XII CONGRESO NACIONAL DE METEOROLOGÍA ORGANIZACIÓN MEXICANA DE METEORÓLOGOS

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1 XII CONGRESO NACIONAL DE METEOROLOGÍA ORGANIZACIÓN MEXICANA DE METEORÓLOGOS CALIBRACIÓN E IMPLEMENTACIÓNDE LA IMÁGENES INFRARROJAS DEL SATÉLITE GOES-8 PARA LA DETECCIÓN DE INCENDIOS FORESTALES Y ACTIVIDAD VOLCÁNICA INTRODUCCIÓN Ángel R. Terán Cuevas Gerardo Carbajal Benítez Edgar Rosales Arriaga Coordinación del Servicio Meteorológico Nacional Subgerencia de Monitoreo Atmosférico Ambiental ateran@gsmn.cna.gob.mx Tel : (55) Actualmente en México, existen diferentes problemas ambientales que alteran las condiciones atmosféricas del país, tal es caso de los incendios forestales y la actividad volcánica, los cuales antes de la actividad del volcán Popocatépetl y de los incendios forestales de 1998, no se había manifestado mayor interés en su detección y seguimiento. Desde entonces, diferentes instituciones han participado con diferentes metodologías satelitales para la detección y seguimiento oportuno de los problemas ambientales que se presentan en el país, lo que permite a las instituciones responsables, establecer planes de prevención y control para evitar daños mayores al medio ambiente y a la población. La participación de la CSMN fue a través de la utilización de imágenes de satélite meteorológico GOES-8, donde además de utilizar imágenes visibles de alta resolución, se implementó la utilización de imágenes infrarrojas. DATOS DE ENTRADA Para la detección y seguimiento de los focos de calor, se utilizan imágenes infrarrojas, y considera el gradiente superficial de temperatura sobre el terreno. BANDA ESPECTRAL LONGITUD DE ONDA RESOLUCIÓN µm 4 Km Tabla 1. Características espectrales y espaciales del satélite geoestacionario GOES-8 METODOLOGÍA Los datos de las imágenes infrarrojas están dadas en formato GVAR (GOES VARiable Format), y son empaquetadas en tamaño de radianza de 10 bit por píxel. Esto obliga una transformación de los datos recibidos en la CSMN, ya que los valores de cada píxel de las imágenes son de 8 bits por píxel y son valores entre 0 a 255. Para la transformación de las imágenes de 8 bits por píxel a valores de temperatura, se deben de realizar los siguientes procedimientos:

2 1. Convertir los valores GVAR de las imágenes a valores de radianza. Los valores de 10 bit con valores entre 0 y 1023, son convertidos a valores de radianza a través de la siguiente ecuación. R = (X b)/ m Ec. 1 Donde R es la radianza [mw/(m 2 -sr-cm -1 )] y X es el valor que adquiere cada píxel entre 0 y Los coeficientes m y b fueron obtenidos durante la operación inicial del satélite, y sus valores calculados son y Determinación de la temperatura efectiva Para obtener la temperatura efectiva, en necesario aplicar la Función Inversa de Planck y la consideración de los valores de radianza obtenidos en la ecuación 1. Teff = (c 2 ) ln (1 + [c 1 3 ] / R) Ec. 2 Donde, Teff es la temperatura efectiva en grados Kelvin (K) y R es la radianza, los coeficientes c 1 y c 2 son dos constantes de la radiación y es el número de onda central y depende de las características espectrales del canal (Tabla 2). C 1 = x10-5 mw / (m 2 -sr-cm -4 ) C 2 = K / cm -1. Canal / Detector 2/a /b TABLA 2. Coeficientes de los canales espectrales del satélite GOES Determinación de la temperatura real Con los coeficientes y de la tabla 3, se aplica una relación lineal utilizando los valores de la temperatura efectiva obtenidos a través de la ecuación 2. T = + Teff Ec Relación de la temperatura real con las imágenes a 8 bits por píxel RANGO DE FÓRMULA FÓRMULA DE CONVERSIÓN VALOR MODO_A TEMPERATURAS INVERTIDA 163 K < T(K) < 242 K C a = 418 T(K) 176 a 225 T(K) = C a 242 K < T(K) < 330 K C a = 660 2T(K) 0 a 176 T(K) = (660 C a )/2 TABLA 3. Rangos y formulas de conversión para la temperatura.

