Mapping of burnt areas at global level:
current possibilities offered by
optical Earth Observation Systems
Part 2/2
J-M. Grégoire
1
1
& P. A. Brivio
2
Global Vegetation Monitoring Unit - Space Applications Institute - Joint Research Centre
2 Telerilevamento - Consiglio Nazionale delle Ricerche, Milano
January 31st 2001
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Le immagini da Satellite
Gli incendi
- un fenomeno globale
- alta variabilità nel tempo
- alta variabilità nello spazio
L’Osservazione della Terra dallo spazio
mediante i Satelliti di Telerilevamento
è l’unico sistema che può garantire:
- un copertura globale
- una mappatura consistente e coerente
- una prospettiva temporale pluriennale
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
-
altezza orbita
periodo orbita
orbite giorno
shift orbita
800 km
100 min
14
2800 km
Satelliti di Osservazione della Terra
GEOSTAZIONARI
Meteosat
GMS
GOES
5 km
5 km
4 km
30 min
30 min
15 min
disco
disco
disco
3 bande (Vis, WW, Tir)
4 bande (Vis, WW, 2Tir)
5 bande (Vis, Mir, WW, 2 Tir)
POLARI - Bassa Risoluzione
NOAA-AVHRR
1 km
1/2 gg
SPOT-VGT
1 km
1 gg
ERS2-ATSR
1 km
6 gg
TERRA-MODIS 0.2-1 km 1 gg
2700 km
5 bande (Vis, Nir, Mir, 2Tir)
2200 km
4 bande (2Vis, Nir, Swir)
500 km
2000 km
7 bande (2Vis,Nir,Swir,Mir, 2Tir)
36 bande (Vis, … …. , Tir)
POLARI - Alta Risoluzione
Landsat-TM
SPOT-HRV
CNR
30 m
20 m
TELERILEVAMENTO
MILANO
16 g
26 g
180 km
120 km
7 bande (3Vis, Nir, 2 SWIR, Tir)
4 bande (2Vis, Nir, Swir)
Immagini Landsat TM
AFRICA
Nord Equatore
RGB: 432
RGB: 754
12 Km
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
MLH
Il fenomeno - Dimensione temporale
L’ incendio (active fire) è un fenomeno dinamico ed effimero
che lascia conseguenze durevoli nel tempo (superficie bruciata)
Riconoscibilità
Tempo
•
•
l’ incendio è facilmente riconoscibile, ma per un breve periodo di
tempo
l’area bruciata è meno facile da riconoscere, ma la sua risposta
perdura per un certo tempo (da alcuni giorni a mesi)
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Il fenomeno - Dimensione spaziale
Proporzione di cella di risoluzione (pixel) ad 1 km
interessata dal fenomeno necessaria per il riconoscimento
Active fire
Vantaggi: - individuazione di un gran numero di incendi
(al momento dell’osservazione da satellite)
Svantaggi: - non si può determinare la superficie
bruciata
- non c’è un effetto cumulativo
Superficie bruciata
~ 1 % del pixel
<- 1 km ->
Vantaggi: - tiene conto dell’effetto cumulativo dell’incendio
- può essere usata per stimare la quantità di
biomassa bruciata
Svantaggi: - sottostima quando è < 40-50 %
> 40 % del pixel
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Caratteristiche dei Sistemi
NOAA-AVHRR
SPOT-VEGETATION
Tecnica
wiskbroom
Strisciata
2700 km
Copertura 100% Equatore
Ora Acquisizione 13:30
Tecnica pushbroom CCD
Strisciata
2200 km
Copertura
90% Equatore
Ora Acquisizione 10:30
Risoluzione
• geometrica
1 Km (nadir)
• radiometrica 10 bits
Risoluzione
• geometrica 1 Km (nadir)
• radiometrica 8 bits
Bande Spettrali (micron):
• Vis
0.58 - 0.68
• NIR
0.72 - 1.10
Bande Spettrali (micron):
• MIR
• TIR
• TIR
CNR
3.55 - 3.93
10.3 - 11.3
11.5 - 12.5
TELERILEVAMENTO
MILANO
• Blu
• Rosso
• NIR
0.43 - 0.47
0.61 - 0.68
0.78 - 0.89
• SWIR 1.58 - 1.75
Risposte Spettrali dei Sensori
1.00
Sensibilità spettrale
0.75
0.50
0.25
0
1
2
3
4
5
10
11
12
NOAA
AVHHR
risoluzione:
1 km (nadir)
1.00
SPOT-VGT
risoluzione:
1 km (nadir)
0.75
0.50
0.25
0
1
2
3
4
5
10
11
Lunghezza d’onda [mm]
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
12
Riconoscimento degli incendi
Legge dello spostamento di Wien
cW
lmax= ---cW=2898 [K mm]
T
Temperatura
ambiente
incandescenza
incandescenza
K
300
800
1000
1/2
100%
picco
R a d ia n z a
C h4
R a d ia n z a
C h3
80%
60%
40%
mm
9.7 Tir
3.5 Mir
2.9 Mir
20%
0%
300
400
500
600
700
Metodi di riconoscimento
basati su sogliatura del Ch3-AVHRR
TB3> k1
Ch3: 3.55 - 3.93 micron Lsens= Lem+Lrif
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
800
T (K )
Riconoscimento degli incendi
2/2
Approccio contestuale
a soglie multiple
(Flasse & Ceccato 1996)
• seleziona
pixel candidati
per l’analisi di dettaglio
• scelta definitiva
sulla base
dei criteri seguenti
Pixel candidato
TB3 > 311 K and (TB3 - TB4) > 8 K
Vengono eliminati inoltre i pixel
- nuvole
- troppo riflettenti (acqua, deserti, ...
