Detekcja pożarów z wykorzystaniem danych satelitarnych

Opracowanie: dr Bożena Łapeta, IMGW-PIB CMOK

Pożary terenów naturalnych są częstym, ale trudno przewidywalnym zjawiskiem, które odgrywa ważną rolę w cyklu biochemicznym Ziemi. Chociaż w wielu ekosystemach naturalne pożary stanowią istotny element cyklu zmian, jednak w większości przypadków stanowią one zagrożenie dla życia i infrastruktury oraz mogą prowadzić do wzrostu stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze oraz do pogorszenia jakości powietrza, a co za tym idzie – zdrowia ludzi. Dokładne i często aktualizowane informacje na temat aktywności pożarowej są niezbędne do lepszego zrozumienia czynników i skutków spalania biomasy, a także do pomocy w zarządzaniu pożarami. Informacje te mogą być dostarczane wyłącznie przy użyciu satelitarnych metod obserwacji Ziemi. Wszelkie metody detekcji pożarów z wykorzystaniem danych satelitarnych opierają się na wykrywaniu sygnatur promieniowania elektromagnetycznego (głównie podczerwonego) emitowanego podczas spalania biomasy. Promieniowanie to jest znacznie wyższe niż promieniowanie emitowane z obszaru otaczającego pożar a ich rozkład widmowy można opisać krzywą Plancka oraz jego pochodną, prawem przesunięć Wiena, (Ryc.1).

Ryc.1 Rozkład promieniowania wyemitowanego przez obiekty o różnej temperaturze: 300 K – ląd nieobjęty pożarem, 600 K – pożar tlący się, 1000 K – płonący ogień (za: Wooster M., et al., Satellite remote sensing of active fires: History and current status, applications and future requirements, 2021, Rem.Sen. of Env., 267(1): :112694 , DOI: 10.1016/j.rse.2021.112694)

Promieniowanie emitowane przez płonący ogień o temperaturze 1000 K w podczerwieni długofalowej (LWIR) (8 – 14 μm) jest o ponad rząd wielkości wyższe od promieniowania wyemitowanego z otaczającego pożar lądu ale w paśmie podczerwieni średniej MIR (3 – 5 μm) jest ono prawie trzy rzędy wielkości wyższe – co pokazuje, dlaczego obserwacje MIR są tak wrażliwe na obecność aktywnie płonących pożarów. Chłodniejsze tlące się pożary emitują niższe, ale nadal znaczące wartości promieniowania w pasmach MIR i LWIR. Bardzo silny sygnał radiacyjny obszarów spalania w obszarze spektralnym MIR oraz kontrast między nim a sygnałem LWIR z tej samej lokalizacji oraz w MIR z pobliskich obszarów nieobjętych pożarem oznaczają, że aktywne pożary można wykryć nawet jeśli obejmują one bardzo mały ułamek piksela. W przypadku danych satelitarnych o umiarkowanej rozdzielczości przestrzennej, takich jak dane AVHRR, MODIS, VIIRS i SLSTR, możliwe jest wykrycie aktywnych pożarów obejmujących około 100 m², a w niektórych przypadkach nawet mniejszych (Schroeder et al., 2014; Zhang et al., 2017). Istotne jest też to, że dane te są dostępne od kilu do kilkunastu razy na dobę, co zwiększa prawdopodobieństwo wykrycia pożarów krótkotrwałych.

Produktem wykorzystywanym do monitorowania pożarów jest tzw. ‘Active Fires’ AF (Aktywne Pożary). Dostarcza on zazwyczaj informacji o aktywności pożarowej trwającej w momencie przelotu satelity obejmującej identyfikację, lokalizację, czas oraz moc promieniowania pożarów (Fire Radiative Power; FRP). FRP jest ilością energii wyemitowanej przez pożar na wszystkich długościach fali oraz we wszystkich kierunkach podawaną w megawatach (MW). Z kolei ilość energii promieniowania emitowanej przez pożar w jednostce czasu jest uważana za liniowo powiązaną ze wskaźnikami zużycia paliwa (roślinności i/lub gleby organicznej) oraz emisji dymu (Wooster et al., 2021) i tym samym może być wykorzystywana do prognozowania jakości powietrza w obszarze objętym pożarem.

W IMGW-PIB produkt AF jest generowany na podstawie danych satelitarnych VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) odbieranych operacyjnie w Zakładzie Teledetekcji Satelitarnej z amerykańskich satelitów S-NPP, NOAA-20 i NOAA-21. Wykorzystywane jest do tego celu oprogramowanie VIIRS Active Fires opracowane przez Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, University of Wisconsin-Madison, w ramach Community Satellite Processing Package (CSPP). Oprogramowanie to wykorzystuje algorytm oparty na szeregu testów progowych stosowanych dla danych z kanałów spektralnych VIIRS zlokalizowanych w pasmach MIR i LWIR oraz w paśmie bliskiej poczerwieni 0.7 – 3 µm (tylko w ciągu dnia) (Ryc.2).

Dane wyjściowe VIIRS AF obejmują:

• maskę pożarów obejmującą współrzędne piksela oraz pewność detekcji w trzech klasach: niska (0-29%), średnia (30-79%) i wysoka (80-100%).
• temperaturę jasnościową (K) piksela ze zidentyfikowanym pożarem w kanale VIIRS M13 (4.05 µm) lub w kanale I4 (3.74 µm).
• FRP – moc promieniowania pożaru (MW).

Ryc.2 Rozkład promieniowania wyemitowanego przez ląd (300K), płomień (1000K) i tlący się pożaru (650K) na tle spektralnych funkcji czułości kanałów VIIRS wykorzystywanych przez pakiet CSPP VIIRS AF (za: Algorithm Theoretical Basis Document For NOAA NDE VIIRS Active Fire, https://www.star.nesdis.noaa.gov/jpss/documents/ATBD/ATBD_NDE_AF_v2.6.pdf).

Literatura:

Giglio L., W. Schroeder, I. Csiszar, and M. Tsidulko 2016 Algorithm Theoretical Basis Document For NOAA NDE VIIRS Active Fire, https://www.star.nesdis.noaa.gov/jpss/documents/ATBD/ATBD_NDE_AF_v2.6.pdf.

Schroeder W., P. Oliva, L. Giglio, and I. Csiszar 2014 The new VIIRS 375 m active fire detection data product: Algorithm description and initial assessment. Rem.Sen. of Env., 143, 85-96.

Wooster M., et al. 2021 Satellite remote sensing of active fires: History and current status, applications and future requirements. Rem.Sen. of Env., 267(1): :112694 , DOI: 10.1016/j.rse.2021.112694.

Zhang, T., M.J. Wooster, and W. Xu 2017 Approaches for synergistically exploiting VIIRS I-and M-Band data in regional active fire detection and FRP assessment: A demonstration with respect to agricultural residue burning in Eastern China. Rem.Sen. of Env., 198. 407-424.

Udostępnij