Satelliittikuvat metsäpalojen havainnoinnissa – esimerkki reaaliaikaisesta paikkatietojärjestelmästä

Lounaispaikan Paikkatietopäivän 2.12.2011, Turku

Yrjö Rauste, VTT

202.12.11

Tavoitteet

Täydentää normaalein menetelmin havaittuja paloja satellittien avulla Havaita mahdollisimman monta paloa Havaita palot mahdollisimman nopeasti Havaita palot automaattisesti

302.12.11

Johdanto - Projektihistoria YK:n luonnononnettomuusvuosikymmen 1990-luvulla Metsäpalojen havainnointi suomalaisena sovelluksena Ensimmäiset kokeet NOAA/AVHRR aineistolla 1993 VTT:n ja

Ilmatieteenlaitoksen yhteistyönä, Sisäministeriön rahoituksella Automaattinen prototyyppijärjestelmä NOAA/AVHRR aineistolla

palokaudella 1994 (VTT, IL, SM) Järjestelmä ollut käytössä kaikkina kesinä vuodesta 1994 alkaen

402.12.11

Johdanto – Projektihistoria 2 ESA:n rahoittama FF-Operat projekti 1999-2001:

NOAA/AVHRR aineiston lisäksi ERS/ATSR aineistoa Kuvadatan kalibointi (näkyvän valon kanavat reflektanssiksi,

lämpökanavat kirkkauslämpötiloiksi) Yhteenvetokartta havaituista paloista Internetiin Projektissa mukana myös metsäpaloriskit ja muita parthenereita

VTT:n ja IL:n lisäksi: EU:n yhteinen tutkimuskeskus JRC ja Space Systems Finland

Kesä 2003 (VTT, IL, Sisäministerö): Yhteenveto palokartta päivitetty jokaisen satelliittiylityksen jälkeen

(lähes reaaliaikainen kartta) Paloraportit sähköpostitse niihin hätäkeskuksiin, joissa mahdollista

käyttää

502.12.11

Satelliittiaineiston mahdollisuudet

Landsat sarja: hyvä resoluutio (30 m), kuvaustiheys kerran 16 päivässä (Suomen leveyksillä kerran 8 päivässä) = > kuvia liian harvoin

NOAA/AVHRR sääsatelliittijärjestelmä: resoluutio parhaimmillaan (kuvan keskellä 1.1 km), kuvia noin 2 kertaa päivässä per satelliitti, tällä hetkellä 4 käyttökelpoista satelliittia => kuvia usein, mutta resoluutio heikohko, mistä seuraa heikohko herkkyys paloille

Aqua ja Terra/MODIS: resoluutio keski-infrakanavilla noin 1 km, kuvia noin 2 kertaa päivässä => hyvin saman tyyppistä aineistoa (palohavainnoinnin kannalta) kuin NOAA/AVHRR, mutta kuvia harvemmin

Tutkasatelliitit: resoluutio hyvä, monissa järjestelmissä myös kuvaustiheys, mutta herkkyys paloille lähes olematon => ei sovellu palojen havaitsemiseen (paloarpiin rajoituksin)

602.12.11

Havaintofysiikka

702.12.11

NOAA satelliitti,jossa AVHRRsensori

AutomaattinenPalonhavaitse-misjärjestelmä

Hätäkeskukset japalokunnat

Datavuo kaavio/NOAA AVHRR

802.12.11

Kuuman kohteen havaitseminen AVHRR-kanavalla 3 (3.7 m, keski-IR)

Kanava 2 (NIR), ja 4 (terminen IR) pilvimaskauksessa

Kuvausgeometria heijastuksista johtuvien väärien hälytysten karsinnasssa

Palonhavaitsemisalgoritmi

902.12.11

Heijastuksista johtuvat väärät hälytykset/Kuvausgeometria

Heijastukset useimmiten tapahtuvat vaakasuorista tasaisista pinnoista kuten vedenpinta, pilvikerroksen yläpinta tai sumu- tai usvakerroksen yläpinta

Vettä voi olla muuallakin kuin vesistöissä: lumen sulamisvedet suolla, erilaiset tulvat

Kulmaehto käytössä koko kuva-alalle

Lasketaan kulma c auringosta tulevan, vaakasuorasta pinnasta heijastuvan säteen ja havaintosäteen välillä

Jos kulma c yli 25 astetta, väärä hälytys

1002.12.11

Järjestelmäympäristö

Palohavainnointijärjestelmän pitää olla täysin automaattinen Järjestelmän täytyy toimia luotettavasti vuorokauden ympäri noin 4

kuukautta Kuva-aineiston syöttö järjestelmään pitää tapahtua nopeasti Palvelin, joka on ympäri vuorokautisessa operaattorien valvonnassa Unix/Linux-tyyppinen palvelin Ilmatieteen laitoksessa valittiin

järjestelmäalustaksi

Mahdolisimman vähän valmisohjelmien käyttöä Riippumattomuus lisenssiehdoista ja eri toimijoiden ylläpito- ja

versiopolitiikasta

1102.12.11

Hätäkeskusalueet 2010 (ja 2011)

1202.12.11

Systeemikaavio

Palohavainnointijärjestelmä

NOAAvastaanottoKumpula

ModisvastaanottoSodankylä

Hälytys-E-mail

NOAAsatelliititAVHRR

Terra, AquasatellititModis

1302.12.11

Oikaisun periatteet

BA Lähtökohtana satelliitin rataparametrien

avulla laskettu säännöllinen verkko sijaintipiteitä kuvan linja-sarakekoordinaatistossa

