بخشی از مقاله
چکیده
تکنیکهای سنجش از دور در سالهای اخیر کاربرد گستردهای در شناسایی آتشسوزیها پیدا کردهاند. با توجه به ویژگیهای آتش تکنیکهای و الگوریتمهای مختلف و متفاوتی برای شناسایی و پایش آتشسوزیها استفاده میشود. الگوریتمهای ارائه شده توسط,Giglio Byun ,Justic و Jing Wng برای سنجندهی MODIS و الگوریتمهای ارائه شده توسط Flassh و Morisette برای سنجندهی AVHHR از معمولترین تکنیکهای مورد استفاده به منظور پایش آتشسوزی در سطح جهان میباشند.
بنابراین هدف از این تحقیق بررسی ویژگیهای هر کدام از این الگوریتمها با بررسی منابع مختلف میباشد. نتایج نشان داد که بیشتر این الگوریتمها به صورت الگوریتمهای تک بانده یا چند بانده میباشند که در این صورت از حد آستانههای ثابت برای شناسایی آتشسوزی استفاده میکنند و یا به صورت متنی میباشند که از پیکسلهای همسایه و حد آستانههای متغییر برای شناسایی آتشسوزی استفاده میشود.
با توجه به اینکه بیشتر این الگوریتمها در مقیاس جهانی و برای مناطقی با شرایط آب و هوایی خاص ارائه شدهاند، اغلب توانایی کشف آتشهای با وسعت و درجه حرارت کم را ندارند و نمیتوان به طور قطع گفت که کدام یک از این الگوریتمها برای یک منطقه مناسبتر هستند، بنابراین پیشنهاد میشود که به منظور کشف دقیق آتشسوزیها و پایش بهتر آنها، این الگوریتمها متناسب با شرایط و ویژگیهای منطقهی آتشسوزی و شدت و مساحت آن توسعه داده شوند تا نتایج بهتری را ارائه دهند..
.1 مقدمه
جنگلها طیف گسترده ای از مزایا را در سطح محلی، ملی و جهانی ارائه میدهند. جنگلها بر اقلیم جهانی،تنوع زیستی و تولید چوب و انرژی تاثیر میگذارند. همه ساله هزاران آتش سوزی جنگل در سراسر جهان رخ میدهد .[1] آتشسوزی جنگل میتواند باعث از بین رفتن هزاران هکتار جنگل و صدها خانه شود که نتیجهی آن تلفات ویرانگر و آسیبهای جبران ناپذیر به محیط زیست و جو است، 30 درصد دی اکسید کربن - CO2 - موجود در جو ناشی از آتشسوزی مناطق جنگلی است.
همچنین میتواند منجر به گرم شدن کره زمین ، تخریب لایهی ازن و انقراض گونههای نادر جنگلی شود. مناطقی که در اثر این آتش سوزی ها تخریب شدهاند بزرگ هستند و نسبت به ترافیک کلی خودرو ، مونوکسید کربن بیشتری تولید میکنند. پایش مناطق خطرناک احتمالی و تشخیص زود هنگام آتشسوزی میتواند زمان واکنش را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و همچنین باعث کاهش آسیبهای احتمالی و هزینههای آتشسوزی شود
به همین جهت هدف از این تحقیق بررسی ویژگیهای الگوریتمهای ارائه شده توسط Byun ,Justic ,Giglio و Jing Wng برای سنجندهی MODIS و الگوریتمهای ارائه شده توسط Flassh و Morisette برای سنجندهی AVHHR میباشد.
.2 ماهوارهها و الگوریتمهای مورد استفاده در کشف مناطق آتشسوزی
.1-2 ویژگیهای طیفی آتش:
پدیدههای موجود در سطح زمین در مقابل امواج الکترومغناطیس با توجه به خصوصیات فیزیکی و نوع مواد تشکیل دهنده آنها بازتابهای متفاوتی را از خود بروز میدهند، از بین این پدیدهها، آتشسوزیها دارای ویژگیهای طیفی خاص و منحصر به فردی هستند که در صورت شناخت و آشنایی با این ویژگیها، امکان شناسایی و تفکیک آن از دیگر پدیدهها به راحتی در دادههای سنجش از دور میسر میشود.
