Ανίχνευση των δασικών πυρκαγιών με τoν ομαλοποιημένο multi-band drought index (NMDI) δείκτη ξηρασίας με μετρήσεις μέσω δορυφόρου

Από RemoteSensing Wiki

Ανίχνευση των δασικών πυρκαγιών με τον ομαλοποιημένο multi-band drought index (NMDI) δείκτη ξηρασίας με μετρήσεις μέσω δορυφόρου

Συγγραφείς

Lingli Wang*, John J. Qu, Xianjun Hao

EastFIRE Lab, College of Science, George Mason University, 4400 University Drive, Fairfax, VA 22030, USA

Αντικείμενο Εφαρμογής

Δείκτης ξηρασίας (NMDI) , Δείκτης Υγρασίας (NMWI) και ο δείκτης αναλογίας εγκαύματος (NBR) , οι αλληλεπιδράσεις τους και οι μετρήσεις τους μέσω δορυφόρου.

Περιοχή Μελέτης

Μια σοβαρή ξηρασία στις νοτιοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες δημιούργησε ρεκόρ εκδηλώσεων φωτιάς κατά μήκος των συνόρων της Γεωργίας / Φλόριντα. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται σε γεωγραφικά πλάτη 30.88N να 31.58N και μήκη 82.08W να 83.18W. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της περιοχής είναι αειθαλές δάσος πλατύφυλλων μαζί με άλλη φυσική βλάστηση και καλλιεργήσιμες εκτάσεις στους τομείς της γεωργίας.

Σε όλο το καλοκαίρι του 2007, μια σειρά από τεράστιες δασικές πυρκαγιές ξέσπασαν σε διάφορες περιοχές σε όλη την Ελλάδα. Οι πιο καταστροφικές και θανατηφόρες πυρκαγιές μαίνονταν από τις 23 έως 27 Αύγουστου κυρίως στη δυτική και νότια Πελοπόννησο, καθώς και στη Νότια Εύβοια. Συγκεκριμένα, θα επικεντρωθούμε κυρίως στης Πελοποννήσου (36.48N ΝΑ 38.48N, 21.08E ΝΑ 23.58E), όπου ξυλώδεις εκτάσεις, μικτό δάσος και καλλιεργήσιμη γη καταλαμβάνουν ένα μεγάλο μέρος της έκτασης.

Στόχος

Η ανίχνευση των δασικών πυρκαγιών μέσω της διερεύνησης και της σύγκρισης της ικανότητας των επιλεγμένων από το δορυφόρο δεικτών ξηρασίας και υγρασίας & καύσης στις Η.Π.Α και τη νότια Ελλάδα το 2007.

Οι δασικές πυρκαγιές έχουν τραβήξει ιδιαίτερη προσοχή τα τελευταία χρόνια λόγω των τεράστιων επιπτώσεων τους στο περιβάλλον, τον άνθρωπο, την άγρια πανίδα, τη λειτουργία των οικοσυστημάτων, τον καιρό, και το κλίμα. Ακριβής παρακολούθηση και χαρτογράφηση της χωρικής και χρονικής κατανομής των δασικών πυρκαγιών είναι σημαντική δεδομένου ότι συμβάλλει στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και τον έλεγχο φωτιάς, και σε έναν αριθμό εν εξελίξει μελετών, όπως την κάλυψη των χρήσεων γης, και την αλλαγή του κλίματος. Η ξηρασία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο , όσον αφορά στη δημιουργία ευνοϊκών συνθηκών για την πρόκληση πυρκαγιάς δασών.

Η εμπειρία με τα χρόνια συνέβαλε στη δημιουργία μιας στενής σχέσης μεταξύ ξηρότητας, ή ξηρασίας, και των εξαιρετικά καταστροφικών πυρκαγιών.

Από το δορυφόρο, οι φασματικοί δείκτες έχουν εκτενώς χρησιμοποιηθεί για να εξαχθούν αποτελέσματα για συνθήκες υγρασίας , βλάστησης και για την ανίχνευση ενεργών πυρκαγιών και τη σοβαρότητα της καύσης.

