شناسایی آتش سوزی با تصاویر ماهواره ای و سنجش از دور

هر ساله در مناطق مختلف دنیا شاهد وقوع آتش سوزی در مقیاس های مختلف محلی، منطقه ای و حتی قاره ای بوده ایم که اغلب در داخل جنگل ها به وقوع می پیوندد. در داخل کشور ایران نیز هر ساله جنگل های مختلف از جمله زاگرس شاهد آتش سوزی خواهد بود. یکی از تکنیک هایی که برای بررسی و شناسایی آتش سوزی مورد استفاده قرار میگیرد، فن آوری سنجش از دور است. در مقاله شناسایی آتش سوزی با تصاویر ماهواره ای و سنجش از دور به تمامی سوالات ذهن شما پاسخ خواهیم داد.

 

آتش سوزی و دلایل وقوع آن

 

آتش‌سوزی پدیده ای است که به تخریب و سوخت و ساز ماده‌های قابل اشتعال، همچون گیاهان، درختان، ساختمان‌ها و سایر عناصر محیطی، در اثر اشتعال و گسترش آتش در مناطق مختلف، اطلاق می‌شود. آتش‌سوزی ممکن است به صورت طبیعی، مانند آتش‌سوزی ناشی از صاعقه یا حرارت خورشید، یا ناشی از عوامل انسانی، مانند عدم احتیاط در استفاده از آتش، فعالیت‌های انسانی ناهنجار یا تقصیر در عملکرد وسایل آتش‌نشانی اتفاق بیافتد.

آتش‌سوزی‌ها می‌توانند در انواع محیط‌ها رخ دهند، از جمله جنگل‌ها، بیابان‌ها، مزارع، شهرها و ساختمان‌ها. آن‌ها می‌توانند منجر به تخریب بزرگی از جمله از دست دادن محیط طبیعی، خسارت به خانه‌ها و تأسیسات، از دست رفتن زندگی و خسارت به جان انسان‌ها و حیوانات شود.

آتش‌سوزی‌ها باعث تولید دود، گازهای سمی و ذرات معلق می‌شوند که بر کیفیت هوا و سلامتی افراد تأثیر منفی می‌گذارند. همچنین، آتش‌سوزی‌ها باعث تخریب خاک، کاهش تنوع زیستی و تخریب منابع طبیعی می‌شوند. به علاوه، آتش‌سوزی‌ها هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی قابل توجهی را نیز به همراه دارند. در ادامه به صورت جامع در مورد آن بحث خواهد شد.

 

تاثیرات منفی آتش سوزی بر محیط

با توجه به اینکه اغلب آتش سوزی ها در داخل جنگل ها رخ خواهد داد، در این بخش تاثیرات منفی آتش سوزی با تاکید بر جنگل مورد بررسی قرار خواهد گرفت. جنگل‌ها از نظر طبیعت و محیط‌زیست، بخش‌های بسیار حیاتی و حائز اهمیتی هستند. آتش‌سوزی جنگل باعث تخریب جنگل و عواقب جدی برای محیط زیست و جوامع انسانی می‌شود. برخی از تأثیرات این پدیده عبارتند از:

 

از دست رفتن تنوع زیستی

جنگل‌ها به عنوان محیط زندگی بسیاری از گونه‌های گیاهی و جانوری عمدتاً محافظت‌شده عمل می‌کنند. آتش‌سوزی جنگل باعث از بین رفتن و خرابی گیاهان، درختان و حیوانات جنگلی می‌شود که منجر به از دست رفتن تنوع زیستی و انقراض برخی از گونه‌ها می‌شود.

تخریب خاک و خسارت به چراگاه‌ها

آتش‌سوزی جنگل باعث از بین رفتن لایه بارور و غنی از خاک می‌شود. این امر موجب کاهش قابلیت تولید بعدی خاک و کاهش توانمندی آن برای حمل و نقل آب و عناصر غذایی می‌شود. همچنین، آتش‌سوزی می‌تواند به چراگاه‌ها و منابع طبیعی تاثثیرات بسیار منفی داشته باشد.

 

تغییرات آب و هوا

جنگل‌ها نقش مهمی در تنظیم آب و هوا دارند. آتش‌سوزی جنگل باعث ایجاد تغییرات آب و هوایی می‌شود. از جمله، آزاد شدن دی اکسید کربن (CO2) به مقدار قابل توجهی که به افزایش اثر گلخانه‌ای و تغییرات اقلیمی می‌انجامد. همچنین، با تخریب جنگل‌ها، توانایی جذب و ذخیره آب در خاک کاهش می‌یابد که منجر به کاهش توانایی تنظیم سیلاب و خشکسالی می‌شود.