از طرف دیگر امکان آشکارسازی آتش در دادههای سنجش از دور و در ابعاد زیر پیکسل به دلیل خصوصیاتی از قبیل جذب دی اکسید کربن و بخار آب در اتمسفر، دود ناشی از حریق، حرارات فوق العاده زیاد و رفتارهای ویژه دیگر در محدودههای خاصی از طیف الکترو مغناطیس وجود دارد. با توجه به قانون جابجایی وین، با افزایش درجه حرارت نقطه حداکثر تشعشع طیفی اجسام به سمت امواج کوتاهتر تمایل پیدا میکند، بنابراین با دانستن درجه حرارت آتشسوزی برای پدیدههای مختلف میتوان مناسبترین منطقه طیفی را برای آشکارسازی آتشسوزی انتخاب نمود.
درجه حرارت آنش برای مواد ترکیبی در حال سوختن برابر 570 درجه کلوین و برای آتشهای شعلهور و شدید تا 1800 درجه کلوین میباشد، بنابراین با توجه به درجه حرارت آتش و قانون جابجایی وین مناسبترین محدودههای طیفی برای مطالعه آتشسوزی محدوده مادون قرمز میانی - 5-3 میکرومتر - است، زیرا انرژی تشعشعی طیفی آتش در این منطقه از دیگر پدیدههای سطح زمین بیشتر است
.2-2 مروری بر سنجندهها و الگوریتمهای مورد استفاده در شناسایی آتش:
در روشهای کشف آتش مبتنی بر دادههای ماهوارهای از بخشهای مختلف طیف الکترومغناطیس مانند محدوههای انعکاسی، محدودههای حرارتی و محدوده جذب دی اکسید کربن استفاده میشود. در راستای کشف و شناسایی آتشهای فعال و تحلیل زمانی و مکانی آنها میتوان از سنجندههای متفاوت سنجش از دوری مانند ماهوارههای ,ASTER ,AVHRR LANDSAT ,MODIS استفاده کرد.
ماهواره NOAA-AVHRR دو مزیت مهم برای نظارت بر آتشسوزی دارد. اول این که پوشش روزانه کل کرهی زمین را با وضوح متوسط 1 کیلومتر فراهم میکند که برای نظارت بر آتشسوزی مهم میباشد. دوم اینکه طیف گستردهای از محدوده طیف الکترومغناطیس شامل محدوههای مرئی، مادونن قرمز و حرارتی را پوشش میدهد. هر کدام از این محدودهها به ویژگی-های خاصی از آتش مربوط میشوند و حاوی اطلاعات مختلفی هستند. برای مثال دود در باند مرئی قابل شناسایی است اما با توجه به ویژگیهای مشابه دود و ابر در این باند ، شناسایی دود با سایر کانالهای AVHRR بهتر انجام میشود. ناحیه سوخته شده را میتوان از تفاوت بازتاب بین کانالهای مرئی و مادون قرمز یا از شاخصهای به دست آمده از دامنه طیفی مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی ارزیابی کرد.
اگر سنسور اشباع نشده باشد و سیگنال در هر دو کانال قابل توجه باشد اندازه و دمای آتشسوزیهای زیر پیکسلی ممکن است از تابش حرارتی درباندهای MIR , TIR برای یک پس زمینه یکنواخت تعیین شود اما اغلب این کار دشوار است. باندمادون قرمز میانی برای تشخیص آتشسوزی بسیار مفید است و نسبت به وجود آتشسوزی بسیار حساس است و همین امر مشکلی برای تشخیص آتشسوزی به وجود میآورد یعنی آتشسوزی بسیار کوچک در پیکسل 1 کیلومتری به راحتی میتواند این باند را اشباع کند.