Ο πιο δημοφιλής δείκτης νερού βλάστησης είναι η ομαλοποιημένη διαφορά Δείκτη νερού (NDWI) που προτείνει ο Gao (1996). Ο NDWI ορίζεται ως ο λόγος του καναλιού της εγγύος υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR) με κέντρο τα 0,86 mm και κανάλι σύντομου κύματος υπερύθρων (SWIR) με κέντρο 1,64 mm (Gao, 1996). O NDWI επηρεάζεται τόσο από την ξήρανση και το μαρασμό στο κουβούκλιο βλάστησης, και κατά συνέπεια μπορεί να είναι ένας ευαίσθητος δείκτης για την παρακολούθηση της ξηρασίας (Gu et al., 2007). Η ομαλοποιημένη αναλογία εγκαύματος (NBR) που συνδυάζει πληροφορίες για κανάλι NIR με κέντρο το περίπου 0,8 mm και ένα SWIR κανάλι με κέντρο το περίπου 2,1 mm έχει ευρέως χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση καμένων περιοχών και σοβαρότητα της καύσης.

Ο ομαλοποιημένος multi-band δείκτης ξηρασίας (NMDI), έχει προταθεί πρόσφατα από Wang και Qu (2007) για την απομακρυσμένη ανίχνευση της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους και της βλάστησης από το διάστημα.

Συλλογή & Ανάλυση Δεδομένων

Πυρκαγιά στη Georgia

Επιλέγοντας δεδομένα δορυφορικά για τις δασικές πυρκαγιές στη Νότια Georgia ,παρατηρήθηκαν στις 17, 25 και 29 Απριλίου σχετικά σαφείς ημέρες και έντονες περίοδοι φωτιάς.

1η δοκιμαστική περίπτωση:

H Sweat Farm Road Πυρκαγιά στη νότια Georgia εξερράγη γρήγορα σε λιγότερο από 24 ώρες μεταξύ 16 και 17 Απριλίου. Η εικόνα της φωτιάς (Σχ. 1α) κατελήφθη από την Terra MODIS στις 15:40 UTC στις 17 Απριλίου. Τα σημεία όπου εντοπίζονται από τον MODIS με ενεργή καύση των πυρκαγιών περιγράφονται στο κόκκινο. Η εικόνα NMDI (Σχήμα 1β) που προέρχεται από το συνδυασμό Eqs. (1) και (2) αποκάλυψε τα προφανή κόκκινου χρώματος καυτά σημεία που συνδέονται με τις περιοχές φωτιάς στον ενεργό χάρτη φωτιάς. Οι NMDI τιμές είναι πολύ χαμηλότερες (NMDI; 0,2) για τα δραστικά εικονοστοιχεία φωτιάς από μη-pixels φωτιάς (NMDI> 0,5) που προσδιορίζονται από το MODIS στον χάρτη ενεργών πυρκαγιών.

Εικόνα 1: Εικόνες στις 17 Απριλίου 2007 της Γεωργίας: (α) χάρτης ενεργών πυρκαγιών που παρέχονται από Ταχείας Αντίδρασης Project. (b) NMDI (c) NDWI Και (d)NBR. Οι ενεργές πυρκαγιές που περιγράφονται με κόκκινο στον χάρτη ενεργών πυρκαγιών, ενώ σημειώνονται με κόκκινα pixels σε NMDI, NDWI και NBR εικόνες. Η βαθμίδα αλλαγής χρώματος η οποία αλλάζει από βαθύ κόκκινο σε βαθύ πράσινο δείχνει την αξία αλλαγής του δείκτη από 0 έως 1. Το ειδικό λευκό χρώμα για τα σύννεφα εμφανίζεται στο κάτω μέρος της κλίμακας.

