Χαρακτηρισμός κάλυψης εκτάσεων και υπολογισμός σφοδρότητας καύσης με χρήση υπερφασματικών και πολυφασματικών τηλεπισκοπικών μεθόδων
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο
Αντικείμενο της μελέτης αυτής είναι η αξιολόγηση των δυνατοτήτων της υπερφασματικής (δέκτης AVIRIS - Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer) και
Μεθοδολογία
Η μέθοδος επεξεργασίας των πολυφασματικών εικόνων του δέκτη AVIRIS (χωρική ανάλυση 2,4 μέτρα) για τη χαρτογράφηση των διαφορετικών υλικών κάλυψης του εδάφους αλλά και τις περιοχές με διαφορετική σφοδρότητας καύσης (κλίμακα 1-4) περιλαμβάνει ένα αλγόριθμο ανάλυσης των φασματικών υπογραφών διαφόρων στοιχείων και υπάρχουσες βιβλιοθήκες φασματικών υπογραφών για τις κλάσεις ταξινόμησης (Εικόνα 1). Αντίστοιχοι χάρτες προέκυψαν και από την επιβλεπόμενη ταξινόμηση των εικόνων Landsat ETM+ (χωρική ανάλυση 15-60 μέτρα) με χρήση της κλασσικής μεθόδου Μέγιστης Πιθανοφάνειας (Maximum Likelihood). Τα φατνία εκπαίδευσης για τις κλάσεις ορίστηκαν χρησιμοποιώντας τους χάρτες που προέκυψαν από τις εικόνες AVIRIS. Κάθε φατνίο της εικόνας Landsat ETM+ αντιστοιχεί σε μια περιοχή της εικόνας AVIRIS λόγω της σημαντικά μικρότερης χωρικής ανάλυσης. Αν ένα φατνίο της εικόνας Landsat ETM+ αντιστοιχεί σε μια περιοχή, της οποίας τα φατνία έχουν καταταχθεί κατά τουλάχιστον 90% σε μια κλάση (σύμφωνα με την ταξινόμηση AVIRIS) τότε το φατνίο αυτό χαρακτηρίζεται ως αντιπροσωπευτικό φατνίο της κλάσης αυτής. Ως δεδομένα εισόδου (εκπαίδευσης) για τον αλγόριθμο ταξινόμησης επιλέχθηκαν 50 τυχαία αντιπροσωπευτικά φατνία εκπαίδευσης για κάθε κλάση. Σημειώνεται ότι οι κλάσεις συγχωνεύτηκαν σε 7 λόγω έλλειψης επαρκών δεδομένων εκπαίδευσης για όλες τις κλάσεις. Επιπροσθέτως, η σφοδρότητα καύσης εκτιμήθηκε από το δείκτη dNBR (differenced Normalized Burn Ratio). Ο dNBR υπολογίζεται ως η διαφορά του δείκτη NBR μετά και πριν την πυρκαγιά. Ο ΝBR ορίζεται ως ο κανονικοποιημένος λόγος του καναλιού 4 (0,75-0,90 μm) προς το κανάλι 7 (2,09-2,35 μm). Οριακές τιμές δόθηκαν για τη δημιουργία 5 κατηγοριών σφοδρότητας καύσης. Τέλος, σημειώνεται ότι αμέσως μετά την πυρκαγιά, η σφοδρότητα της καύσης χαρτογραφήθηκε από την ομάδα BAER (Interagency Burned Area Emergency Rehabilitation Team) με επιτόπιους ελέγχους και αεροφωτογραφίσεις. Οι περιοχές κατατάχθηκαν σε 3 κατηγορίες σφοδρότητας καύσης: high, moderate, και low/unburned (Εικόνα 3) .