Oikaisuun tarvitaan säännöllinen pisteistö karttakoordinaatistossa

Sijaintipisteverkon kääntäminen Projektiivisen geometrian menetelmin

haetaan input verkkosolun sivujen leikkauspiste ja määritetään interpolointisuhteet A ja B

1402.12.11

Näytteistys (Resampling)

Kuvan oikaisu vaatii aina pikseliarvojen määrittämisen sellaisiin sijainteihin (pikselien väleihin), joissa alkuperäisessä kuvassa ei mitattua arvoa

Klassiset 3 menetelmää palohavainnoinnin kannalta: Nearest neighbour

Toimii, mutta aiheuttaa +/- 0.5 pikselin siirtymiä satunnaisjakaumalla

Bi-linear interpolation Taipumusta katkaista huippuarvoja => ei sovi palohavainnointiin

Cubic convolution (3. asteen splini) Siistiä kuvaa ilman siirrosartifakteja Voi liioitella huippuarvoja korkean kontrastin rajoilla, esim. tumma

meri vs. kirkas, valkoinen pilvi => ei sovi palohavainnointiin

1502.12.11

Palohavainnointijärjestelmän tulosteet

1602.12.11

Yhteenveto palokartta Internetissä

1702.12.11

Paloraportit

Paloraportin keskeisin tieto on palon sijainti Tieto siitä, milloin rekisteröidyssä kuvassa palo on havaittu, on myös

tärkeä Karttaesitys palon sijainnista suotava Paloraportteihin lisätään myös säätietoa paloviranomaisia varten:

Tämän hetkinen sää Lyhyen ajan ennuste tuulesta ja sateesta Säätiedot haetaan IL:n säätietokannasta, mikä vaatii noin 1.5 minuutin

viivästyksen paloraporttien lähetyksessä

1802.12.11

1902.12.11

2002.12.11

E-Mail palo- raportti

2102.12.11

E-Mail raport- tiin linkitet- ty kartta

2202.12.11

E-mail paloraportti + KML-tiedosto liitteenä

2302.12.11

Havaitut palot/järjestelmän suorituskyky

2402.12.11

Esimerkki havaitsematta jääneestä palosta: Lieto 11.9.2004

File: n150409111530b3.wd (1540 records by 1540words)Lin/Col: 770 771 772 773 774

972: 28568 28533 28464 28517 28500973: 28568 28551 28500 28482 28500974: 28585 28551 30453 29535 28500975: 28634 29070 30453 28482 28464976: 28601 28618 28618 28464 28482977: 28618 28618 28601 28551 28446

Ohut cirrus pilvi Kirkkauslämpötila 3.7 m:n

kanavalla vain 304.53 K, kun havaitsemiskynnykseksi on asetettu 318 K

2502.12.11

Total: 2417 (incl. 510 Modis) scenes processed (in 2009 2916/541)

2602.12.11

Total: 948 fire observations (incl. 159 Modis) in the wholearea (1819/262 in 2009)

2702.12.11

2802.12.11

2902.12.11

Time from Beginning of Image Acquisition

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Delay(m

in) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55

Fire Alert (E-mail) Sent in Minutes (mean = 28.5 minutes, excluding outliers)

Nu

mb

er

of

Fir

es

3002.12.11

Lähetetyt paloraportit ja saadut verifikaatiovastaukset

Paloraportit (hälytysviestit) sisältävät pyynnön vastata ja kertoa, millaisesta palosta oli kysymys

Lähetettyjen paloraporttien lukumäärä ja saadut vastaukset kesällä 2010:

3102.12.11

Palohavaintojen tyypit

Paloviranomaisilta saaduista vastauksista voidaan seuratapalojen tyyppejä sekä mahdollisten väärien hälytysten määrää

Vastaukset käsitellään yksitellen ja kirjataan Sisäministeriölle tehtävään raporttiin

Esimerkki palohavaintotyyppien yhteenvedosta kesältä 2010:

3202.12.11

1996

3302.12.11

1997

3402.12.11

1998

3502.12.11

1999

3602.12.11

2000

3702.12.11

2001

3802.12.11

2002

3902.12.11

2003

4002.12.11

2004

4102.12.11

2005

4202.12.11

2006

4302.12.11

2007

4402.12.11

2008

4502.12.11

2009

4602.12.11

2010

4702.12.11

2011

4802.12.11

Johtopäätökset

NOAA/AVHRR pohjainen palonhavainnointi toimii hyvin edellyttäen, että NOAA-satelliitteja (tai vastaavia) on riittävän monta (yli neljä)

Korkean resoluution satelliiteilla kuvaustiheyden saaminen edes lähelle NOAA/AVHRR-sarjan kuvaustiheyttä vaatisi valtavan suuret investoinnit satelliittikonstellaatioon

Satelliittipohjaiset metsäpalohavainnot voivat vain täydentää muilla menetelmillä havaittuja paloja; esimerkiksi täysin pilvisellä säällä optiset satelliitit eivät voi havaita paloja

Satelliittipohjainen metsäpalohavainnointi eräänlainen viimeinen oljenkorsi tapauksissa, joissa kukaan ei liiku metsäalueilla lähellä paloa

4902.12.11

VTT luo teknologiasta liiketoimintaa