3. Teledetección e Incendios Aproximaciones

Transcripción

1 3.1. Aproximaciones

2 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Necesidad de detectar de forma sencilla y rápida los incendios en zonas remotas

3 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Régimen de fuegos

4 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Requisitos para la detección

5 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Necesidad de orientar y dar apoyo sobre la evolución de un incendio (inicio, ubicación, frente de fuego, intensidad ) Sistema Bosque Empresa Bazán IR VIS Corrección de falsas alertas

6 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Arquitectura del sistema de detección Procesado IR Procesamiento imagen Segmentación Filtro Alarmas Oscilación Sensor 1 Interfaz del sensor Imagen IR Procesado VIS Umbral Visual Función de decisión Fuzzy expert Rule base Comparación IR/Visual Base de datos Sensor 2 Sensor N Imágenes TV... Información Meteorológica Incendio Forestal

7 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Observación espacial

8 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Bases espectrales para la detección

9 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Bases espectrales para la detección

10 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Amplificación de la señal de fondo

11 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Detección VIS/MIR

12 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Sensores para la detección

13 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: World Fire Web

14 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: World Fire Web

15 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Pretratamiento imágenes AVHRR Resolución radiométrica 1024 bits (NDs entre ) Conversión a radiancias L i = -S i * (ND + I i ) para las bandas 4 y 5 L i = -S i * (ND + I i ) para las bandas 2 y 3 (VIS y NIR) donde: L: Radiancia para la banda i ND: Niveles digitales escalados a 10 bits S: Pendiente I: Intercepto Conversión a Temperaturas de Brillo (Tb) Tb(L) = c 2 / ln ( 1 + c 1 3 / L sen, ) Para los canales 4 y 5. Tb en ºK, lambda: longitud de onda central

16 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Pretratamiento imágenes AVHRR Sin embargo, la señal del canal 3 es una mezcla entre emisión térmica y energía solar reflejada, ésta última suele representar menos del 10 % para suelos desnudos y menos del 3 % para cubiertas vegetales. Así, para la banda 3 debe calcularse lo reflectado y lo emitido, con lo cual, el cálculo de la energía emitida (B3,75) en W m-2 m-1 se obtiene empleando la Tb del canal 4: B3,75 = ( 3,74151 x 10 8 ) / 5 [exp { (1,43879 x 10 4 ) / Tb 4 } - 1]

17 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Pretratamiento imágenes AVHRR Para obtener las unidades correctas debe dividirse por el dividendo de la ecuación anterior. El cálculo de la reflectividad aparente se realiza mediante: 3,75 L 3,75 B 3,75 ) / { ( E 03 cos ) / - B 3,75 ) } Donde 3,75 es la reflectividad aparente en W m-2 sr-1 mm-1, E03, es la irradiancia solar exoatmosférica en el canal 3 en W m-2 mm-1, y q el ángulo solar zenital. El valor usado normalmente para E03 = 4,479 W m-2 mm-1 para el NOAA-14. Una simplificación de este procedimiento estima los valores de Tb para los canales 3 y 4 como: Tb = (Nivel Digital / 5) - 4

18 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Algoritmos para AVHRR

19 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Problemas del AVHRR

20 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: ESA ATSR (Along Track Scanning Radiometer)

21 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: DMSP (Defense Meteorological Satellites Program Dto. Defensa EE.UU.) Cobertura global

22 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: DMSP-OLS (Operational Linescan System) mapas de incendios Focos activos detectados acumulados (Oct-94 a Mar-95)

23 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) NASA

24 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Producto MODIS de anomalías térmicas

25 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Actualización inmediata

26 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Dinámica anual

27 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Ventajas MODIS

28 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Proyecto FUEGO 12 minisatélites de órbita baja Primer prototipo 2004 Plenamente operativo 2006? Vigilancia continua (resolución temporal 15 paises Europa Mediterránea) 4 Sensores: VIS, IRc, SWIR y TIR Financiado por la ESA

29 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Bandas de observación

30 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Reducción de falsas alarmas

31 3.1. Detección y Seguimiento de focos activos: Sensibilidad FUEGO

32 3.1. Ejercicio de focos activos: Incendios en el litoral Levantino Julio de 1994

