Εντοπισμός δασικής πυρκαγιάς με τη χρήση κανονικοποιημένου, πολυκαναλικού δείκτη ξηρασίας ( NMDI ), από δορυφορικές μετρήσεις

Από RemoteSensing Wiki

Εντοπισμός δασικής πυρκαγιάς με τη χρήση κανονικοποιημένου, πολυκαναλικού δείκτη ξηρασίας ( NMDI ), από δορυφορικές μετρήσεις

Multispectral and multiscale remote sensing data for archaeological prospecting in an alpine alluvial plain

Pietro Alessandro Brivio*, Monica Pepe, Roberto Tomasoni

Remote Sensing Department, IRRS-CNR, Via Bassini 15, 20133 Milan, Italy

Πηγή: Science Direct

1. Εισαγωγή

Οι δορυφορικοί φασματικοί δέκτες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της υγρασίας της βλάστησης και τον εντοπισμό ενεργών πυρκαγιών, αλλά και της έντασής τους. Ο πιο δημοφιλής δείκτης βλαστικής υγρασίας είναι ο κανονικοποιημένος δείκτης διαφοράς νερού NDWI, που ορίζεται ως ο λόγος του εγγύς υπέρυθρου καναλιού ( NIR ) επικεντρωμένου στα 0,86 μm και του μικροκυματικού υπέρυθρου καναλιού ( SWIR ) στα 1,64 μm. Επίσης υπάρχει ο κανονικοποιημένος δείκτης πυρκαγιάς NBR, που συνδυάζει το NIR κανάλι στα 0,8 μm και το SWIR κανάλι στα 2,1μm. Τέλος ο κανονικοποιημένος πολυκαναλικός δείκτης ξηρότητας NMDI χρησιμοποιεί τη διαφορά μεταξύ δύο καναλιών απορροφητικών στο υγρό νερό ( 1,64 μm και 2,13 μm ), για τον εντοπισμό της υγρασίας στη βλάστηση. Ο δείκτης αυτός αναμένεται να παρέχει ακριβέστερες μετρήσεις από τους δύο άλλους. Σκοπός της μελέτης είναι η σύγκριση της ικανότητας των δεικτών αυτών στον εντοπισμό πυρκαγιών σε δύο περιοχές. Για την αξιολόγηση των δεικτών χρησιμοποιούνται δεδομένα του δορυφορικού συστήματος MODIS.

2. Περιοχή μελέτης και δεδομένα

2.1 Περιοχή μελέτης

Αρχικά μελετήθηκε μία πυρκαγιά που ξέσπασε στις 16/4/2007 στα σύνορα των πολιτειών Georgia και Florida των ΗΠΑ ( http://landsat.gsfc.nasa.gov/images/archive/e0009.html, http://eobadmin.gsfc.nasa.gov/NaturalHazards/natural_hazards_v2.php3?img_id=14241 ). Επίσης εξετάζεται και μία σειρά πυρκαγιών που ξεκίνησαν στις 23/8/2007 στην Ελλάδα ( Πελοπόννησος και Νότια Εύβοια ).

2.2 Δορυφορικά δεδομένα

Τα δεδομένα προέρχονται από τα συστήματα :

• MODIS L1B ( MOD 02, 1 km, version 5 )
• MODIS L1A ( MOD 03, 1km, version 5 )
• MOD 14 ( 1 km, version 5 )

Η ανακλαστικότητα από τα κανάλια 1,2, 6 και 7 του MODIS, χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή των δεικτών NMDI, NDWI και NBR. Επίσης οι εικόνες των ενεργών πυρκαγιών του MODIS με 250 m χωρική ανάλυση, καθώς και το προϊόν Active Fire Mask, χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση των δεικτών.