2η δοκιμαστική περίπτωση:

Η Sweat Farm Road φωτιά συνέχισε να καίει στις 25 Απριλίου 2007, όταν η Terra MODIS περάσε εναέρια και κατέγραψε την εικόνα ενεργής φωτιάς (Σχήμα 2α) στις 16:30 UTC ώρα. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι τιμές NMDI ήταν σημαντικά χαμηλότερες για την εικονοστοιχεία της ενεργού φωτιάς, που τα κάνουν να ξεχωρίζουν από τις γύρω περιοχές (Σχ. 2β). Έχουν εντοπιστεί πολλά εικονοστοιχεία που αντιμετωπίζουν την ενεργό φωτιά από NBR, που συμβολίζεται από την αραιές κόκκινου χρώματος κηλίδες (Εικ. 2d)

Εικόνα 2: Εικόνες της 25ης Απριλίου 2007 της Georgia: (α) χάρτης ενεργών πυρκαγιών(b) NMDI (c) NDWI Και (d) NBR. Tα σύννεφα διακρίνονται με λευκό χρώμα.

3η δοκιμαστική περίπτωση:

Η εικόνα 3α, η οποία ελήφθη στις 16:05 UTC στις 29 Απριλίου 2007 από τον Terra MODIS, δείχνει την Sweat Farm Road και την Big Turnaround φωτιές στη Νότια Georgia και την Roundabout πυρκαγιά στη βορειοδυτική Georgia. Δύο μεγάλες φλόγες που έκαιγαν το βορειοδυτικό και νοτιοανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης ήταν εμφανείς από τη σήμανση κόκκινου χρώματος στα «καυτά σημεία» στην εικόνα NMDI (Σχήμα 3β). Συγκρίνοντας με τις δύο προηγούμενες εικόνες NMDI, είναι σαφές ότι η Sweat Farm Road Πυρκαγιά είχε μετακινηθεί προς τη νοτιοανατολική περίμετρο στο τέλος του Απριλίου. Ο NMDI είναι σε καλή συμφωνία με την εικόνα ενεργής φωτιάς του MODIS , αποδεικνύοντας για άλλη μια φορά ότι είναι ο δείκτης NMDI είναι αρκετά ευαίσθητος για την παρακολούθηση των ενεργών πυρκαγιών. Επιπλέον, οι πυρκαγιές φαίνεται να εντείνονται κάπως στις 29 Απριλίου, όπως αναφέρεται από τις σκουρόχρωμες κόκκινες κηλίδες πυρκαγιάς στην εικόνα NMDI.

Εικόνα 3: Εικόνες στις 29 Απριλίου 2007,Georgia : (α) χάρτης ενεργών πυρκαγιών (b) NMDI (c) NDWI Και (d) NBR

Ελληνικές Πυρκαγιές

1η δοκιμαστική περίπτωση:

Οι πυρκαγιές στην Ελλάδα ξεκίνησαν στις 23 Αυγούστου 2007. Η δραστική τοποθεσία φωτιάς απεικονιζόμενη από τον κόκκινο κύκλο στην εικόνα MODIS ενεργού φωτιάς μπορεί επίσης να προσδιοριστεί σε NMDI, NDWI και NBR εικόνες από τις κόκκινου χρώματος τελείες (εικόνα 4). Εξετάζοντας παράλληλα το πεδίο εφαρμογής της καύσης της φωτιάς, η εικόνα NMDI προσφέρει την καλύτερη χαρτογράφηση πυρκαγιάς η οποία συμφωνεί και με την εικόνα της ενεργού φωτιάς. Οι κίτρινου και κόκκινου χρώματος -περιοχές στο πάνω μέρος της εικόνας NMDI είναι ορατά στις NDWI και NBR εικόνες, που μπορεί να υποδηλώνουν τις ξηρές συνθήκες του εδάφους.

Εικόνα 4: Εικόνες στις 23 Αυγούστου 2007 από την Ελλάδα: (α) χάρτης ενεργού φωτιάς (b) NMDI (c) NDWI Και (d) NBR

2η δοκιμαστική περίπτωση:

Στις 24 Αυγούστου 2007, ο χάρτης ενεργού φωτιάς MODIS κατέγραψε πέντε συστάδες μαινόμενων πυρκαγιών, καθώς και την δέσμη καπνού των πυρκαγιών σε ολόκληρη την νότια χερσόνησο της Πελοποννήσου. (Εικόνα. 5α). Η εικόνα NMDI προβλέπει ακριβώς τις ίδιες πληροφορίες για την τοποθεσία των πυρκαγιών, την κάλυψη πυρός, και το σχήμα φωτιάς όπως ο χάρτης ενεργού πυρκαγιάς, δεν παραλείπει τις δύο σχετικά μικρές πυρκαγιές στην κορυφή και το μεσαίο τμήμα της Πελοποννήσου (Εικόνα 5β). Μόνο δύο σημεία πυρκαγιάς μπορεί να δει με αδύναμο σήμα στην εικόνα NDWI (Εικόνα 5c)