33 3.1. Ejercicio de focos activos: Datos y programa En el directorio ACTIVOS podréis encontrar seis subdirectorios cuyos nombres corresponden a las fechas de las imágenes del sensor AVHRR del satélite NOAA para los días: 4ju17h-> 4 de Julio de 1994, 17:00 h. Incluye los canales 2 (0,72-1,10 µm, infrarrojo cercano), 3 ((3.55, 3.93 µm), infrarrojo medio) y 4 (10,30-11,30 µm, infrarrojo térmico) del sensor. 4ju21h-> 4 de Julio de 1994, 21:00 h. Incluye los canales 3 y 4. 5ju5h-> 5 de Julio de 1994, 5:00 AM. Incluye el canal 3. 6ju5h-> 6 de Julio de 1994, 5:00 AM. Incluye el canal 3. 7ju21h-> 7 de Julio de 1994, 21:00 h. Incluye el canal 3. 8ju7h-> 8 de Julio de 1994, 7:00 AM. Incluye el canal 3. El programa mitjana.exe que calcula la media y la desviación típica. Se efectuó la mejora del contraste (estiramiento lineal del histograma) con el canal 2, (imagen binaria), por lo tanto los valores se mantienen en reflectancias. Los canales 3 y 4 (imágenes "integer") se encuentran en niveles digitales, y no han sufrido estiramiento del histograma. Todas fueron georeferenciadas a proyección UTM (en concreto huso 30-N) y se les aplicó un procedimiento para la eliminación de nubes.

34 3.1. Ejercicio de focos activos: Objetivos y método Durante el mes de Julio de 1994 el litoral levantino se vio afectado por numerosos incendios de gran magnitud debido en gran medida, al largo periodo de sequía sufrido. La mayoría de incendios duraron varios días y devastaron comunidades forestales mediterráneas. El objetivo de este ejercicio es detectar los fuegos activos durante el periodo comprendido entre el 4 de Julio y el 8 de Julio mediante el empleo de un algoritmo de detección basado en las temperaturas de brillo de los canales 3 y 4 del sensor AVHRR. La temperatura de brillo (no confundir con temperatura ambiente ni temperatura del objeto) corresponde a las temperaturas equivalentes del cuerpo negro ideal, y se estiman a partir de: Tb = (Nivel digital / 5) - 4 El algoritmo empleado es uno de los más habituales en la detección de fuegos activos y fue elaborado por Illera et al. (1995, ver referencia más abajo) y aplicado en el Laboratorio de Teledetección de la Universidad de Valladolid (LATUV). Resulta de sencilla aplicación y en la actualidad se sigue empleando con objeto de determinar la dirección del frente de llamas y las temperaturas alcanzadas por éstas, así como el perímetro del fuego, de forma continua.

35 3.1. Ejercicio de focos activos: Algoritmo de detección La base del algoritmo sugiere que de acuerdo con las leyes de la radiación, las fuentes de emisión con altas temperaturas emiten en longitudes de onda cortas, lo que convierte al canal 3 del sensor AVHRR (3.55, 3.93 µm) en una banda satisfactoria para la detección de fuegos activos. A través del establecimiento de umbrales basados en la media aritmética (µ) y la desviación típica ( ). 1)Tb 3 µ 3 + (2* 3 ) 2) Tb 3 -Tb 4 (µ 3-4 ) + (2* 3-4 ) 3) R 2 µ 2 + (2* 2 ) (en el caso de corresponder a imágenes de día, debe emplearse para evitar problemas de saturación) Este algoritmo asegura que, si se cumple, en los pixeles considerados hay un fuego activo. En origen, el algoritmo es aplicado en ventanas de 20 x 20 pixeles para realizar el análisis de forma local y seleccionar de forma adecuada los umbrales, e incluso posibilitar la detección sub-pixel. Sin embargo, en incendios tan conspicuos como los tratados aquí, es posible aplicar dicho algoritmo para toda la imagen.

36 3.1. Ejercicio de focos activos: Notas a considerar 1) Se aconseja redondear siempre hacia abajo los valores de los umbrales (ej: , consulta en MiraMon mayor o igual 150). 2) El programa mitjana.exe permite calcular la media y la desviación típica de una imagen ignorando un determinado valor; en el caso del canal 2, el mar posee un valor 0 obtenido mediante la máscara aplicada. Los canales 3 y 4 al convertir los niveles digitales a temperaturas de brillo poseen un valor mínimo para el mar que debe ser el ignorado en el cálculo de las medias y sigmas, a diferencia del canal 2 en el que se ignorará el 0. Realizar un mapa MiraMon que permita distinguir claramente entre las superficies detectadas cada día como fuegos activos, calcular el área y perímetro final de cada uno de los incendios, Área y perímetro de las zonas quemadas detectadas para cada fecha (imagen) Referencia bibliográfica Illera, P., Fernández, A. and Casanova, J.L. (1995). Automatic algorithm for fire detection and analysis with NOAA-AVHRR. EARSeL Advances in Remote Sensing, 4, 1-6.