όλα τα μεμονωμένα εικονοστοιχεία καυτών σημείων, δηλ. κανένα γειτονικό εικονοστοιχείο το οποίο να χαρακτηρίζεται ως πυρκαγιάς. Αντιμετωπίζει τα προβλήματα που προκαλούνται από τη μόλυνση υποκελιών. Λόγω της χονδροειδούς ανάλυσης (μικρή διακριτική ικανότητα) και της κατηγοριοποίησης κάλυψης γης, το κατιόν, ένα οριζόμενο ως δασικό εικονοστοιχείο μπορεί να περιέχει ένα μέρος υδάτινης επιφάνειας, όπως η άκρη μιας λίμνης, που αποδίδει το πρόβλημα της ηλιακής λάμψης. Αν και η γεωμετρία θέασης ενός ΝΟΑΑ-14 είναι μακριά από το κύριο επίπεδο, η ηλιακή λάμψη μπορεί παρόλα αυτά να παρατηρηθεί για μια τραχιά υδάτινη επιφάνεια. Επίσης, η ηλιακή λάμψη από τη πλευρά του σύννεφου, τείνει να επηρεάσει τα απομονωμένα εικονοστοιχεία, όπου η θέση του ήλιου, η γωνία θέασης του δορυφόρου και οι επιφανειακές συνθήκες σύννεφων συνδυάζονται στη σωστή γεωμετρία. Αυτή η διαλογή εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι οι πυρκαγιές βορείων δασών, εκτείνονται συνήθως πολύ πιο πέρα από ένα μέγεθος εικονοστοιχείου 1 χλμ μιας AVHRR. Τα περισσότερα ενιαία-καθορισμένα καυτά σημεία αποδεικνύονται να είναι ψεύτικες πυρκαγιές. Εντούτοις, η διαλογή έχει μια δυσμενή επίδραση εξάλειψης μικρών και αρχικού σταδίου πυρκαγιών, οι οποίες εν τούτοις μπορούν να ανακτηθούν από την οπτική επιθεώρηση καπνών πυρκαγιάς. Το σχήμα 1 παρουσιάζει ένα διάγραμμα ροής του αλγόριθμου ανίχνευσης πυρκαγιών. Η αποδοτικότητα κάθε βήματος του αλγορίθμου παρουσιάζεται στον πίνακα 1 όπου υπολογίστηκε από 24 απεικονίσεις επιφανειών 1200 Χ 1200km γύρω από την περιοχή BOREAS κατά τη διάρκεια αντιπυρικής περιόδου έτους 1995. Για αυτό το εκπαιδευτικό σύνολο δεδομένων, οι πυρκαγιές προσδιορίστηκαν από την οπτική επιθεώρηση των καυτών σημείων και των λοφίων καπνού ελλείψει παχιών σύννεφων. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δίνονται από άποψη του αριθμού των αληθινών πυρκαγιών (NTF) που διατηρούνται και του αριθμού των ψεύτικων πυρκαγιών που αφαιρέθηκαν σε κάθε δοκιμή. Να σημειωθεί ότι η αποτελεσματικότητα μιας καθορισμένης δοκιμής, μπορεί να εξαρτηθεί από την σειρά των δοκιμών. Προκύπτει από τον πίνακα 1 ότι μετά από την εφαρμογή όλων των δοκιμών, ο αλγόριθμος έχασε το 11% των αληθινών εικονοστοιχείων πυρκαγιάς και έσβησε το 99% των ψεύτικων εικονοστοιχείων πυρκαγιάς. Από άποψη γεγονότων πυρκαγιάς, το ποσοστό των πραγματικών πυρκαγιών που δεν εντοπίστηκαν, θα ήταν μικρότερο από αυτό που δίνεται στον πίνακα 1, αφού ένα γεγονός πυρκαγιάς αποτελείται συνήθως από ένα τμήμα εικονοστοιχείων πυρκαγιάς, για μια χρονική περίοδο. Η δοκιμή για την αφαίρεση μεμονωμένων εικονοστοιχείων πυρκαγιάς, προξένησε την απώλεια εντοπισμού αρκετών εικονοστοιχείων πραγματικής πυρκαγιάς, όμως απέβαλε έναν μεγάλο αριθμό ψεύτικων πυρκαγιών.
Και τα δύο βήματα καλύπτουν τις δοκιμές κατώτατων ορίων. Όλες οι δοκιμές βελτιστοποιούνται για και να ανιχνεύσουν πραγματικές πυρκαγιές και να αφαιρέσουν όσο το δυνατόν περισσότερο «λάθος» πυρκαγιές. Ενώ η πλειοψηφία των δοκιμών προτάθηκε προηγουμένως, οι τιμές κατώτατων ορίων επιλέχτηκαν μετά από μια προσέγγιση δοκιμής-και-λάθους βασισμένη στο εκπαιδευτικό σύνολο δεδομένων πυρκαγιών.
Οι αναλύσεις ιστογραμμάτων της θερμοκρασίας ανακλαστικότητας και φωτεινότητας που αντιστοιχεί στα καμένα και μη καμένα εικονοστοιχεία, αποδείχθηκαν ένα αποτελεσματικό μέσο απόκτησης βελτιστοποιημένων τιμών κατώτατων ορίων. Το αποτέλεσμα απεικονίζεται στην εικόνα 2.