2.3 Μέθοδος για τον εντοπισμό πυρκαγιάς με χρήση των δεικτών

Οι δείκτες NDWI και NBR είναι αρνητικά συσχετισμένοι με την δριμύτητα της ξηρασίας, άρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξακρίβωση της υγρασίας της βλάστησης. ‘Οσο χαμηλότερες είναι οι τιμές τους τόσο ξηρότερη είναι η βλάστηση. Ο δείκτης NMDI έχει αποδείξει ότι είναι ένας καλός δείκτης της ξηρασίας, τόσο της βλάστησης όσο και του χώματος. Για το λόγο αυτό ο δείκτης αυτός θεωρείται ότι δίνει ακριβέστερα στοιχεία για την ξηρασία και την κατάσταση των πυρκαγιών, από τους άλλους δύο δείκτες, δεδομένου μάλιστα ότι το χώμα εκτίθεται με την καύση της βλάστησης. Στην εικόνα 1 υπάρχει το διάγραμμα ροής για την εφαρμογή του NMDI στην απεικόνιση της ξηρότητας του εδάφους και της βλάστησης. Οι τιμές που παίρνει ο δείκτης για την βλάστηση είναι μεταξύ 0 και 1. Τιμές από 0,4 έως 0,6 σημαίνουν μέτρια υγρασία βλάστησης, μεγαλύτερες του 0,6 αντιπροσωπεύουν πολύ υγρή βλάστηση, ενώ μικρότερες του 0,4 υποδηλώνουν ξηρή βλάστηση. Η συμπεριφορά του δείκτη για το χώμα είναι αντίθετη. Το πιθανό εύρος τιμών είναι 0 έως 1 με τιμές μεταξύ 0,7 και 0,9 να δείχνουν ξηρό χώμα, μεταξύ 0,3 και 0,5 μετρίως υγρό χώμα και τέλος μικρότερες του 0,3 να υποδεικνύουν εξαιρετικά υγρό χώμα.

3. Δοκιμή δεικτών και σχολιασμός των αποτελεσμάτων

3.1 Πυρκαγιές στην Georgia

Περίπτωση 1 : Η φωτιά στις 17 Απριλίου 2007

Η εικόνα 2α προέρχεται από το σύστημα Terra Modis στις 17 Απριλίου και ώρα 15,40. Με κόκκινο φαίνονται τα σημεία όπου εντοπίστηκαν πυρκαγιές. Ο δείκτης NMDI ( εικόνα 2b ), φανερώνει τα ίδια σημεία πυρκαγιάς με τη δορυφορική εικόνα. Στα σημεία της ενεργής φωτιάς ο δείκτης αυτός εμφανίζει χαμηλές τιμές ανακλαστικότητας ( 0,2 ), ενώ στα σημεία που δεν υπάρχει φωτιά οι τιμές είναι μεγαλύτερες του 0,5. Η διαφορά αυτή, τονίζει τα φλεγόμενα σημεία από τα υπόλοιπα με ακρίβεια παρόμοια με την εικόνα του δορυφόρου. Αντίθετα από τις απεικονίσεις των δεικτών NDWI και NBR δεν είναι δυνατόν να εντοπιστούν σημεία ενεργής φωτιάς ( εικόνες 2c και 2d ).

Περίπτωση 2 : Η φωτιά στις 25 Απριλίου 2007

Η δορυφορική φωτογραφία 3α τραβήχτηκε στις 25 Απριλίου, ώρα 16,30. Όπως είναι αναμενόμενο ο δείκτης NMDI ( εικόνα 3b ) εντόπισε με σαφήνεια τα σημεία πυρκαγιάς από τα υπόλοιπα. Μερικά ενεργά σημεία φωτιάς εντοπίστηκαν και από τον NBR ( εικόνα 3d ), αλλά τα περισσότερα δεν εντοπίστηκαν ούτε από τον NBR ούτε από τον NDWI ( εικόνα 3c ).

Περίπτωση 3 : Η φωτιά στις 29 Απριλίου 2007

Η δορυφορική εικόνα 4 α προέρχεται από την ίδια περιοχή στις 29 Απριλίου και ώρα 16,05. Τα δύο μεγάλα μέτωπα της πυρκαγιάς έχουν εντοπιστεί από το δείκτη NMDI ( τα κόκκινα σημάδια της εικόνας 4b ). Οι εικόνες που παρουσιάζονται από τους άλλους δύο δείκτες είναι ανάλογες των δύο άλλων ημερών ( εικόνα 4c, d ). Μάλιστα στην περίπτωση του NBR ο καπνός απεικονίστηκε με βαθύ πράσινο χρώμα όπως η πυκνή βλάστηση. Ο δείκτης NDWI αποδεικνύεται ανίκανος στον εντοπισμό ενεργών πυρκαγιών.