Εικόνα 5: Εικόνες στις 24 Αυγούστου 2007 Ελλάδα: (α) χάρτης ενεργού πυρκαγιάς (b) NMDI (c) NDWI Και (d) NBR. Ενεργά συμπλέγματα φωτιάς που εντοπίστηκαν από κάθε δείκτη περιγράφονται με κόκκινο κύκλο.

3η δοκιμαστική περίπτωση:

Η εικόνα ενεργού φωτιάς που καταγράφηκε από τον Terra MODIS στις 25 Αυγούστου δείχνει μια σειρά πυρκαγιών που εκτείνονται κατά μήκος των δυτικών ακτών της Πελοποννήσου (Εικόνα 6α). Το βαθύτερο κόκκινο χρώμα στην εικόνα NMDI σε σύγκριση με την προηγούμενη NMDI εικόνα αποκαλύπτει ότι οι δασικές πυρκαγιές μαίνονται με αμείωτη ένταση στην περιοχή της Πελοποννήσου (Εικόνα 6β). Προς τα βορειοανατολικά, μια πυρκαγιά εκπέμπει μία δέσμη νέφους - καπνού στο χάρτη ενεργής πυρκαγιάς, η οποία μπορεί να ανιχνευθεί μόνο στην εικόνα NMDI (που περιγράφεται από τον κόκκινο κύκλο).

Εικόνα 6: Εικόνες στις 25 Αυγούστου 2007 ,Ελλάδα: (α) χάρτη ενεργής φωτιάς (b) NMDI (c) NDWI Και (d) NBR. Το κόκκινο οβάλ αντιπροσωπεύει τη φωτιά που μπορεί να εντοπιστεί μόνο από τον NMDI

Αποτελέσματα

Η ικανότητα του δορυφόρικών δεικτών για την ανίχνευση των δασικών πυρκαγιών στη Νότια Georgia των ΗΠΑ και νότια Ελλάδα του 2007 ερευνήθηκε. Τα προϊόντα πυρκαγιάς MODIS εφαρμόστηκαν για την αξιολόγηση της απόδοσης των NMDI, NDWI, και NBR για την ανίχνευσή της. Αξιοποιώντας πληροφορίες που περιέχονται στα πολλαπλά NIR και SWIR κανάλια, ο NMDI απέδειξε την υψηλότερη συνολική επιδόση και την ισχύ των διακρίσεων σε σύγκριση με τους NDWI και NBR.

Σε σύγκριση με τον ενεργό αλγόριθμο πυρκαγιάς MODIS που εκμεταλλεύεται την ισχυρή εκπομπή μέσα από την υπέρυθρη ακτινοβολία της πυρκαγιάς, το σύστημα ανίχνευσης πυρκαγιάς χρησιμοποιώντας τον NMDI έχει το δυναμικό να αυξήσει τη χωρική διακριτική ικανότητα ανίχνευσης πυρκαγιάς.

Οι μελλοντικές προσπάθειες κατευθύνονται στην πλήρη αξιοποίηση του δυναμικού του NMDI ως εργαλείο παρακολούθησης μιας ενεργής φωτιάς. Για παράδειγμα, για πυρανίχνευση άλλων τύπων βλάστησης και διαφορετικών γεωγραφικών περιοχών, και την επικύρωση από τη χρήση μετρήσεων από δορυφόρους υψηλής ευκρίνειας ή αισθητήρες. Εάν σε γενικές γραμμές ισχύει και είναι αξιόπιστο, αυτός ο δείκτης μπορεί να παράσχει τη δυνατότητα να παρακολουθείται μια ενεργή φωτιά από περιφερειακή σε παγκόσμια κλίμακα.