 

از دست رفتن محل سکونت و معیشت بومیان

آتش‌سوزی جنگل می‌تواند مناطق سکونت و معیشت بسیاری از جوامع بومی را تخریب کند. بسیاری از افراد بومی وابستگی شغلی خود را به منابع جنگلی دارند، مانند جمع‌آوری چوب، صید و گردشگری. از دست رفتن جنگل‌ها به این جوامع بومی ضربه زده و برای آن‌ها معضل‌های اقتصادی و اجتماعی را ایجاد می‌کند.

 

افزایش خطر سیلاب و رسوبات

جنگل‌ها نقش مهمی در کنترل جریان آب و جلوگیری از سیلاب و رسوبات دارند. با تخریب جنگل‌ها، توانایی تثبیت خاک و جذب آب کاهش می‌یابد و احتمال بروز سیلاب و رسوبات بیشتر می‌شود. این موضوع باعث خسارت‌های وسیعی برای مناطق پایین‌دست می‌شود، از جمله آبگرفتگی شهرها، آبخیزها و زمین‌های کشاورزی می‌شود.

 

شناسایی آتش سوزی با تصاویر ماهواره ای و سنجش از دور

در چند دهه گذشته، جنگل به شدت تحت تاثیر تغییرات آب و هوا و فعالیت های انسانی قرار گرفته است. تغییر اقلیم و استفاده انسان از زمین باعث آتش‌سوزی جنگل‌ها می‌شود که به زیرساخت‌ها و تلفات جانی آسیب می‌رساند. با توجه به ماهیت آتش سوزی، سرعت زیاد در پخش شدن و گستردگی آن، استفاده از تکنیک های سنجش از دور در شناسایی، مدیریت و کاهش خسارات آتش سوزی یکی از ساده ترین و کارامدترین روش ها در دنیا می باشد.

برای استفاده از سنجش از دور در زمینه آتش سوزی دیدگاه های مختلف در دنیا وجود دارد. بسته به هدف محقق با توجه به ویژگی های تکرار پذیری، دسترسی به داده گذشته و پیوسته بودن سنجش از دور میتواند کاربردهای بسیار کارامدی داشته باشد. در ادامه دیدگاه های مختلف مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

دیدگاه های سنجش از دور در زمینه آتش سوزی

شناسایی و پایش آن

اولین دیدگاه که در زمینه آتش سوزی وجود شناسایی آتش سوزی است. در این حالت دو مجموعه دیدگاه وجود دارد، یک سری از محققین با استفاده از باندهای حرارتی و مادون قرمز آتش فعال را شناسایی خواهند کرد و یک سری دیگر از افراد بیشتر با کمک شاخص های گیاهی مناطق که تحت تاثیر آتش قرار گرفته اند را شناسایی می کنند.در این دیدگاه حتی در مباحث برآورد میزان خسارات نیز از سنجش از دور استفاده خواهد شد.

پتانسیل یابی آتش سوزی

یکی دیگر از دیدگاه های مرسوم در دنیا که با کمک سامانه اطلاعات جغرافیایی صورت میگیرد، مباحث مکان یابی آتش سوزی است و مناطق که پتانسیل آتش گرفتن وجود دارد را شناسایی می کنند. در این حالت داده ها و معیار هایی مانند رطوبت منطقه، دمای منطقه و میزان بیومس منطقه با استفاده از تکنیک های سنجش از دور مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

کمک به مهار آتش سوزی

یکی از کاربرد های جذاب دیگر سنجش از دور در مباحث آتش سوزی کمک به مهار آتش سوزی با کمک داده های هواشناسی می باشد. با کمک داده سنجش از دور میتوان به راحتی بیومس و تراکم پوشش گیاهی در منطقه را بررسی کرد. با کمک داده های هواشناسی مانند جهت باد میتوان جهت جریان را شناسایی کرد.

آموزش هایی کاربردی ما: 

شناسایی آتش سوزی با تصاویر لندست در گوگل ارث انجین

شناسایی مناطق آتش سوزی با تصاویر سنتینل 2 در گوگل ارث انجین

 

شاخص های کاربردی در زمینه شناسایی آتش سوزی

شاخص Normalized Burn Ratio (NBR)

شاخص Normalized Burn Ratio (NBR)، یک شاخص استفاده شده در تحلیل تصاویر از دور و حسگری برای بررسی حجم آتش سوزی و ارزیابی خسارات ناشی از آن است. این شاخص بر مبنای تفاوت جذب نور در دو باند از طیف مادون قرمز نزدیک (MIR) محاسبه می‌شود.

