Ανάπτυξη μεθόδων για την αποτίμηση των βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων επιπτώσεων των πυρκαγιών στα φυσικά οικοσυστήματα με τη χρήση της τηλεπισκόπησης και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών

Abstract

Forest fires in the Mediterranean basin have always been a natural factor constituting a part of the ecosystem. However, in recent decades, the general trend in the number of fires and surface burns has increased spectacularly. Satellite remote sensing is a valuable resource for fire detection, mapping and managing fire-prone areas, given the wide area coverage, high observation frequency provided by satellite-borne sensors, and the potential rapid access to acquired data. Indeed, optical satellite image data have been used extensively and proved to be useful for burned area mapping and monitoring of the post-fire vegetation recovery. However, the use of optical data to map and monitor burned areas accurately could be inhibited in areas with frequent cloud coverage, such as tropical and boreal forests. Such limitations could be overcome by the use of SAR imagery since SAR operate day as well as night and have the ability to penetrate clouds. Furthermore, this study investigates the potential of advanced image analysis methods to mapping and monitoring of burned areas. More specifically, object-based image analysis (OBIA), which is based on fuzzy logic and allows the integration of a broad spectrum of different object features, such as spectral values, shape and texture is being employed. OBIA was introduced in the last years to the field of burned area mapping and has shown promising results to accurately map burned area using different types of optical satellite imagery. Overall, this study seeks to answer the following questions: Can SAR imagery provide accurate information for mapping and monitoring burned areas in Greece? Is OBIA appropriate for fire-related studies when optical and/or SAR imagery are employed? The answers to the two questions will be sought through the specific objectives of this study, which are: 1) to estimate the short-term impact of fire by mapping burned areas using optical imagery. In particular, the use of SPOT-4 HRVIR images and OBIA was investigated to extract fire perimeters in four different regions of Greece. 2) to estimate the short-term impact of fire by employing radar imagery. Specifically, the potential of ALOS PALSAR imagery to map burned areas in the Peloponnese and in Rhodes Island was explored by employing OBIA. 3) to monitor the long-term post-fire vegetation recovery using multi-temporal optical and SAR imagery. For this objective, the potential of the synergy of SPOT and ERS imagery to monitor the post-fire vegetation recovery, approximately 20 years after fire events, in Thasos Island, Greece, was investigated. Furthermore, the sensitivity of the backscatter coefficient of the ERS imagery was analyzed and compared to the Normalized Differentiation Vegetation Index (NDVI) extracted from the SPOT images to monitor the forest regeneration.

Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούσαν ανέκαθεν αναπόσπαστο κομμάτι του φυσικού οικοσυστήματος της περιοχής της Μεσογείου. Ωστόσο, τις τελευταίες δεκαετίες, ο αριθμός των πυρκαγιών και οι εκτάσεις που καίγονται κάθε χρόνο παρουσίασαν θεαματικά ανοδική τάση. Απαιτείται, λοιπόν, η ύπαρξη ενός συστήματος για την έγκαιρη συλλογή πληροφοριών σχετικών με τις πυρκαγιές, αλλά και για την παρακολούθηση της αναγέννησης των δασών μετά από πυρκαγιά με ακρίβεια. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για την ανίχνευση πυρκαγιάς, τη χαρτογράφηση και διαχείριση καμένων εκτάσεων δεδομένης της μεγάλης περιοχής κάλυψης των δορυφορικών εικόνων και της υψηλής συχνότητας παρατήρησης της επιφάνειας της γης από τους δορυφόρους, καθώς και τη δυνατότητα έγκαιρης πρόσβασης σε δεδομένα. Πράγματι, τα οπτικά δορυφορικά δεδομένα έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς και έχει αποδειχτεί ότι είναι χρήσιμα για τη χαρτογράφηση καμένων περιοχών και την παρακολούθηση της επανεμφάνισης της βλάστησης μετά από πυρκαγιές. Ωστόσο, η χρήση των οπτικών δεδομένων μπορεί να παρουσιάσει δυσκολίες στη χαρτογράφηση και παρακολούθηση των καμένων εκτάσεων με ακρίβεια σε περιοχές με συχνή νεφοκάλυψη, όπως στα τροπικά και στα βόρεια δάση. Τέτοιοι περιορισμοί θα μπορούσαν να ξεπεραστούν με τη χρήση εικόνων SAR οι οποίες μπορούν να αποκτηθούν ανεξάρτητα από τις συνθήκες φωτισμού ενώ τα μεγαλύτερα μήκη κύματος του συστήματος SAR έχουν την ικανότητα να διαπερνούν τα σύννεφα. Η παρούσα μελέτη, διερευνά επιπλέον τη δυνατότητα προηγμένων μεθόδων ανάλυσης δορυφορικών εικόνων για τη χαρτογράφηση και παρακολούθηση καμένων εκτάσεων. Πιο συγκεκριμένα, στην έρευνα χρησιμοποιήθηκε η αντικειμενοστραφής μέθοδος ανάλυσης εικόνας (OBIA), η οποία βασίζεται στην ασαφή λογική και η οποία επιτρέπει κατά τη διάρκεια της ταξινόμησης την ενσωμάτωση ενός ευρέως φάσματος χαρακτηριστικών των αντικειμένων, όπως φασματικές τιμές, σχήμα και υφή. Γενικά, η μελέτη αυτή επιχειρεί να δώσει απάντηση σε δύο ενδιαφέροντα ερωτήματα: Μπορούν τα δεδομένα SAR να παρέχουν ακριβείς πληροφορίες για τη χαρτογράφηση και την παρακολούθηση καμένων εκτάσεων στην Ελλάδα; Είναι η OBIA κατάλληλη μέθοδος για μελέτες που σχετίζονται με την πυρκαγιά, με τη χρήση οπτικών εικόνων και / ή εικόνων SAR; Οι απαντήσεις στα δύο ερωτήματα θα επιδιωχθούν να δοθούν μέσω των συγκεκριμένων στόχων της παρούσας μελέτης: 1) η εκτίμηση των βραχυπρόθεσμων επιπτώσεων των πυρκαγιών με τη χρήση οπτικών εικόνων. Συγκεκριμένα, ερευνήθηκε η χρήση εικόνων SPOT-4 HRVIR και της OBIA για τη χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων σε τέσσερις διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας. 2) η εκτίμηση των βραχυπρόθεσμων επιπτώσεων των πυρκαγιών με τη χρήση εικόνων SAR. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η δυνατότητα των εικόνων ALOS PALSAR για τη χαρτογράφηση καμένων περιοχών στην Πελοπόννησο και στη Ρόδο με τη χρήση της OBIA. 3) η εκτίμηση των μακροπρόθεσμων επιπτώσεων των πυρκαγιών με τη χρήση χρονοσειρών οπτικών και εικόνων SAR. Για το στόχο αυτό, ερευνήθηκε η συνδυαστική χρήση SPOT και ERS δεδομένων για την παρακολούθηση της επανεμφάνισης της βλάστησης, περίπου 20 χρόνια μετά από πυρκαγιές, στο νησί της Θάσου. Επιπλέον, ερευνήθηκε η δυνατότητα της χρήσης του συντελεστή οπισθοσκέδασης του δορυφόρου ERS για την παρακολούθηση της αναγέννησης των δασών. Ο συντελεστής συγκρίθηκε επίσης με τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI) ο οποίος υπολογίστηκε από τις εικόνες SPOT.