Για το δείκτη NMDI μόνο ακολούθησε στατιστική ανάλυση για την περαιτέρω αξιολόγηση της ικανότητάς του. Στον πίνακα διαχρονικών αλλαγών ( πίνακας 2 ), περιέχεται η σύγκριση του δείκτη και των αποτελεσμάτων του συστήματος MODIS. Με α χαρακτηρίζεται ο σωστός εντοπισμός πυρκαγιάς, με d ο σωστός μη εντοπισμός πυρκαγιάς, με b ο αριθμός πυρκαγιών που όμως δεν εντοπίστηκαν και τέλος με c ο λάθος εντοπισμός πυρκαγιάς. Τέλος στον πίνακα 3 συνοψίζονται τα αποτελέσματα εντοπισμού πυρκαγιάς του δείκτη αυτού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ακρίβεια σχεδόν 100%, πιθανότητα λάθος συναγερμού περίπου 0%, ενώ η μέση ικανότητα εντοπισμού πυρκαγιάς είναι 80%.

3.2 Οι φωτιές στην Ελλάδα

Περίπτωση 1 : Η φωτιά στις 23 Αυγούστου 2007

Στην εικόνα 5 βλέπουμε την δορυφορική εικόνα του MODIS και τις απεικονίσεις των δεικτών NMDI, NDWI και NBR, όπου με κόκκινο χρώμα διακρίνονται τα φλεγόμενα σημεία. Ο δείκτης NMDI προσφέρει την καλύτερη απεικόνιση η οποία συμφωνεί σε μέγιστο βαθμό με την δορυφορική εικόνα. Στις άλλες δύο απεικονίσεις μόνο ένα μικρό ποσοστό των φλεγόμενων περιοχών έχει εντοπιστεί.

Περίπτωση 2 : Η φωτιά στις 24 Αυγούστου 2007

Στην δορυφορική εικόνα 6 α εντοπίζονται πέντε σημεία πυρκαγιάς. Ακριβώς την ίδια εικόνα για τις περιοχές και το μέγεθος των πυρκαγιών, παρέχει η απεικόνιση 6b, χωρίς να παραλείπει τις δύο μικρότερες φωτιές στην Πελοπόννησο. Αντίθετα μόνο δύο σημεία φωτιάς υπάρχουν στην εικόνα 6c, ενώ στην 6d παρέχονται με μικρή ακρίβεια όλα τα σημεία που καίει η φωτιά.

Περίπτωση 3 : Η φωτιά στις 25 Αυγούστου 2007

Ανάλογη είναι η κατάσταση στην περίπτωση αυτή με τις προηγούμενες δύο περιπτώσεις. Η εικόνα 7 περιέχει τις απεικονίσεις αυτής της περίπτωσης.

Η στατιστική ανάλυση ( πίνακας 4 ), για τον δείκτη NMDI φανερώνει 100% συνολική ακρίβεια, λιγότερο από 1% εσφαλμένων συναγερμών φωτιάς και 75% ικανότητα εντοπισμού πυρκαγιάς.

4. Σύνοψη και αποτελέσματα

Ο δείκτης NMDI απέδειξε την υψηλότερη απόδοση και διακριτική ικανότητα σε σχέση με τους NDWI και NBR. Σε όλες τις περιπτώσεις ο δείκτης αυτός εντόπισε με μεγάλη ακρίβεια τα σημεία των πυρκαγιών. Σε σύγκριση με τον ενεργό χάρτη πυρκαγιάς, ανάλυσης 250 m, του MODIS, η εικόνα με ανάλυση 1 km του NMDI περιέχει περίπου τις ίδιες ακριβείς πληροφορίες των εστιών πυρκαγιάς, του σχήματός τους και της έκτασής τους.