Σύγκριση δυνατοτήτων ανίχνευσης της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς με τη βοήθεια δορυφορικών απεικονίσεων AVIRIS και Landsat ETM

Από RemoteSensing Wiki

Σύγκριση δυνατοτήτων ανίχνευσης της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς με τη βοήθεια δορυφορικών απεικονίσεων AVIRIS και Landsat ETM.
Πρωτότυπος τίτλος : Comparison of AVIRIS and Landsat ETM detection capabilities for burn severity. Πηγή : Wagtendonk J.W., Root R., Key H., Remote Sensing of Environment 92 (2004) 397-408 (http://nrm.salrm.uaf.edu/~dverbyla/nrm641/readings/fire_severity.pdf)

ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι να γίνει μια σύγκριση στην εκτίμηση της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς, χρησιμοποιώντας τον φασματικό δείκτη dNBR (differenced Normalized Burn Ratio) ως εκτιμητή της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς ο οποίος έχει υπολογιστεί από δεδομένα δορυφορικών Landsat ETM απεικονίσεων αλλά και από δορυφορικά δεδομένα απεικονίσεων AVIRIS. Η μελέτη έγινε στο Yosemite National Park στη Σιέρα Νεβάδα της Καλιφόρνια και διερευνήθηκαν οι δυνατότητες που μπορεί να δώσει ο δείκτης dNBR εάν χρησιμοποιηθούν δορυφορικά δεδομένα, αμέσως μετά την έναρξη μιας πυρκαγιάς.

Το σύστημα AVIRIS
Το σύστημα AVIRIS (Airborne Visible-Infrared Imaging Spectrometer) είναι ένας αερομεταφερόμενος υπερφασματικός σαρωτής νέας γενιάς, ο οποίος συλλέγει δεδομένα σε 224 κανάλια που έχουν πλάτος περίπου 9,6nm το καθένα, σε συνεχόμενες ζώνες μεταξύ των 0,4μm και 2,45μm. Το σύστημα AVIRIS χρησιμοποιήθηκε μέσω του ερευνητικού αεροσκάφους της NASA ER-2 σε ένα ύψος 16,7 km από τη μέση στάθμη της θάλασσας, με επίγεια διακριτική ικανότητα 17 m. Για τη σάρωση της περιοχής μελέτης, σε κάθε πτήση πραγματοποιούνται 7 γραμμές πτήσης, προσανατολισμένες σε κατεύθυνση Β-Ν, με τις γραμμές πτήσης 4 και 5 να περιλαμβάνουν την καμμένη περιοχή (βλέπε και εικόνα 1).

Εικόνα 1 : περιοχή μελέτης, [1]πηγή

Η περιοχή μελέτης
Το Yosemite National Park είναι ένα αποθεματικό πάρκο 300.000 εκταρίων (3.000.000 στρέμματα) στη Σιέρα Νεβάδα της Καλιφόρνια (εικόνα 1). Το υψόμετρο στην περιοχή, κυμαίνεται από 600 μέτρα στους πρόποδες των λόφων εώς 4000 μέτρα στις κορυφογραμμές. Το πάρκο έχει ένα ήπιο κλίμα με ζεστά, ξηρά καλοκαίρια και κρύους, υγρούς χειμώνες. Οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από -11 οC στα μέσα του Ιανουαρίου για τις περιοχές με υψηλό υψόμετρο εώς 32 οC τον Ιούλιο για τις περιοχές με χαμηλότερο υψόμετρο. Η βλάστηση ανταποκρίνεται στο κλίμα και την τοπογραφία, με θαμνώδεις εκτάσεις στους πρόποδες των λόφων, δάση κωνοφόρων που καλύπτουν τις ορεινές και υποαλπικές ζώνες, καθώς και αλπικά λιβάδια πάνω από τη γραμμή των δασών. Οι αστραπές αποτελούν συνηθισμένο φαινόμενο για την περιοχή και προκαλούν πολυάριθμες πυρκαγιές κάθε χρόνο. Η φωτιά διαδραματίζει έναν φυσικό ρόλο σε όλες τις ζώνες βλάστησης, εκτός από την αλπική ζώνη. Το πάρκο έχει ένα ενεργό πρόγραμμα διαχείρισης των πυρκαγιών που λειτουργεί για πάνω από 30 χρόνια, που από το 1972 επιτρέπει τις πυρκαγιές να καίνε βάσει προδιεγεγραμμένων συνθηκών. Η φωτιά Hoover Fire (την οποία μελετά η εργασία αυτή) προήλθε από ανάφλεξη αστραπής στις 26 Ιουλίου 2001 στην περιοχή illilovette Creek νότια της πεδιάδας Yosemite. Η διάδοση της πυρκαγιάς είχε πολύ αργούς ρυθμούς μέχρι τις 18 Αυγούστου, όταν ξαφνικά άρχισε να επεκτείνεται γρήγορα λόγω της αύξησης των ανέμων στην περιοχή. Μέχρι τις 22 Οκτώβρη 2001, όταν η πυρκαγιά κατασβέστηκε από το χιόνι, είχε κάψει 2.961 εκτάρια δασικής έκτασης.

