Υπέρυθρη Ανίχνευση Των Ενεργών Πυρκαγιών Και Των Καμένων Περιοχών: Θεωρία Και Παρατηρήσεις
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς
A. Barducci *, D. Guzzi, P. Marcoionni, I. Pippi
National Research Council, Electromagnetic Wave Research Institute, CNR-IROE, Italy
Πηγή
Infrared detection of active fires and burnt areas: theory and observations
Εισαγωγή
Η μελέτη αυτή ερευνά το πρόβλημα της ανίχνευσης και διαχείρισης πυρκαγιών με χρήση υπερφασματικών εικόνων τηλεανίχνευσης της πολυφασματικής υπέρυθρης και ορατής συσκευής απεικόνισης MIVIS.
H εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στη ανίχνευση πυρκαγιών και παρακολούθησης αυτών πρέπει να επιτύχει τον εντοπισμό και τη μέτρηση της γεωγραφικής επέκτασης του μετώπου της φωτιάς, την εκτίμηση της έντασης της φωτιάς, την παρακολούθηση της καμένης περιοχής προκειμένου να ανιχνεύσει ίχνη λανθάνουσας πυρκαγιάς και τη χαρτογράφηση των καμένων περιοχών για τον προγραμματισμό των δραστηριοτήτων αποκατάστασης.
Η ανίχνευση των πυρκαγιών συνήθως προσεγγίζεται με την επιλογή κάποιας φασματικής περιοχής (π.χ. θερμικής υπέρυθρης) και η παρακολούθηση αυτών γίνεται με κάποιους δορυφορικούς πολυφασματικούς δέκτες (π.χ. LANDSAT TM) οι οποίοι έχουν υψηλή πιθανότητα εντόπισης της φλεγόμενης περιοχής.
Μελέτη Περίπτωσης
Η συγκεκριμένη μελέτη αφορά μια πυρκαγιά που ξέσπασε τον Ιούλιο του 1999 σε ένα δάσος των Άλπειων στο Βόρειο τμήμα της Ιταλίας η οποία απεικονίστηκε από τον δέκτη MIVIS ο οποίος βρισκόταν πάνω σε ένα CASA 212 το οποίο πετούσε με διεύθυνση Ανατολή- Δύση και σε σχετικό ύψος μεταξύ 1 και 2 χιλιόμετρα. Ο MIVIS είναι υπερφασματικός εναέριος αισθητήρας που λειτουργεί με μήκη κύματος από 0.44-13μm του οποίου η φασματική ανάλυση κυμαίνεται στα 20nm στο οπτικό φάσμα και στα 350nm στο θερμικό υπέρυθρο. Ο MIVIS έχει 102 ανεξάρτητα κανάλια και ραδιομετρική ανάλυση 12bit.
Επεξεργασία Εικόνων
Η μελέτη αυτή ασχολείται με τις διάφορες απεικονίσεις η φωτιά προσδίδει στα διάφορα κανάλια για σκοπούς ανίχνευσης και παρακολούθησης της φωτιάς. Το βασικό πρόβλημα του ορατού φάσματος είναι ότι ο καπνός πολλές φορές καλύπτει τη φωτιά και είναι δύσκολο να προσδιοριστεί το μέτωπο και η ακριβής γεωγραφική θέση. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί και στην εικόνα 1 με μήκος κύματος 1.275μm το μέτωπο της πυρκαγιάς φαίνεται ανοιχτόχρωμο και σαφώς διαχωρισμένο από την καμένη περιοχή, ενώ το θερμικό υπέρυθρο στην εικόνα 2 δείχνει με τον ίδιο τόνο και το μέτωπο της φωτιάς αλλά και την καμένη περιοχή κάτι που καθιστά πολύπλοκο το διαχωρισμό τους.
Επίσης βρέθηκε ότι οι εκπομπές του H2O+CO2 με μήκη κύματος 1.4μm είναι ένας αξιόπιστος δείκτης του μετώπου της πυρκαγιάς. Από την ανάλυση των φασματικών απεικονίσεων βρέθηκε πως οι διαφορές των καμένων περιοχών και των ανεπηρέαστων εδαφών εντοπίζονται εύκολα στο θερμικό υπέρυθρο φάσμα όπου λόγω της μεγάλης θερμοκρασίας των καμένων περιοχών αυτές εμφανίζονται πολύ ανοιχτόχρωμες. Επίσης η ορατότητα του μετώπου της φωτιάς είναι καλύτερη στα μεσαία κύματα της υπέρυθρης ακτινοβολίας όπου παρατηρείται έντονη ακτινοβολία του τμήματος αυτού.