Αποτελέσματα
Στην Εικόνα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του αλγορίθμου ταξινόμησης της εικόνας AVIRIS για τις 10 επιλεγμένες κλάσεις, ενώ στις Εικόνες 2 και 3 απεικονίζεται η κατανομή της επιφανειακής κάλυψης, η οποία αποκαλύπτει την έντονη εναλλαγή των υλικών σε μικρές αποστάσεις. Επίσης, στις περιοχές που δεν έχει γίνει πλήρης καύση των δέντρων, φαίνεται ότι τα καμένα δέντρα που διατηρούν τις πευκοβελόνες τους σχηματίζουν στενές λωρίδες γύρω από τις περιοχές πλήρους καύσης. Το μέσο πλάτος των ζωνών αυτών μετρήθηκε σε 100 σημεία και έχει μέση τιμή 42 μέτρα με τυπική απόκλιση 21 μέτρα. Όσον αφορά την ταξινόμηση των εικόνων LANDSAT ETM+, τα αποτελέσματα της επιβλεπόμενης ταξινόμησης παρουσιάζονται στην Εικόνα 4. Η αποτίμηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων για τις 7 κλάσεις έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η συνολική ακρίβεια ήταν 81% με δείκτη Kappa 0,55. Ωστόσο η ταξινόμηση αυτή απέτυχε να διακρίνει τις κλάσεις εδάφους καθώς και τα δύο διαφορετικά είδη καμένων κωνοφόρων δέντρων τόσο μεταξύ τους όσο και από τα πράσινα κωνοφόρα. Επίσης ο χάρτης κατανομής της επιφανειακής κάλυψης διαφέρει σημαντικά από τον αντίστοιχο χάρτη AVIRIS. Γενικά, υποεκτιμήθηκε σημαντικά η κάλυψη από πράσινη βλάστηση ενώ υπερεκτιμήθηκε η κάλυψη από καμένα δέντρα και στάχτη/κάρβουνα. Τέλος, στην Εικόνα 5 απεικονίζεται ο χάρτης σφοδρότητας καύσης που προέκυψε από την εικόνα LANDSAT ETM+ με χρήση του δείκτη dNBR.
Συμπεράσματα
Συγκρίνοντας τον χάρτη κατανομής της επιφανειακής κάλυψης AVIRIS με τον αντίστοιχο χάρτη σφοδρότητας καύσης της ομάδας BAER , συμπεραίνεται ότι η ομάδα BAER δεν κατάφερε να αποτυπώσει με ακρίβεια τις εναλλαγές και τα περίπλοκα μοτίβα των καλύψεων επιφάνειας από στάχτη, έδαφος και καμένα δέντρα στις περιοχές υψηλής και μέσης σφοδρότητας καύσης (H-High και M-Moderate). Όσον αφορά το χάρτη που προέκυψε από την εικόνα LANDSAT ETM + με χρήση του δείκτη dNBR, παρατηρείται μικρή συμφωνία στις περιοχές μέσης σφοδρότητας καύσης με τις αντίστοιχες κλάσεις καμένων δέντρων του χάρτη AVIRIS. Ουσιαστικά, οι δύο χάρτες περιέχουν συμπληρωματικές πληροφορίες, με το χάρτη dNBR να απεικονίζει μια εικόνα του βαθμού αλλαγής που προκλήθηκε από τη φωτιά και το χάρτη AVIRIS τη συγκεκριμένη κάλυψη επιφανείας ως αποτέλεσμα της φωτιάς. Η χρήση χαρτών dNBR είναι πλέον ευρέως αποδεκτή. Ωστόσο, είναι απαραίτητη η περαιτέρω έρευνα για τον καθορισμό του τρόπου που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με συνέπεια η σφοδρότητα καύσης dNBR σε οικολογικές μελέτες. Το υψηλό κόστος των υπερφασματικών εικόνων τις καθιστά μη πρακτικές για τη μαζική συλλογή στοιχείων και την απευθείας υλοποίηση μέτρων για τη μείωση της διάβρωσης και την προσπάθεια αναγέννησης της βλάστησης μετά από φωτιά. Παρόλαυτα, η μελέτη αυτή δείχνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καθοδήγηση της ταξινόμησης ευρέως χρησιμοποιούμενων και λιγότερο ακριβών πολυφασματικών δορυφορικών εικόνων και τη βελτίωση της ερμηνείας των χαρτών σφοδρότητας καύσης.
Πηγή: Raymond F. Kokaly, Barnaby W. Rockwell, Sandra L. Haire, Trude V.V. King, Characterization of post-fire surface cover, soils, and burn severity at the Cerro Grande Fire, New Mexico, using hyperspectral and multispectral remote sensing, Remote Sensing of Environment, Volume 106, Issue 3, 15 February 2007, Pages 305-325.
