Lounaispaikan Paikkatietopäivän 2.12.2011, Turku Yrjö Rauste, VTT

1. Satelliittikuvat metsäpalojen havainnoinnissa – esimerkki reaaliaikaisesta paikkatietojärjestelmästä Lounaispaikan Paikkatietopäivän 2.12.2011, Turku Yrjö Rauste, VTT

2. Tavoitteet • Täydentää normaalein menetelmin havaittuja paloja satellittien avulla • Havaita mahdollisimman monta paloa • Havaita palot mahdollisimman nopeasti • Havaita palot automaattisesti

3. 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

4. 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

5. 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)

6. Havaintofysiikka

7. Datavuo kaavio/NOAA AVHRR NOAA satelliitti, jossa AVHRR sensori Automaattinen Palonhavaitse- misjärjestelmä Hätäkeskukset ja palokunnat

8. Palonhavaitsemisalgoritmi • 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

9. 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

10. 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

11. Hätäkeskusalueet 2010 (ja 2011)

12. Terra, Aqua satellitit Modis NOAA satelliitit AVHRR Modis vastaanotto Sodankylä NOAA vastaanotto Kumpula Hälytys- E-mail Palohavainnointijärjestelmä Systeemikaavio

13. Oikaisun periatteet B A • 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

14. 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

15. Palohavainnointijärjestelmän tulosteet

16. Yhteenveto palokartta Internetissä

17. 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

20. E-Mail palo- raportti

21. E-Mail raport- tiin linkitet- ty kartta

22. E-mail paloraportti + KML-tiedosto liitteenä

23. Havaitut palot/järjestelmän suorituskyky

24. Esimerkki havaitsematta jääneestä palosta: Lieto 11.9.2004 • Ohut cirrus pilvi • Kirkkauslämpötila 3.7 m:n kanavalla vain 304.53 K, kun havaitsemiskynnykseksi on asetettu 318 K

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

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

30. Lähetetyt paloraportit ja saadut verifikaatiovastaukset • Paloraportit (hälytysviestit) sisältävät pyynnön vastata ja kertoa, millaisesta palosta oli kysymys • Lähetettyjen paloraporttien lukumäärä ja saadut vastaukset kesällä 2010:

31. 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:

32. 1996

33. 1997

34. 1998

35. 1999

36. 2000

37. 2001

38. 2002

39. 2003

40. 2004

41. 2005

42. 2006

43. 2007

44. 2008

45. 2009

46. 2010

47. 2011

48. 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

49. VTT luo teknologiasta liiketoimintaa