برای غلبه بر این مشکل ، اغلب در ترکیب با این باند از باند حرارتی استفاده میشود. برای داده های ماهوارهای با وضوح متوسط مانند AVHRR ، آتشسوزیها معمولاً در پیکسل دارای درجه حرارت متفاوت هستند و تفاوت های غیرمعمول بزرگی در دمای روشنایی بین دو کانال ایجاد می کنند. اکثر الگوریتمهای تشخیص آتشسوزی مبتنی بر AVHRR را میتوان در سه دسته طبقهبندی کرد
الگوریتمهای حد آستانه تک بانده که بر اساس باند 3 این سنجنده طراحی شدهاند .2 الگوریتمهای حد آستانه چند بانده .3 لگوریتم های متنی که پیکسلهایی که قطعا آتش هستند را با خصوصیات حرارتی پس زمینه مقایسه میکنند. الگوریتمهای حد آستانه تک بانده و چند بانده در واقع روشهای آستانه ثابت هستند، در حالی که الگوریتمهای متنی دارای مقادیر متغیر حد آستانه هستند
فلش و سست - - 1996 یک الگوریتم متنی مبتنی زمینه تصویر را برای کاربرد در مقیاس جهانی ارائه دادند ، این الگوریتم پیکسلهای آتش را براساس تستهای، انتخاب پیکسلهای دارای پتانسیل آتش و تایید پیکسلهای دارای پتانسیل آتش با استفاده از آزمون زمینه که بر روی پیکسلها اعمال میشود شناسایی میکند. در مرحلهی انتخاب پیکسل دارای پتانسیل آتش از دمای روشنایی باندهای 3 و 4 و فاکتور انعکاس طیفی باند 2 سنجنده AVHHAR استفاده میکند
در مرحله تایید پیکسل دارای پتانسیل آتش از اطلاعات پیکسلهای همسایه برای هر سلول همسایه که در یک پنجره محاسباتی با ابعاد متغییر 3*3 تا 15 * 15 قرار میگیرند استفاده میکند و پیکسلهای آتش را مشخص میکند. این الگوریتم برای اولین بار به کار گرفته شده بود و در اکوسیستمهای مختلف نتایج خوبی را نشان داد
بولس و وبرلی - 2000 - برای شناسایی آتش سه الگوریتم لگوریتم شناسایی آتش بوسیله حدآستانه گذاری، الگوریتم شناسایی آتش به روش زمینه تصویر و الگوریتم شناسایی آتش بوسیله مدل ماسک آتش را پیشنهاد دادند در منطقهای از آلاسکا آنها را با یکدیگر مقایسه کردند
در بین این سه مدل، مدل ماسک آتش بیشترین درصد آتش را شناسایی کرد یعنی در حدود % 31 آتشها را شناسایی کرد و مدل حدآستانه کمترین مقدار آتشسوزی یعنی چیزی در حدود %17 را شناسایی کرد .[6] کالپوما و همکاران - 2006 - چهار روش شناسایی آتش-سوزی مبتنی بر ماهواره را با استفاده از دادههای AVHRR طی یک دوره سه تا شش ماه برای منطقه ساخالین و منطقه ژاپن تجزیه و تحلیل کردند. آنها در روشهای خود از شاخصهایی مانند NDVI و MVC و مدل Kudoh استفاده کردند و توانستند از تشخیص آتشسوزیهای دروغین به مقدار قابل توجهی بکاهند
لیمینگ و زانینگ - 2012 - با توجه به اینکه باند مادون قرمز میانی - محدوده 3 /7 میکرومتر - به طور گسترده برای نظارت بر آتشسوزی در سراسر جهان استفاده میشود و این باند هر دو ، تشعشع حرارتی و انعکاس خورشیدی را دریافت میکند باعث بروز خطاهای قابل توجهی بخصوص در شناسایی آتش میشود. یک روش برای شناسایی و از بین بردن انعکاس خورشیدی در این باند از AVHRR ارائه دادند. تا دقت در تشخیص آتش بهبود یابد و معلوم شد که 27 درصد آتشهایی که به اشتباه شناسایی میشوند ناشی از بازتاب خورشیدی میباشد و روش ارائه شده توانست این خطاها را به مقدار زیادی کاهش دهد .
سنجندهی MODIS در سالهای 1999و 2002 به ترتیب بر روی ماهوارههای Terraو Aqua قرار گرفت. دارای 36 باند است که محدوده طیف مرئی تا مادون قرمز 14/4- 0/4 - میکرومتر - را پوشش میدهند. این دو ماهواره از هر منطقه از سطح زمین روزانه چهار تصویر تهیه میکنندو با توجه به فراوانی مشاهدات میتوانند با جمعآوری و پردازش اطلاعات در زمانهای کوتاه مشکل نظارت بر آتشسوزی در ساعات اولیه آتشسوزی را حل کنند .[9] الگوریتمهای تشخیص آتش MODIS بر اساس الگوریتمهای AVHRR طراحی شدهاند ، اما قابلیت های جدیدی را در عرصه سنجش از دور به ارمغان میآورند.