Εικόνα 2 :δένδρα καμμένα πλήρως, [2]πηγή

Εικόνα 3 :δένδρα καμμένα σε μεγάλο βαθμό, [3]πηγή

Εικόνα 4 :άθικτα από φωτιά δέντρα της περιοχής μελέτης, [4]πηγή

Μεθοδολογία
Για την πυρκαγιά Hoover Fire αποκτήθηκαν δύο Landsat ETM ψηφιακές εικόνες, η μία στις 27 Ιουλίου 2000 πριν την εκδήλωση της πυρκαγιάς και η άλλη στις 2 Αυγούστου 2002 μετά την κατάσβεσή της. Οι εικόνες του Landsat TM είχαν διόρθωθεί γεωμετρικά από το USGS (United States Geological Survey), στο οποίο πραγματοποιήθηκε και ραδιομετρική διόρθωσή τους αλλά είχε προηγηθεί και προεπεξεργασία τους για να απομακρυνθούν τα σύννεφα και οι κάποια σφάλματα από τις γραμμές σάρωσης του δέκτη. Μετά τη μετατροπή των ψηφιακών τιμών σε απόλυτες τιμές έντασης ακτινοβολίας, υπολογίστηκε για κάθε εικόνα ο φασματικός δείκτης dNBR όπου:

NBRETM = 1000x[(R4-R7)/(R4+R7)] <b>

όπου R4, R7 η τιμή της ανακλαστικότητας ανά εικονοστοιχείο υπολογιζόμενη για τα κανάλια 4 και 7 του δορυφόρου Landsat αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις ανακλαστικότητας των Markham and Barker (1986).

Επιπλέον, υπολογίστηκε ο φασματικός δείκτης dNBR:

<b>dNBRETM = NBRpre -NBRpost <b>

όπου η dNBR ανά κανάλι διαφοροποίηση της ανακλαστικότητας των φασματικών δεικτών πριν τη φωτιά (NBRpre) και μετά την κατάσβεση της φωτιάς (NBRpost).

Στη συνέχεια, 63 γραφικές παραστάσεις-ιστογράμματα, με βάση τα δεδομένα από την εφαρμογή του σύνθετου δείκτη φωτιάς CBI, συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια του Σεπτεμβρίου του 2002 στην περιοχή μελέτης. Οι επίγειες μετρήσεις CBI χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση του μεγέθους των επιπτώσεων της πυρκαγιάς στο έδαφος της περιοχής μελέτης. Η τιμή του CBI κυμαίνεται μεταξύ 0 και 3 και η αξία της είναι ανάλογη με το βαθμό σοβαρότητας της φωτιάς. Με βάση αυτή τη διακύμανση των τιμών CBI, οι εικονικές παραστάσεις-ιστογράμματα κατηγοριοποιήθηκαν σε περιοχές υψηλής, μεσαίας και χαμηλής σοβαρότητας, καθώς και σε μη καμμένες περιοχές. Παράλληλα με την προσπάθεια να εκτιμηθεί η σοβαρότητα της πυρκαγιάς χρησιμοποιώντας Landsat ETM δορυφορικές απεικονίσεις, επιχειρήθηκε να γίνει εππικύρωση των αποτελεσμάτων της εκτίμησης της πυρκαγιάς με βάση την επεξεργασία των εικόνων από το σύστημα AVIRIS για την περιοχή μελέτης Yosemite. Τα δεδομένα AVIRIS αποκτήθηκαν από δύο πτήσεις του ερευνητικού αεροσκάφους της NASA, το ER-2, που πραγματοποιήθηκαν στις 17 Αυγούστου 2001 (μία ημέρα πριν την εξάπλωση της πυρκαγιάς) και ένα χρόνο μετά, στις 22 Ιουλίου 2002. Οι δύο πτήσεις έδωσαν την ευκαιρία να συγκριθούν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον Landsat ETM αισθητήρα και του αισθητήρα του AVIRIS όσο αφορά τη σοβαρότητα της πυρκαγιάς. Τα δεδομένα των πτήσεων του αερομεταφερόμενου συστήματος AVIRIS υπέστησαν γεωμετρική διόρθωση ανά εικονοστοιχείο με σκοπό τη δημιουργία ενός Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους (DEM). Τα στοιχεία της πτήσης, όπως χρόνος, γεωγραφικό μήκος και πλάτος, υψόμετρο και κατεύθυνση, καταγράφηκαν κατά την πτήση. Κατόπιν, εφαρμόστηκε ραδιομετρική διόρθωση στα δεδομένα AVIRIS για τη μετατροπή τους σε απόλυτες τιμές έντασης ακτινοβολίας και την αποκατάσταση της θολότητας από τις ατμοσφαιρικές επιδράσεις, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ACORN. Έπειτα, υπολογίστηκε ο φασματικός δείκτης διαφοράς φωτιάς NBR για κάθε εικόνα και ο φασματικός δείκτης καταστροφής dNBR χρησιμοποιώντας τα κανάλια 47 και 210 του AVIRIS:

<b>NBRAVIRIS = 1000x[(R47-R210)/(R47+R210)]<b>

όπου R η τιμή της ανακλαστικότητας ανά εικονοστοιχείο υπολογιζόμενη για τα κανάλια 41 και 210 του AVIRIS.

Η σχέση μεταξύ των φασματικών καναλιών και της σοβαρότητας φωτιάς εξετάστηκε από τη διαφοροποίηση των δεδομένων πριν και μετά την πυρκαγιά:

<b>dNBRAVIRIS = NBRpre -NBRpost <b>

Οι διαφορές ανακλαστικότητας ανά κανάλι αποτελούν πρότυπο για την ποσοτικοποίηση της φασματικής απόκρισης σε σχέση με το χρόνο και υποδεικνύουν το βαθμό της φασματικής αλλαγής λόγω πυρκαγιάς. Αυτές οι διαφορές ανακλαστικότητας υπολογίστηκαν για κάθε κατηγορία περιοχής σύμφωνα με το βαθμό σοβαρότητας της φωτιάς. Η κατανομή είχε σαν σκοπό την ομαδοποίηση των εικονοστοιχείων για σύγκριση και όχι τον εκ των προτέρων καθορισμό της σοβαρότητας φωτιάς.