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