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 [7]

Περίληψη

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 Αυγούστου 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)]

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:

dNBRETM = NBRpre -NBRpost

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

Στη συνέχεια, συλλέχθηκαν επίγεια δεδομένα και δημιουργήθηκε ένας σύνθετος δείκτης CBI, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του μεγέθους των επιπτώσεων της πυρκαγιάς στην περιοχή μελέτης. Η τιμή του δείκτη CBI κυμαίνεται μεταξύ 0 και 3 ανάλογα με το βαθμό σοβαρότητας της πυρκαγιάς. Με βάση αυτή τη διακύμανση των τιμών CBI, οι εικονικές παραστάσεις-ιστογράμματα κατηγοριοποιήθηκαν σε περιοχές υψηλής, μεσαίας και χαμηλής σοβαρότητας καμμένες περιοχές, καθώς και σε μη καμμένες περιοχές. Παράλληλα με την προσπάθεια να εκτιμηθεί η σοβαρότητα της πυρκαγιάς χρησιμοποιώντας Landsat ETM δορυφορικές απεικονίσεις, επιχειρήθηκε να γίνει εκτίμηση της πυρκαγιάς με βάση την επεξεργασία των εικόνων από το σύστημα AVIRIS για την περιοχή μελέτης. 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, με αυτά των από τον Landsat ETM απεικονίσεων, όσο αφορά τη σοβαρότητα της πυρκαγιάς. Τα δεδομένα των πτήσεων του αερομεταφερόμενου συστήματος AVIRIS διορθώθηκαν και αυτά γεωμετρικά και δημιουργήθηκε το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DEM) της περιοχής. Τα στοιχεία της πτήσης, όπως χρόνος, γεωγραφικό μήκος και πλάτος, υψόμετρο και κατεύθυνση, καταγράφηκαν πλήρως κατά την πτήση και οι απεικονίσεις διορθώθηκαν και ραδιομετρικά και τα δεδομένα του AVIRIS μετατράπηκαν σε απόλυτες τιμές έντασης ακτινοβολίας για την αποκατάσταση της θολότητας από τις ατμοσφαιρικές επιδράσεις, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ACORN. Έπειτα, υπολογίστηκε ο φασματικός δείκτης dNBR για κάθε μια απεικόνιση χρησιμοποιώντας τα φασματικά κανάλια 47 και 210 του AVIRIS:

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

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:

dNBRAVIRIS = NBRpre -NBRpost

Οι διαφορές ανακλαστικότητας ανά κανάλι αποτελούν τη βάση 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 και με τον τρόπο αυτόν δημιουργήθηκε μια κατανομή, η οποία είχε σαν σκοπό την ομαδοποίηση των εικονοστοιχείων για σύγκριση και όχι τον εκ των προτέρων καθορισμό της σοβαρότητας της πυρκαγιάς.

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του φασματικού δείκτη dNBR και για τους δύο αισθητήρες παρουσίασαν παρόμοια πρότυπα όσο αφορά τη χωρική κατανομή και το βαθμό της φασματικής αλλαγής λόγω πυρκαγιάς (εικόνα 2). Η καμμένη περιοχή εξήχθη χρησιμοποιώντας την περίμετρο της φωτιάς και ο πληθυσμός των εικονοστοιχείων που φανερώνουν τη φωτιά συνοψίστηκαν και για τους δύο αισθητήρες (πίνακας 1). Η ανάλυση των φασματικών αποκρίσεων επιβεβαίωσαν την επιλογή των καναλιών 47 και 210 του AVIRIS για την ανίχνευση της σοβαρότητας πυρκαγιάς. Για τις περιοχές υψηλής σοβαρότητας η μέση διαφορά της φασματικής απόκρισης στο κανάλι 47 ήταν της τάξεως 0,14 με μία τυπική απόκλιση 0,18. Για το κανάλι 210 η μέση διαφορά ήταν 0,22 με τυπική απόκλιση 0,06. Η μέση διαφορά μειώθηκε για τις περιοχές μεσαίας και χαμηλής σοβαρότητας, καθώς και για τις μη καμμένες περιοχές. Η σύγκριση για τις περιοχές μεσαίας σοβαρότητας παρουσίασε τον ίδιο διαχωρισμό των τιμών ανακλαστικότητας για τις μικρού μήκους κύματος υπέρυθρες ακτίνες όσο και για το μήκος κύματος των εγγύς υπέρυθρων ακτίνων, με μόνη διαφορά τη παρουσία μίας μικρής ποσότητας πράσινης βλάστησης που υποδεικνυόταν με ένα 'κοκκινωπό' χρώμα. Το ίδιο ισχύει και για τις περιοχές χαμηλής σοβαρότητας, μόνο που εκεί παρουσιάστηκε μία μικρή μείωση στην απορρόφηση χλωροφύλης, ορατή στην περιοχή 550-700nm. Όσο αφορά τις μη καμμένες περιοχές, η σύγκριση όπως αναμενόταν φαίνεται σχεδόν ίδια και για τα δύο έτη. Τα αποτελέσματα αυτά ταιριάζουν με τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν από τη χρησιμοποίηση των Landsat ET δεδομένων και του EΤΜ αισθητήρα. Αυτό συμβαίνει γιατί τα κανάλια 47 και 210 ανανακλούν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε περίπου ίδια μήκη κύματος με τα κανάλια 4 και 7 του δορυφόρου Landsat αντίστοιχα. Έγινε επικύρωση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης της σοβαρότητας πυρκαγιάς με τη σύγκριση των τιμών του σύνθετου δείκτη φωτιάς CBI από 63 γραφικές παραστάσεις-ιστογράμματα με τις τιμές του φασματικού δείκτη dNBR για τις ETM και AVIRIS εικόνες ξεχωριστά (εικόνες 3 και 4). Οι παλινδρονήσεις παρουσίασαν υψηλές τιμές συσχέτισης R2 και περίπου ίδιες (με διαφορά 0,04) ανεξάρτητης μεταβλητής.

Εικόνα 5 : Τα αποτελέσματα εφαρμογής του δείκτη dNBP σε Landsat (αριστερά) και AVIRIS (δεξιά), [5]πηγή

Εικόνα 6 : Τα αποτελέσματα παλινδρομήσεων του δείκτη CBI σε συνάρτηση με τον d δείκτη dNBP, [6]πηγή

Συμπεράσματα

Με βάση τις γενικές αρχές της ψηφιακής τηλεπισκόπησης και τη λογική της μεταβολής των φασματικών αποκρίσεων των δειγμάτων εδάφους σε περίπτωση πυρκαγιάς, ο φασματικός δείκτης dNBR και από τους δύο σαρωτές (Landsat ETM και AVIRIS) δίνει χρήσιμα συμπεράσματα για την κατά κάποιο τρόπο ποσοτικοποίηση της σοβαρότητας μιας πυρκαγιάς. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης έρευνας αποδεικνύουν αυτή τη θεώρηση και στην πράξη και δείχνουν ότι οι δυνατότητες του υπερφασματικού σαρωτή AVIRIS έχουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, αλλά θα πρέπει να δοκιμαστεί σε επαρκή αριθμό διαφορετικών πυρκαγιών ή/και σε ικανοποιητικό αριθμό πυρκαγιών σε διαφορετικά οικοσυστήματα. Η παρούσα μελέτη αποτελεί ένα έναυσμα για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων του υπερφασματικού σαρωτή AVIRIS από μόνου του ή και σε συνδυασμό με δορυφορικές απεικονίσεις Landsat ETM.