Research of forest fires using remote sensing data (on the example of the Сhornobyl exclusion zone)

Abstract

Дистанційне зондування Землі відіграє важливу роль у моніторингу та оцінюванні наслідків лісових пожеж. За допомогою різних методик опрацювання багатоспектральних космічних знімків можна визначати ризик поширення пожежі, виявляти гарячі точки та встановлювати теплові параметри, картографувати уражені території та оцінювати наслідки. Метоюроботи є оцінка ступеня тяжкості, пов’язаного з післяпожежноюфазою на прикладі лісів Чорнобильської зони відчуження. Задачами є визначення площ спалених територій за різночасовими космічними знімками, отриманими з супутника Sentinel-2 за допомогою нормалізованого коефіцієнта горіння (NBR) та методики контрольованої класифікації. Вхідними даними для дослідження слугували різночасові космічні знімки, отримані з супутника Sentinel-2 до та після пожежі. Знімки отримані з сервісу Copernicus Open Access Hub, і їхня просторова розрізненість становить 10 м для видимих та близького інфрачервоного каналів, та 20 м – для середніх інфрачервоних. Для автоматизованого підрахунку площі територій, пошкоджених пожежею, використано нормалізований індекс горіння (Normalized Burn Ratio (NBR)). Цей індекс призначений для ідентифікації ділянок, де відбувалось активне горіння. Для розрахунків цей індекс використовує близький та середній інфрачервоні канали. Додатково на досліджувану територію здійснено контрольовану класифікацію, при цьому були створені файли сигнатур для кожного класу. За результатами класифікації також обраховані площі територій, пошкоджених пожежею. Наукова новизна полягає в опрацюванні методики використання нормалізованого коефіцієнта горіння (NBR) та контрольованої класифікації для космічних знімків, отриманих до і після пожежі у Чорнобильській Зоні Відчуження. Практична значущість полягає у тому, що досліджені методи ГІС-технологій можуть бути застосовані для виявлення зон та обрахунку площ пошкодженої пожежами рослинності. Ці результати можуть бути використані місцевими організаціями, органами самоврядування та МНС для моніторингу стану та планування відновлення лісових насаджень. Нормалізований індекс горіння дає можливість швидко та ефективно виявити та обчислити площі територій, пошкоджених пожежами, що дозволяє оперативно оцінити наслідки таких пожеж та оцінити завдані збитки. Нормалізований індекс горіння дозволяє обчислити площу горілого лісу майже в 2 рази точніше, ніж контрольована класифікація. Сам процес обчислення також займає менше часу і не вимагає додаткових процедур (набору сигнатур). Контрольована класифікація в цьому випадку дає гіршу точність, сам процес є тривалішим, але дозволяє визначити площі декількох різних класів.

Earth remote sensing and using the satellite images play an important role when monitoring the effects of forest fires and assessing damage. Applying different methods of multispectral space images processing, we can determine the risk of fire distribution, define hot spots and determine thermal parameters, mapping the damaged areas and assess the consequences of fire. The purpose of the work is the severity assessment connected with the post-fire period on the example of the forests in the Chornobyl Exclusion Zone. The tasks of the study are to define the area of burned zones using space images of different time which were obtained from the Sentinel-2 satellite applying the method of a normalized burn ratio (NBR) and method of supervised classification. Space images taken from the Sentinel-2 satellite before and after the fire were the input data for the study. Copernicus Open Access Hub service is a source of images and its spatial resolution is 10 m for visible and near infrared bands of images, and 20 m for medium infrared bands of images. We used method of Normalized Burn Ratio (NBR) and automatically calculated the area damaged with fire. Using this index we were able to identify areas of zones after active combustion. This index uses near and middle infrared bands for the calculations. In addition, a supervised classification was performed on the study area, and signature files were created for each class. According to the results of the classification, the areas of the territories damaged by the fire were also calculated. The scientific novelty relies upon the application of a method of using the normalized combustion coefficient (NBR) and supervised classification for space images obtained before and after the fire in the Chernobyl Exclusion Zone. The practical significance lies in the fact that the studied methods of GIS technologies can be used to identify territories and calculate the areas of vegetation damaged by fires. These results can be used by local organizations, local governments and the Ministry of Emergency Situations to monitor the condition and to plan reforestation. The normalized burned ratio (NBR) gives possibility efficiently and operatively to define and calculate the area which were damaged by fires, that gives possibility operatively assess the consequences of such fires and estimate the damage. The normalized burned ratio allows to calculate the area of burned forest almost 2 times more accurately than the supervised classification. The calculation process itself also takes less time and does not require additional procedures (set of signatures). Supervised classification in this case gives worse accuracy, the process itself is longer, but allows to determine the area of several different classes