فرمول محاسبه NBR به صورت زیر است:

NBR = (NIR – SWIR) / (NIR + SWIR)

که NIR نشان‌دهنده باند مادون قرمز نزدیک است و SWIR نشان‌دهنده باند مادون قرمز دور است. مقادیر NBR بین -1 تا 1 قرار می‌گیرد. مقادیر مثبت NBR نشان‌دهنده خسارات آتش سوزی است و مقادیر منفی نشان‌دهنده مناطق سالم و بدون آتش سوزی هستند. از این شاخص می‌توان برای تجزیه و تحلیل مناطق آتش، برآورد میزان آسیب و رصد تغییرات بعد از آتش سوزی استفاده کرد.

نکته مهم: در بسیاری از مطالعات از اختلاف دو تصویر برای شناسایی سیلاب استفاده خواهد شد. از این روی از پسوند Differenced استفاده شده و شاخص با عنوان dNBR شناخته میشود که خلاصه شاخص Differenced Normalized Burn Ratio (dNBR) خواهد بود. در مورد سایر شاخص ها نیز صدق خواهد کرد.

شاخص Mid-Infrared Burn Index (MIRBI)

شاخص Mid-Infrared Burn Index (MIRBI)، نیز به عنوان شاخص سوزش مادون قرمز میانی شناخته می‌شود. این شاخص نیز برای تحلیل تصاویر از دور و حسگری استفاده می‌شود و در ارزیابی حجم آتش سوزی و خسارات ناشی از آن کاربرد دارد.

محاسبه MIRBI بر اساس تفاوت جذب نور در دو باند از طیف مادون قرمز میانی (Mid-Infrared) صورت می‌گیرد. شاخص MIRBI به طور معمول بر اساس باندهایی مانند MIR1 و MIR2 محاسبه می‌شود.

با استفاده از شاخص MIRBI می‌توان ناحیه‌هایی که آتش سوزی رخ داده است را شناسایی کرده و میزان خسارات و تغییرات پس از آتش سوزی را بررسی کرد. این شاخص به عنوان یکی از ابزارهای مفید در مطالعات آتش‌سوزی و مدیریت منابع طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شاخص Burn Area Index (BAI)

شاخص Burn Area Index (BAI) یک شاخص استفاده شده در تحلیل تصاویر از دور و حسگری برای تخمین مساحت آتش سوزی است. این شاخص بر اساس تفاوت در بازتاب نور در باند های مختلف طیف الکترومغناطیسی محاسبه می شود.
محاسبه BAI بر اساس باندهای قرمز و نزدیک به قرمز است. شاخص BAI برای هر پیکسل محاسبه می‌شود و مقادیر آن بین 0 و 1 قرار می‌گیرد. مقادیر بالاتر از صفر در شاخص BAI نشان‌دهنده آتش‌سوزی و حروق در آن منطقه است. مقدار بالاتر شاخص BAI معمولاً نشان‌دهنده شدت بیشتر و مساحت گسترده تر آتش سوزی است.شاخص BAI به عنوان یک ابزار مفید در مدیریت آتش سوزی، ارزیابی خسارات آتش سوزی و تحلیل تغییرات پس از آتش سوزی در منابع طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استفاده از شاخص های گیاهی

یکی از تکنیک های دیگر که به منظور بررسی تغییرات و شناسایی آتش سوزی استفاده می شود استفاده از شاخص های گیاهی مانند، NDVI، GNDVI و LAI می باشد. با توجه به اینکه آتش سوزی قسمت بزرگی از پوشش گیاهی را تخریب می کند.

 

ماهواره های کاربردی در زمینه آتش سوزی

ماهواره ها و ابزارهای مختلفی در راستای شناسایی مناطق آتش سوزی در دنیا وجود دارد. از جمله معروف ترین آنها سنجنده مودیس در ماهواره های ترا و اکوا می باشد. البته یک سری از ماهواره ها تخصصی در این زمینه می باشد که میتواند ماهواره Suomi NPP را اسم برد. در ادامه لیست ماهواره ها ارائه شده است.

Landsat and Sentinel-2 satellite
Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS)
Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS)
ASTER Instrument
AIRS Instrument
International Space Station
MISR
CALIOP
MODIS
MOPITT
VIIRS
Aircraft
AVIRIS
AVIRIS
Uninhabited Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar (UAVSAR)

 

تکنیک های شناسایی آتش سوزی با تصاویر ماهواره ای و سنجش از دور

به صورت کلی دو نوع تکنیک وجود دارد:
1-استفاده از شاخص و اختلاف آنها
2-طبقه بندی با تاکید بر روش های پیکسل مبنا و طبقه بندی شی گرا

 

از مدرسه سنجش از دور بخوانید: پایش آنلاین آتش سوزی