3 RESULTADOS Los resultados más importantes es la automatización del proceso para la identificación de focos de calor. Esto ha permitido detectar la fase inicial de un evento significativo como la actividad volcánica y los incendios forestales. a) Actividad volcánica Para el caso de la actividad volcánica, la efectividad del sistema se observó durante la más intensa de este año, el cual se presentó el día 23 de enero del presente año, iniciando a las 11:17 GMT con pequeños tremores. La detección de la actividad pudo ser observado en las imágenes infrarrojas a partir de las 11:36 GMT debido a la onda de calor que se conformó alrededor del volcán y que permitió ser detectado antes de la erupción principal. Durante la actividad del volcán, hubo emanación de material incandescente y ceniza volcánica acompañadas de vapor de agua (Figuras 1 y 2). D.F. D.F D.F. a) 11:36 GMT Δ=24 C b) 13:22 GMT Δ=26 C c)15:22 GMT Δ=27 C Figura. 1. Imágenes Infrarrojas del satélite meteorológico GOES-8 adquiridas el día 23 de enero del año actual durante la actividad del volcán Popocatépetl. D.F D.F D.F. a) 13:18 GMT b) 14:19 GMT c) 15:20 GMT Figura 2. Imágenes visibles del satélite meteorológico GOES-8 adquiridas el día 23 de enero del año actual durante la actividad del volcán Popocatépetl.

4 b) Incendios forestales Para la detección de los incendios forestales, los resultados han sido satisfactorios, ya que tecnologías mas avanzadas como el sensor MODIS, pueden detectar los incendios pero en una fase en desarrollo. El monitoreo con el satélite GOES-8, han sido satisfactorios y efectivos, ya que se determina el inició, disipación y duración de los incendios. La identificación de los incendios forestales es en base al contraste de temperaturas sobre las zonas boscosas del país los cuales suelen ser con una diferencia de 30 grados (Figuras 3 y 4). a) MODIS, Mayo 2, :55 GMT b) GOES-8, Mayo 2, :00 GMT Figura 3. El sensor MODIS presenta focos de calor considerando quemas controladas. El satélite GOES-8, presenta los focos de calor más significativos, dada la resolución sobre el terreno de 4 Km por píxel. a) GOES-8, Mayo 2, :30 GMT b) GOES-8, Mayo 2, :54 GMT Figura 4. La detección de focos de calor con el satélite GOES-8, permite filtrar los incendios más significativos y su desarrollo con respecto al tiempo, ya que algunos son controlados en corto tiempo y se relacionan a quemas controladas.

5 CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en la identificación de focos de calor, ha sido una herramienta de bastante utilidad para la detección de actividad volcánica e incendios forestales. En el caso de la actividad volcánica, los resultados mostrados permitieron conocer las condiciones de riesgo ante una probable erupción volcánica, ya que se conforma una onda de calor alrededor del volcán dada la emanación de material incandescente en el cono del volcán. Estos resultados han sido mostrados al Centro Nacional de Prevención de Desastres, quienes actualmente, lo utilizan como una herramienta más para el establecimiento de planes alerta volcánica a los pobladores alrededor del volcán. En el caso de los incendios forestales, la detección de focos de calor en el país, presenta una alternativa mas eficiente en la detección de los incendios forestales, ya que la detección del inicio, comportamiento, duración y la identificación de el lugar donde se presenta y el tipo de vegetación afectada, ha permitido una mayor efectividad en el control de los incendios forestales en el país. Algunos de los resultados más significativos, son los obtenidos por las delegaciones estatales, tal es el caso de Chihuahua que considerando la cobertura territorial del estado, es insuficiente la infraestructura para la detección de incendios forestales, por tal motivo ha sido de mucha utilidad la utilización de imágenes infrarrojas en la detección de focos de calor en sitios remotos e inaccesibles. Para la calibración de los valores de temperatura de la imagen infrarroja con respecto a los valores reales en la superficie del terreno, se esta realizando trabajo de campo con el equipo adecuado para medir la temperatura, y su posicionamiento geográfico a través de GPS. Algunos de los resultados muestran un gradiente superficial entre 20 y 30 C de diferencia con respecto a la observada sobre el terreno. Bibliografía Sedgewick R Algorithms in C. Addison-Wesley. Richards J.A Remote Sensing Digital Image Análisis. - Springer-Verlang New York Heidelberg Berlin. Terán, A., Quiróz G., Monitoreo de Fumarolas, Contaminación e Incendios Forestales Utilizando Imágenes Meteorológicas de Alta Resolución.VIII Congreso de la Organización Mexicana de Meteorólogos, A.C. RAMM Team Home Page, Satellite Research and Applications. Colorado State University