Η παρουσία του καπνού επιτρέπει λόγω της γεωμετρικής του θέσης στην ανακλώμενη ακτινοβολία να φτάσει στον αισθητήρα. Το ηλιακό στοιχείο το οποίο αντανακλάται από το καμένο έδαφος έχει μικρότερη ένταση και αυτό μπορεί να εξηγηθεί αν θεωρηθεί ότι οι καμένες εκτάσεις έχουν αμελητέα λευκαύγεια. Ωστόσο αν μετρηθεί το φάσμα που προκύπτει από μια μεμονωμένη φωτιά αυτό είναι σημαντικά επηρεασμένο από τα προϊόντα της καύσης και το αδιαφανές στρώμα εμποδίζει την αντανακλώμενη ακτινοβολία του εδάφους να φτάσει στον αισθητήρα αλλά αντανακλά την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω στο όριό του. Αν αμεληθεί η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον καπνό παρατηρείται μια σημαντική μείωση της έντασης στη φασματική περιοχή 1.9 – 2.5 μm και αντίστοιχη μεγέθυνση της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η ερμηνεία αυτή συμπίπτει αρκετά με τα παρατηρούμενα δεδομένα. Αυτή η επίδραση είναι ποσοτική και εξηγείται από τις εξισώσεις Fresnel (1). Ένα μονοχρωματικό κύμα το οποίο προσπίπτει με κανονική συχνότητα πάνω σε ένα διαχωριστικό όριο μεταξύ δύο διαφορετικών μέσων αντανακλάται με βάση την εξίσωση:
R=((n1-nt)/(n1+nt))^2 (1)
όπου ni είναι ο δείκτης διάθλασης του μέσου στο οποίο ταξιδεύει η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και nt ο δείκτης διάθλασης του μέσου το οποίο παρεμβαίνει στην κίνηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Η παρουσία των σωματιδίων και των αερολυμάτων ως κύρια προϊόντα της καύσης δημιουργούν σφάλματα στην ανίχνευση των πυρκαγιών καθώς απορροφούν μεγάλο ποσοστό της ακτινοβολίας και παρουσιάζονται σαν σκουρόχρωμες περιοχές λόγω του δείκτη διάθλασης. Έτσι με τη βοήθεια του κώδικα MODTRAN4 έχει προσομοιωθεί η ακτινοβολία που εξέρχεται από μια φωτιά επιλέγοντας την κατάλληλη κατανομή για τα αερολύματα και τα σωματίδια όπως προτείνεται από επιστημονικές εκθέσεις.
Σε χαμηλά ύψη πτήσης (50 – 100m) η ακτινοβολία που φτάνει στο δέκτη περιλαμβάνει μόνο τα φωτόνια που εκπέμπονται από ένα καυτό μελανό σημείο με εκτιμώμενη θερμοκρασία περίπου 800Κ. Με βάση πως η εξεταζόμενη περιοχή είναι καμένη θα περίμενε κανείς πως η λευκαύγεια του θα είναι μάλλον χαμηλή και θα προκαλεί μικρή ένταση στο ορατό πεδίο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Δεδομένου ότι το ύψος λήψης αυξάνεται η ακτινοβολία ανακλώμενη από το έδαφος αναχαιτίζεται στα στρώματα της ατμόσφαιρας τα οποία έχουν απορροφήσει τα σωματίδια και τα άλλα παράγωγα της καύσης και μειώνεται έτσι η εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία και αντανακλούν το ηλιακό στοιχείο από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας.
Συμπεράσματα
Στη μελέτη αυτή επανεξετάστηκε το πρόβλημα της ανίχνευσης και παρακολούθησης της πυρκαγιάς προκειμένου να διερευνηθούν τα φυσικά χαρακτηριστικά που συμμετέχουν και αλληλεπιδρούν στο θέμα της ακτινοβολίας της φωτιάς και των καμένων περιοχών και πως αυτά επηρεάζουν τα παρατηρούμενα δεδομένα. Επιπλέον η μελέτη αυτή είχε ως στόχο να αξιολογήσει ορισμένες αξιόπιστες πειραματικές μεθόδους που βελτιώνουν τις δυνατότητες παρακολούθησης.
Η έρευνα χρησιμοποιεί δεδομένα τα οποία πάρθηκαν από τον υψηλής ανάλυσης υπερφασματικό αισθητήρα MIVIS που βρίσκεται πάνω στο αεροπλάνο Casa 212. Οι εικόνες αναφέρονται σε πυρκαγιά που ξέσπασε τον Ιούλιο του 1999 στο βόρειο τμήμα της Ιταλίας και μέσω της ανάλυσης αυτών παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επιρροής του καπνού στην παρατηρούμενη λάμψη στα δεδομένα. Επίσης προτείνεται ένα πρακτικό εργαλείο για την ανίχνευση του μετώπου της φωτιάς και αναπτύσσεται ένα απλό θεωρητικό μοντέλο για την πρόβλεψη των αποτελεσμάτων λόγω της απορρόφησης και αντανάκλασης της ακτινοβολίας από τα διαφορετικά μέσα από τα οποία διέρχεται
