Ανάπτυξη προηγμένων χαρτογραφικών προϊόντων για τη βελτίωση του αντιπυρικού σχεδιασμού με τη χρήση σύγχρονων τηλεπισκοπικών δεδομένων

Abstract

Forest fires constitute one of the most threatening natural disasters resulting in adverse environmental, economic, and social effects on a worldwide scale. Climate change is predicted to exacerbate the problem, especially in the already vulnerable Mediterranean Europe, through the increase in the frequency and intensity of dryness periods and, consequently, fire danger. In fact, the occurrence of extreme dryness periods is expected to expand to the northern European countries as well as to high altitude areas, which were not considered as fire-prone in the past.Integrated fire management requires a fire plan, related to all management phases, namely fire prevention, suppression, and rehabilitation of affected areas. Reliable information regarding the fuels’ spatial distribution and properties as well as fire danger prediction is an essential component of pre-fire planning. Technological developments have rendered remote sensing a key tool for the provision of such information in a cost-efficient and timely manner.The aim of this research is the investigation of current remote sensing data potential in improving pre-fire planning through the generation of integrated cartographic products. The specific objectives of the study include: a) the development of a mid-term fire danger index using MODIS satellite imagery and ancillary geographic data, b) the improvement of the national fuel type mapping methodology which was developed in the framework of the research project “National Observatory of Forest Fires ─ NOFFi” using Sentinel-2 data, c) the investigation of LiDAR data potential in area-based canopy base height estimation, and d) the investigation of LiDAR data potential in surface fuel load estimation.The implementation of the first research objective included the development of a new mid-term fire ignition danger index. The index provides prediction for an eight-day period and it is based on dry fuel connectivity estimations derived from MODIS time-series data and their combination with biophysical and topological variables for the generation of the final product. The second research objective was reached through object-based analysis of Sentinel-2 satellite imagery for fuel type mapping, following the methodology developed in the framework of the NOFFi project. The accuracy of the produced maps was compared with the one of the respective NOFFi products in order to make conclusions in relation to the potential of Sentinel-2 data in further improvement of the existing mapping methodology and update of the national fuel type map on an operational basis. Next, the study deals with the investigation of the aerial LiDAR data potential in area-based canopy base height estimation. Two widely used estimation methods were applied, namely the voxel-based method and regression analysis, and field data were used for the results’ accuracy estimation in order to compare the performance of the two aforementioned methods. The last research objective included the examination of the potential of discrete-return multispectral LiDAR data in surface fuel load estimation over the same forest area with the one examined in the framework of the third objective. Linear regression analysis was performed using structural and intensity LiDAR metrics for the estimation of the total surface fuel load on an area (sample plot) basis as well as the load of each surface fuel type. Thereby, conclusions were made related to both the reliability of the derived surface fuel load estimations and the contribution of intensity and multispectral information provided by the LiDAR data.The results of the aforedescribed work and the derived conclusions indicate the significant contribution of current remote sensing technologies in the generation of integrated cartographic products, the employment of which is able to contribute to the improvement of pre-fire planning efficiency and, subsequently, the measures employed for rational fire management.

Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούν στις μέρες μας μία από τις πιο απειλητικές φυσικές καταστροφές με δυσμενείς περιβαλλοντικές, οικονομικές και κοινωνικές συνέπειες σε παγκόσμιο επίπεδο. Το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής προβλέπεται να οξύνει το πρόβλημα, ιδιαίτερα στην ήδη ευάλωτη Μεσογειακή Ευρώπη, μέσω της αύξησης της συχνότητας και έντασης των περιόδων ξηρασίας και, κατ’ επέκταση, του κινδύνου πυρκαγιών. Μάλιστα, αναμένεται ότι τα έντονα φαινόμενα ξηρασίας θα επεκταθούν προς τις βορειότερες χώρες της Ευρώπης αλλά και σε ορεινές περιοχές που παλαιότερα δεν ήταν επιρρεπείς σε πυρκαγιές.Η ολοκληρωμένη διαχείριση των πυρκαγιών προϋποθέτει την ύπαρξη ενός αντιπυρικού σχεδιασμού που θα αφορά όλα τα στάδια διαχείρισης, συγκεκριμένα την πρόληψη, την καταστολή και την αποκατάσταση των πληγέντων περιοχών. Η αξιόπιστη πληροφορία για τη χωρική κατανομή και τα χαρακτηριστικά της καύσιμης ύλης καθώς και τον προβλεπόμενο κίνδυνο πυρκαγιάς αποτελεί βασικό στοιχείο ενός ορθολογικού αντιπυρικού σχεδιασμού. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, η τηλεπισκόπηση έχει πλέον καταστεί το εργαλείο κλειδί για την παροχή τέτοιου είδους πληροφοριών με τρόπο οικονομικό και χρονικά αποτελεσματικό.Κύριος σκοπός της διδακτορικής έρευνας είναι η διερεύνηση της αξιοποίησης σύγχρονων τηλεπισκοπικών δεδομένων για τη βελτίωση του αντιπυρικού σχεδιασμού μέσω της ανάπτυξης προηγμένων χαρτογραφικών προϊόντων. Οι επιμέρους στόχοι της έρευνας διαμορφώθηκαν ως εξής: α) ανάπτυξη ενός μεσοπρόθεσμου δείκτη πρόβλεψης κινδύνου πυρκαγιών με τη χρήση δορυφορικών εικόνων MODIS και άλλων βοηθητικών γεωγραφικών δεδομένων, β) βελτίωση της μεθοδολογίας χαρτογράφησης τύπων καύσιμης ύλης που παράχθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος «Εθνικό Παρατηρητήριο Δασικών Πυρκαγιών ─ ΕΠαΔαΠ» με τη χρήση των δορυφορικών δεδομένων Sentinel-2, γ) διερεύνηση της δυνατότητας εκτίμησης του ύψους έναρξης κόμης σε επίπεδο επιφάνειας με τη χρήση δεδομένων LiDAR και δ) διερεύνηση της δυνατότητας εκτίμησης του φορτίου της δασικής καύσιμης ύλης με τη χρήση δεδομένων LiDAR. Η υλοποίηση του πρώτου στόχου περιελάμβανε την ανάπτυξη ενός νέου μεσοπρόθεσμου δείκτη κινδύνου έναρξης πυρκαγιάς. Ο δείκτης παρέχει προβλέψεις για διάστημα οχτώ ημερών και βασίζεται σε εκτιμήσεις της συνδεσιμότητας της ξηρής καύσιμης ύλης (dry fuel connectivity) που προκύπτουν από την ανάλυση χρονοσειρών MODIS δεδομένων και το συνδυασμό αυτών με βιοφυσικές και τοπολογικές μεταβλητές. Για την επίτευξη του δεύτερου στόχου της έρευνας εφαρμόστηκε αντικειμενοστραφής ανάλυση δορυφορικών εικόνων Sentinel-2 για τη χαρτογράφηση των τύπων καύσιμης ύλης ακολουθώντας τη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στα πλαίσια του προγράμματος ΕΠαΔαΠ. H ακρίβεια των παραγόμενων χαρτών συγκρίθηκε με αυτή των αντίστοιχων προϊόντων του ΕΠαΔαΠ με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη δυνατότητα των Sentinel-2 εικόνων για περαιτέρω βελτίωση της υπάρχουσας μεθοδολογίας χαρτογράφησης και επικαιροποίηση του εθνικού χάρτη τύπων καύσιμης ύλης σε επιχειρησιακό επίπεδο. Η συνέχεια της έρευνας πραγματεύεται τη διερεύνηση της δυνατότητας των εναέριων LiDAR δεδομένων στην εκτίμηση του ύψους έναρξης κόμης σε επίπεδο επιφάνειας. Εφαρμόστηκαν δύο ευρέως διαδεδομένες μέθοδοι—η μέθοδος των τρισδιάστατων εικονοστοιχείων και η ανάλυση παλινδρόμησης—και η ακρίβεια των αποτελεσμάτων εκτιμήθηκε με τη χρήση δεδομένων πεδίου με σκοπό τη σύγκριση της επίδοσης των δύο μεθόδων. Ο τέταρτος και τελευταίος επιμέρους στόχος της διατριβής περιελάμβανε τη διερεύνηση της δυνατότητας των πολυφασματικών LiDAR δεδομένων διακριτών επιστροφών (discrete-return multispectral LiDAR) στην εκτίμηση του φορτίου της επιφανειακής καύσιμης ύλης στην ίδια περιοχή μελέτης με αυτή που εξετάσθηκε στα πλαίσια επίτευξης του τρίτου στόχου. Εφαρμόστηκε ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης με τη χρήση στατιστικών μετρικών (LiDAR metrics) περιγραφής της δομής και της έντασης των σημείων LiDAR για την εκτίμηση του φορτίου του συνόλου των επιφανειακών καυσίμων ανά δειγματοληπτική επιφάνεια καθώς και του κάθε τύπου που τα αποτελούν. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, προέκυψαν συμπεράσματα τόσο για την αξιοπιστία των εκτιμήσεων του φορτίου των επιφανειακών καυσίμων, όσο και για τη χρησιμότητα των μετρικών έντασης και της πολυφασματικής πληροφορίας που παρέχεται από τα LiDAR δεδομένα.Τα αποτελέσματα των παραπάνω εργασιών και τα προκύπτοντα συμπεράσματα υποδεικνύουν τη σημαντική συμβολή των σύγχρονων τεχνολογιών τηλεπισκόπησης στην παραγωγή προηγμένων χαρτογραφικών προϊόντων, η αξιοποίηση των οποίων δύναται να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα του αντιπυρικού σχεδιασμού και, κατ’ επέκταση, των μέτρων που εφαρμόζονται για την ορθολογική διαχείριση των πυρκαγιών.