Pixel interessato da incendio
se rispetto al contesto
TB3 > (TB3 back + 2s ) + 3 K
DTB3B4 > DTB3B4
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
back
+ 2s
Mappe incendi estratte dal GFP
7 Sett 1992
Pixel interessati
da incendi 18 992
Immagini originali
NOAA-AVHRR LAC (IGBP-DIS)
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
6 Apr 1992
Pixel interessati
da incendi 8 835
Le Superfici Bruciate
1/2
La risposta spettrale della superficie bruciate dipende dalle caratteristiche
dell’ecosistema (savana, foresta boreale, tropicale, …) prima dell’incendio:
- tipo di copertura vegetale
- condizioni della vegetazione
In generale per una superficie bruciata si ha:
• variazione dell’albedo
La scomparsa della vegetazione e la presenza di ceneri o del
suolo nudo modificano la risposta della radiazione riflessa
• aumento della temperatura
calo dell’evapotraspirazione
aumento dell’assorbimento della radiazione solare
presenza nel pixel di incendi attivi
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Le Superfici Bruciate
2/2
Vis
0.4-0.7 mm
Presenza di ceneri generalmente scure (rBA < 0.1)
Savane asciutte diminuzione vs vegetazione senescente
Foreste umide
aumento vs vegetazione verde
Nir
0.7-1.1 mm
Netto calo del segnale per la scomparsa della vegetazione
Swir
1.1-3.0 mm
Savana: rBA decresce fino a 2.0, cresce oltre 2.25
Nelle foreste tropicali le zone bruciate sono più chiare
Mir
0.7-1.1 mm
La componente riflessa del segnale (3.7 mm) presenta
un chiaro aumento
Tir
1.1-3.0 mm
Le aree bruciate presentano di giorno valori di
temperatura più alti
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Approccio metodologico
1/2
Preparazione dei dati
Indici spettrali dedicati
Composizione temporale
- albedo
- nuvole
- GEMI
- effetti atmosferici
- NDWI
- effetti geometrici
Produzione mappe aree bruciate
(training & test)
Metodi di classificazione
- Alberi di decisione (CART)
- Massima-verosimiglianza
- Neural Network (MLP)
tipologia
- regole & soglie
- probabilistico
- sub-simbolico
Mappe delle Composizioni temporali
Composizione delle mappe giornaliere
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Approccio metodologico
2/2
Validazione dei prodotti
- Mappe Aree Bruciate
ricavate da SPOT-VGT
- Mappa Aree Bruciate
ricavate da Landsat-TM
Confronto su Aree Campione
(14 x 14 km) distribuite casualmente
Linea 1:1 livello di errori
di omissione e commissione
Linea di Regressione
rappresentatività del modello
Difficoltà di Dati di Verità su grandi estensioni
Problemi di Campionamento
Scale diverse 30 m vs 1 Km
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Savana Australiana: NOAA-AVHRR
Immagini giornaliere
NOAA-AVHRR
Mappe giornaliere
degli incendi
Active
fire
Metodo
Seed Growing
Classificazione
(Decision Tree Classifier)
r2 > 12% BT3 > 305 K
Mappa
Aree Bruciate
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
9-day composites
(min ch2 / max ch4)
Valutazione
AVHRR
VGT
1/2
TM
AVHRR >
TM
Campioni di
14 x 14 Km
VGT <
Situazioni
AVHRR >
di accordo
VGT >
TM
AVHRR >
TM
VGT <
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
Valutazione
AVHRR
Seed growing
con “active fire”
Presenza
Canale Termico
Effetto
Diversa Geometria
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
2/2
VGT
TM
Africa Nord Equatore - SPOT VGT
Composizione temporale (20 -30 nov 99)
7 000 Km
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
RGB: Swir, Nir, R
Superfici Bruciate (R.C.A.) SPOT-VGT
Composizione
Mappe B.A.
giornaliere
SPOT-VGT
Mappa B.A.
Composizione
temporale
500 Km
CNR
TELERILEVAMENTO
MILANO
100 Km